DE19539711C2 - Nachführung der Rotor-Zeitkonstanten bei Feldorientierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Adaption eines bestimmenden Parameters einer zumindest aus zwei verkoppelten Reglern oder Regelkreisen bestehenden Regelstruktur eines Drehstrommotors oder -generators mit feldorientierter Regelung (auch: flußorientierte Regelung). Die Erfindung betrifft dabei sowohl das Verfahren zum Anpassen des bestimmenden Parameters (Anspruch 1).

Soweit im Rahmen der Beschreibung auf "Regler" Bezug genommen wird, ist damit der technische Begriff eines Reglers gemeint, wie er Grundlage technisch orientierter Regelstrukturen ist und wie er herangezogen wird, um Regelstrecken (Motoren oder Maschinen) so zu steuern, daß Sollwerte nachgeführt und Störgrößen ausgeregelt werden.

Der bestimmende Winkel in der Feldorientierung, der die Entkopplung dieser beiden Regelkreise erlaubt und der Grundlage der beiden Koordinatentransformationen ist, ist der Drehwinkel des Flußvektors; er errechnet sich z. B. unter Verwendung des bestimmenden Parameters T_R, der als Rotor-Zeitkonstante des Drehfeld-Generators oder Drehfeld-Motors (meist: Asynchronmaschine) bekannt ist. Seine Kenntnis ist notwendig, um eine exakte Entkopplung zu erreichen. Ist der Parameter unrichtig, so ergibt sich eine fehlerhafte Koordinatentransformation und damit eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Regelkreise für Drehmoment und Flußvektor, die eine ordnungsgemäße und zuverlässige Regelung erschweren, wenn nicht sogar unmöglich machen.

Im Stand der Technik ist es vielfach versucht worden, diesen bestimmenden Parameter nachzuführen, wofür Spannungswerte des Drehfeldmotors herangezogen wurden (vgl. Hitachi Research, IEEE Rec. Denver, 1989, Seiten 594-600, dort insbesondere Seite 594, rechte Spalte, unter II). Es wurden auch zusätzliche stochastische oder pseudostatistische Störsignale auf die Führungsgröße (Drehmoment oder den Fluß) aufgeschaltet, vgl. EP 071 847 B1, Spalte 2, Zeilen 25 bis 30 und dortige Fig. 2. Ein Integralregler (dort 25) gibt eine T_R-Konstante am Ausgang ab. Bei unvollständiger Entkopplung werden die auf den Sollwert aufgeschalteten pseudostatistischen oder stochastischen Signale auf die andere Komponente (Fluß- oder Drehmoment) übertragen, gemessen wird aber gemäß der dortigen Fig. 2 eine Drehzahländerung über einen Fühler 19, welche normalerweise keinen Einfluß von dem stochastischen oder pseudostatistischen Signal, das dort auf den feldparallelen Sollwert aufgeschaltet wird, hat. Aufgrund einer Kreuzkorrelation (dort: Funktionsblock 21) wird das pseudostatistische Signal, das dem Sollwert aufgeschaltet wurde, mit der Drehzahländerung verglichen, um bei Auftreten einer Kreuzkorrelation, d. h. dann, wenn das Signal der Drehzahländerung das statistische Signal im Flußkreis beinhaltet, die Rotor-Zeitkonstante (dort: T auf der Signalleitung 12) zu ändern, über den besagten Integrator.

Aufgabe der hier beschriebenen Erfindung ist es, eine Adaption für den bestimmenden Parameter einer aus zumindestens zwei verkoppelten Regelkreisen bestehenden feldorientierten Regelstruktur vorzuschlagen, die einfach ist und zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe wird mit Anspruch 1 gelöst.

Mit der Erfindung wird zur Anpassung des bestimmenden Parameters (beispielsweise der Rotor-Zeitkonstante einer Feldorientierung für Asynchronmotoren) die Regelabweichung des einen Reglers verwendet, der von den beiden vorgesehenen Regelkreisen weitgehend im stationären (oder statischen) Zustand arbeitet. Diese Regelabweichung wird einem Integrator zugeführt, der entweder direkt den bestimmenden Parameter als Signal abgibt oder aber eine Differenzgröße ausgibt, die zu einem fest vorgegebenen (oder abhängig von der Maschine vorgebbaren) Grundwert hinzugefügt oder abgezogen wird. Die Erfindung macht sich dabei die Idee zunutze, die unerwünschten Einflüsse der Regelbewegung des einen Regelkreises auf den anderen Regelkreis als "Testsignal" zu verwenden und dieses Testsignal auf Null zu regeln, so daß eine entkoppelte Regelung vorliegt, basierend auf einer angepaßten Rotor-Zeitkonstante, als Ausgangsgröße des Integralreglers (Anspruch 1).

Das Verfahren benötigt keine störbehafteten Spannungswerte, die aufgrund der Wechselrichter-Einflüsse schwer zu messen sind; das Verfahren arbeitet mit bereits vorhandenen Signalen (die Regelabweichung ist ein in jedem Regler vorhandenes Signal); es werden keine zusätzlichen, insbesondere keine stochastischen, Testsignale benötigt und der Aufwand der Regelung ist erheblich geringer als derjenige eines komplexen Beobachters mit einer Vielzahl von Eingangsgrößen und möglicherweise sogar Matrizenoperationen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich ohne weiteres in mikroprozessor-gesteuerten Reglern einsetzen und in kundenspezifischen Bausteinen leicht integrieren.

Das Vorzeichen zur Änderung der Rotor-Zeitkonstante ergibt sich aus einer Berücksichtigung des Vorzeichens der Regelabweichung e und dem Vorzeichen der Ausgangsgröße des Momentenreglers, der denjenigen Regelkreis darstellt, der die unerwünschten Einflüsse auf den weitgehend im stationären Zustand arbeitenden, den Fluß vorgebenden Regler ausübt (Anspruch 2). Der unerwünschte (durch nicht ordnungsgemäße Verkopplung entstehende) Einfluß wird dann zu Null, wenn die Rotorzeitkonstante von dem Integrator richtig eingestellt worden ist. Dann wirkt sich auch keine Regelbewegung im Momentenregelkreis auf den Flußregelkreis aus.

Die Eingangsgröße für den erwähnten Integrator kann direkt die Regelabweichung "e" sein, sie kann auch über eine Freigabebedingung (Anspruch 4) zugeschaltet oder abgeschaltet werden, z. B. wenn im Momentenregelkreis ein dynamischer Regelvorgang vorliegt. Als Freigabebedingung kann die Detektion des Arbeitens außerhalb des Feldschwäch-Bereiches dienen.

Die Verstärkung oder die Zeitkonstante des Integrators kann angepaßt werden (Anspruch 5), um unterschiedliche Empfindlichkeiten der Identifikation (Adaption) zu erhalten. Die unterschiedlichen Verstärkungen können abhängig von der Amplitude der Last- oder Drehzahländerung im Momentenkreis gemacht werden. Besonders eignen sich Vorgaben über Sollwertsprünge mit Einfluß auf die Verstärkung im Identifikationszweig.

In der erwähnten Regelstruktur mit zwei verkoppelten Reglern wird die Regelabweichung des Längsstromreglers (Fluß vorgebenden Reglers oder "Flußreglers") Basis für die integratorbasierte Adaption sein, der Momentenregelkreis erzeugt dabei den an sich unerwünschten und durch die Entkopplung zu vermeidenden Einfluß auf den Längsregler, welcher Einfluß zur Adaption verwendet wird.

Die Erfindung(en) werden nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert und ergänzt.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Regelkreises des Flußreglers i_sd mit einem PI-Regler 20 und dem Motor oder Generator 10. Angedeutet ist der Einfluß des Momentenreglers 40 über eine linearisierte Störgröße, die bei kleinen Abweichungen des Flußvektors der Koordinatentransformation von dem tatsächlichen Flußvektor des Feldes des Asynchronmotors 10 gilt.

Fig. 2 veranschaulicht in allgemeiner Blockschaltbild-Struktur einen Strom-Regelkreis mit einer Regelabweichung e, die einem PI-Regler 20a zugeführt wird, wobei die Regelabweichung e als Eingangsgröße einer Adaption für die Rotor-Zeitkonstante verwendet wird.

Fig. 3 zeigt die integratorbasierte Anpassung und Einstellung der Rotor-Zeitkonstanten T_R mittels Integrator 30 und drei vorgelagerter Übertragungsglieder 31, 32 und 33.

Fig. 4 zeigt den Fehlwinkel δ im Flußvektor.

Der allgemein in Fig. 2 dargestellte Regelkreis mit einem PI- Regler wird im Normalfall eine Regelabweichung von Null ergeben, was auf den Integral-Anteil zurückzuführen ist. Es ist allerdings auch bei einem Integralregler eine Regelabweichung möglich, dann, wenn der Sollwert eine Rampe darstellt, so daß die Ausgangsgröße (der Ist-Wert) ebenfalls eine Rampe sein muß. Zur Erzeugung einer Rampe benötigt der PI-Regler eine konstante Regelabweichung e. Das Vorzeichen dieser Regelabweichung hängt von der Richtung und der Änderung des rampenförmigen Sollwerts ab. In gleicher Weise ergibt sich die Stör-Übertragungsfunktion, wenn die Störgröße z, die in Fig. 2 ebenfalls eingezeichnet ist, ebenfalls eine Rampe ist.

Bei der feldorientierten Regelung, von der der Flußregler in Fig. 1 im unteren Halbbild dargestellt ist, existieren zwei Stromregelkreise. Der Momentenregler 40 ist im oberen Halbbild der Fig. 1 dargestellt. Im Idealfall sind diese beiden Regelkreise entkoppelt. Eine Änderung des Sollwertes im Flußregelkreis entspricht einer Änderung des Feldes der Asynchronmaschine, eine Änderung im Sollwert des Momentenregelkreises entspricht einer Änderung des Moments oder der Drehzahl, ggf. einer Änderung des Lagewertes bei einer übergeordneten Lageregelung.

Die erwähnte Entkopplung wird durch eine Koordinaten- Transformation erreicht, die Eingangswerte für die Regelung zur Verfügung stellt und die die Ausgangswerte der in Fig. 1 dargestellten Zweikreis-Regelstruktur auf das Drehfeld der Maschine umsetzt.

Für die erwähnte Koordinaten-Transformation wird der Drehwinkel des Flußvektors benötigt, der Basis für die Transformation ist. Er berechnet sich in der im Stand der Technik näher bezeichneten Art und Weise, unter anderem mit der Rotor-Zeitkonstante des Drehfeldmotors 10. Stimmt die Rotor-Zeitkonstante des Motors (oder des Generators) nicht mit der Koordinaten-Transformation überein, wird der Drehwinkel des Flußvektors ungenau oder sogar falsch berechnet und die beiden Stromregelkreise 40 und 20 sind miteinander verkoppelt. Die Verkopplung äußert sich durch Störgrößen, die in der Fig. 2 mit z bezeichnet sind.

Eine näherungsweise Abschätzung der Störgröße des Momentenreglers 40 auf den Flußregler kann man für kleine Abweichungen des Feldvektors durch Liniearisieren der Sinus- und Cosinus-Funktionen herbeiführen, die den tatsächlichen Einfluß definieren. Unterstellt man, daß die Abweichung des geschätzten Drehwinkels des Flußvektors von dem tatsächlichen Drehwinkel des Flußvektors mit δ bezeichnet wird (vgl. Fig. 4), so kann die Kopplung der Stromregelkreise wie in Fig. 1 angegeben angenähert werden. Der durch Verkopplung entstehende Störeinfluß z durch den Momentenregler 40 ist in erster Linie eine vom Drehwinkel δ linear abhängige Größe, die sich für kleine Winkel δ aus folgender Überlegung ergibt

z(t) = u_sq,40 sinδ ≈ u_sq,40.δ

Diese Beeinflussung von z(t) ist in Fig. 1 als I_sq-Einfluß dargestellt, sie entspricht der linearen Störgröße, die oben erläutert wurde.

Ändert sich nun die Störgröße z infolge der Änderung der Regler- Ausgangsspannung u_sq,40 oder des Fluß-Fehlwinkels δ (z. B. bei Drehzahl- oder Laständerung), tritt eine Regelabweichung e im Feldregelkreis auf. Diese Abweichung wird zu Anpassungszwecken verwendet, ihr Vorzeichen kann unter Berücksichtigung physikalischer Überlegungen ermittelt werden.

Da die Spannung u_sq,40 bekannt ist, kann das Vorzeichen des unbekannten Fehlwinkels δ ermittelt werden. Da das Vorzeichen des Fehlwinkels δ von der Richtung der Änderung der Rotor- Zeitkonstanten T_R abhängt, kann aus dem Vorzeichen der Regelabweichung e die notwendige Änderung der Rotor- Zeitkonstanten ermittelt werden, wie das in Fig. 3 dargestellt ist. Die Eingangsgröße e kann dabei einmal allgemein aus Fig. 2 entnommen werden, sie kann auch speziell für die Feldorientierung einer Asynchronmaschine 10 aus dem Regelkreis der Fig. 1 entnommen werden.

Ausgangsgröße des Integrators 30 in der Fig. 3 ist dabei entweder die Rotor-Zeitkonstante T_R selbst oder aber eine Differenzgröße dT_R(t), die zu einem vorgegebenen Grundwert T_R0 hinzugefügt oder abgezogen wird. Es ergibt sich dann (am Ausgang der Summierstelle 31) die Rotor-Zeitkonstante T_R.

Die Regelabweichung e kann durch eine Freigabebedingung 33 gesteuert sein, die von der Erkennung eines dynamischen Zustandes im Momentenregelkreis abhängig gemacht wird. Der Faktor, mit dem e multipliziert wird, kann dabei Eins oder Null sein.

Es ist eine Richtungskorrektur in einem Multiplikator 32 auch möglich. Der Faktor, mit dem die Regelabweichung multipliziert wird kann 1 oder -1 sein. Die Identifikations-Geschwindigkeit kann mit der Multiplikationsstelle 31 eingestellt werden, die Multiplikation 31 kann auch mit der Multiplikation 32 kombiniert werden, um mit einem positiven oder negativen Wert zu multiplizieren, der die Geschwindigkeit der Anpassung der Rotor- Zeitkonstanten vorgibt.

In gleicher Weise ist die Einstellung einer unterschiedlichen Zeitkonstante des Integrators 30 möglich.

Die Ausgangsgröße T_R bildet die Rotor-Zeitkonstante, auf der die oben erwähnte Koordinatentransformation nun ausgeführt wird. Wird die Regelabweichung e kleiner - also der unerwünschte Kopplungseinfluß des Momentenreglers auf den Flußregler -, so ist der Regelsinn der Rotor-Zeitkonstante T_R(e) richtig.

Der Ausgang des Integrators kann mit einem Maximal- und einem Minimalwert begrenzt werden, wofür sich die Verwendung einer Vorsteuerung mit einer Grund-Rotorzeitkonstante T_R0 empfiehlt, die man für den jeweiligen Anwendungszweck und die Größe der Maschine (also typenspezifisch) annimmt. Gegenüber diesem Wert führt der Integralregler 30 dann die durch Temperatur stark ändernde Rotor-Zeitkonstante nach. Die Plausibilitäts- Begrenzung dT_Rmax kann dabei sowohl symmetrisch sein als auch in Richtung einer geringeren Rotor-Zeitkonstante unsymmetrisch, da die Temperatur den Widerstand im Rotorkreis stark erhöht und damit die Zeitkonstante stark herabsetzt, die bevorzugte Auslenkung des Integrators 30 also negativ ist.

Claims (9)

1. Verfahren zur Anpassung eines die feldorientierte Regelung eines Drehstrommotors oder -generators (10) bestimmenden Parameters, insbesondere der Rotorzeitkonstante (T_R) eines Asynchronmotors oder -generators, bei dem

• a) die Regelabweichung (e) eines integrierenden, den Fluß vorgebenden Stromreglers (20, 20a) der feldorientierten Regelung vorzeichenbewertet integriert (30) wird;
• b) die integrierte Regelabweichung repräsentativ für den bestimmenden Parameter (T_R(t)) ist oder eine vorgegebene Grundeinstellung dieses Parameters (T_R0) ändert (dT_R(t)).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Vorzeichen der Änderung der Rotor-Zeitkonstanten (T_R) als bestimmender Parameter eines Asynchronmotors oder -generators aus dem Vorzeichen der Regelabweichung (e) eines den Fluß vorgebenden Reglers (20) und dem Vorzeichen der Ausgangsgröße eines Momentenreglers (40) oder der Richtung der per Sollwertänderung eingestellten Drehzahländerung des Motors oder Generators (10) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Vorzeichenbewertung so ausgerichtet wird (32), daß der Momentenregelkreis (40) und der Flußregelkreis (20, 20a) weitgehend entkoppelt werden.

4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem bei Last- oder Drehzahländerung die Regelabweichung (e) des den Fluß vorgebenden Reglers (20) zum Integrator (30) freigeschaltet wird (33).

5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Verstärkung (31) der Regelabweichung (e) oder die Zeitkonstante des Integrators (30) verändert wird, insbesondere abhängig von der Amplitude der Last- oder Drehzahländerung des Motors oder Generators (10).

6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem ein Momentenregler (40) der feldorientierten Regelung einen Integralanteil enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in der feldorientierten Regelung Eingangs- und Ausgangsströme des Motors oder Generators (10) eine Koordinatentransformation durchlaufen, die auf dem Drehwinkel des Flußvektors des Motors oder des Generators basiert, errechnet anhand des bestimmenden Parameters (T_R).

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der den Fluß vorgebende Regler (I_Sd,20) weitgehend im stationären Zustand arbeitet.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Adaption über die integrierte Regelabweichung (30, e) abgeschaltet wird, wenn der Motor oder Generator im Feldschwächbetrieb arbeitet.