DE19747410A1

DE19747410A1 - Verfahren zur Synchronisierung von Elektro-Motorischer-Kraft und Stromraumzeiger bei digital feldorientiert geregelten Synchronantrieben

Info

Publication number: DE19747410A1
Application number: DE19747410A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Ing Heinemann
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1997-10-27
Publication date: 1999-04-29

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisierung von Elektro-Motorischer-Kraft und Stromraumzeiger bei digital feldorientiert geregelten Synchronantrieben.

Um eine einwandfreie Funktion eines Synchronantriebes sicher zustellen, muß der räumliche und zeitliche Zusammenhang zwi schen der elektromotorischen Kraft EMK des Antriebes und dem Stromraumzeiger phasenrichtig hergestellt werden. Bei rotato rischen Synchronantrieben, die im Motorenwerk komplettiert werden, erfüllt diese Aufgabe in der Regel der Antriebsher steller, welcher über Vorrichtungen und Know-how zur Synchro nisierung und Geberjustage verfügt.

Problematisch ist diese Anforderung jedoch vor allem auch bei Synchron-Linearmotoren, welche im allgemeinen als Bausatzmo toren mit getrennten Primär- und Sekundärteilen sowie Linear meßsystemen vertrieben werden. Dabei kann der Stromraumzeiger bzw. Polwinkel der Antriebsregelung erst im montierten Zu stand auf die Antriebs-EMK justiert werden. Erst diese erfor derliche Justage, welche im letztgenannten Fall von dem Kun den selbst vorzunehmen ist, stellt die Leistungsdaten des Syn chronantriebes wie Maximalkraft und Maximalgeschwindigkeit sicher.

Bei einer Extremfehljustage ist sogar ein instabiler Regel kreis und infolge ein Durchgehen der Antriebsachse möglich.

Häufig trifft dieses Problem mit Synchron-Linearantrieben im Bereich der Werkzeugmaschinenhersteller auf, welche vor der Aufgabe stehen, bei der Endmontage einer Werkzeugmaschine den räumlichen und zeitlichen Zusammenhang zwischen Antriebs-EMK und Stromraumzeigerphasen richtig herzustellen.

Herkömmlicherweise existieren zwei praktisch erprobte Verfah ren zur Vornahme einer solchen Polwinkeljustage.

Bei einem ersten bekannten Verfahren wird die Achse der Syn chronmaschine verschoben und dabei die induzierte Motorspan nung oszillografiert. Anschließend wird - beispielsweise bei einem Synchron-Linearantrieb - der Linearmaßstab mechanisch so verschoben, daß die Referenzmarke mit dem Nulldurchgang der Motor-EMK der Phasenspannung U zusammenfällt oder es wird über ein Maschinendatum der Fehlerwinkel zur Erreichung der Synchronität über einen Software-Parameter eingetragen. Die ses Verfahren ist erprobt, benötigt aber zusätzliche Meßgerä te, ausgebildetes Fachpersonal und ist zeitaufwendig und feh leranfällig. Außerdem müssen unter Umständen mehrere iterativ Schritte durchgeführt werden und es ist ein Ablesen der Zeit verschiebung aus dem Oszillogramm auf händische Art und Weise erforderlich.

Nach einem weiteren bekannten Verfahren zur Polwinkeljustage wird im Stillstand der Achse des Synchronantriebes mit Hilfe von Spannungsimpulsen, die durch den Umrichter auf die Mo torklemmen gegeben werden, die wegen der Eisensättigung pol winkel-abhängige Induktivitätsverteilung des Antriebes be stimmt. Der Versatz zur Referenzmarke wird in einen Software- Parameter eingetragen. Dieses Verfahren ist erprobt, die Ge nauigkeit beträgt ca. ± 5° elektrisch. Fehlfunktionen bei Mo toren mit schlechter Sinusform der EMK oder nicht vorhandener Eisensättigung sind jedoch denkbar. Da das Verfahren nur an einer Position mißt, können Motorfehler durch vertauschte oder beschädigte Magnetpole (bei Synchron-Linearantrieben im Sekundärteil) nicht erkannt werden, wodurch wiederum Fehlmes sungen entstehen können. Aufgrund dieser Eigenschaften ist dieses bekannte Verfahren vor allem für die Erfassung des Grob-Polwinkels beim Einschalten des Antriebes zum Ersatz von Hallsensoren bei inkrementellen Meßsystemen geeignet.

Auch bei rotierenden Synchronantrieben stellt sich jedoch das Problem der Polwinkeljustage häufig nach einem Gebertausch, welcher eine neue Justage erforderlich macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah ren zur Synchronisierung von Elektro-Motorischer-Kraft EMK und Stromraumzeiger bzw. Polwinkel bei digital feldorientiert geregelten Synchronantrieben zu schaffen, bei dem keine Zu satz-Hardware erforderlich ist und eine Herstellung des pha senrichtigen räumlichen und zeitlichen Zusammenhangs zwischen Antriebs-EMK und Stromraumzeiger weitgehend automatisch er reicht werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Synchronisierung von Antriebs-EMK und Strom raumzeiger mit den folgenden Verfahrensschritten erreicht:

1.1 Freigabe des Umrichters ausschließlich mit aktivierter Stromregelung,
1.2 Vorgabe von Stromsollwerten mit Wert NULL,
1.3 Verschieben bzw. Verdrehen der Achse des Synchronantriebs mit Ermittlung eines absoluten Lagemeßwertes als Refe renzlage,
1.4 Erfassen der dadurch bedingt auftretenden Sollwerte für mindestens eine Phasenspannung,
1.5 Legen einer idealen Sinuskurve durch die erfaßten Soll werte für die mindestens eine Phasenspannung mittels ei ner Ausgleichsrechnung,
1.6 Ermitteln des Winkels des Stromraumzeigers direkt aus der berechneten Sinussignalform,
1.7 Erreichung der Synchronität mittels eines Korrekturwin kels zwischen Referenzlage und Winkel des Stromraumzei gers.

Vom Bediener wird nur verlangt, daß die Inbetriebnahmefunkti on gestartet, die Achse der Synchronmaschine per Hand bewegt und anschließend die Inbetriebnahmefunktion quittiert wird. Vorteilhaft ist, daß der Synchronantrieb und im Falle eines Synchron-Linearantriebes das Linearmeßsystem, wie für den späteren Betrieb erforderlich, am Umrichter angeschlossen bleiben kann und daher keine Vertauschungsmöglichkeit und die dadurch bedingten Betriebsstörungen auftreten können. Da durch, daß bei aktivierter Stromregelung die Stromsollwerte i*_q und i*_d fest mit Null vorgegeben werden, wird keine Mo torkraft erzeugt. Es wird somit keine Ankerkurzschlußbremsung des Antriebes vorgenommen und es entsteht keine Bremskraft, weshalb die Achse des Antriebes leicht von Hand verschoben werden kann. Die resultierenden Sollwerte u_u*, u_v* und u_w* für die Phasenspannungen weisen, da die Motorströme i_u, i_v, i_w zu NULL geregelt werden, keine Phasenverschiebung auf. Die Span nungssollwerte u_u*, u_v* und u_w* kompensieren somit genau die Antriebs-EMK.

Indem eine ideale Sinuskurve durch die gemessenen Spannungs werte gelegt wird, was durch eine Ausgleichsrechnung ge schieht, werden Fehler, die durch Oberschwingungen der EMK, durch ungenaue Magnetmontage und Toleranz in der Magnetinduk tion entstehen können, ausgemittelt. Durch die Ausgleichs rechnung wird der Polwinkel bzw. Winkel des Stromraumzeigers direkt aus der Signalform und nicht aus dem Nulldurchgang er mittelt. Aus diesem Grund ist auch eine Polwinkeljustage für Verfahrwege kürzer als eine Polteilung möglich. Benötigt wird ein absoluter Lagemeßwert, welcher beispielsweise bei einem Absolut-Lagegeber ohnehin vorliegt. Wird ein inkrementales Gebersystem verwendet, so muß eventuell der Referenzpunkt überfahren werden, damit zu jedem Punkt der ermittelten Si nuskurve ein absoluter Bezugswert vorhanden ist. Anhand die ses idealen Sinus läßt sich dann ein Bezug der absoluten Po sition zur betrachteten Motorphase herstellen. Anhand der Differenz zwischen Referenzpunkt und ermitteltem Polwinkel bzw. Winkel des Stromraumzeigers läßt sich ein Korrekturwin kel zur Erreichung der Synchronität gewinnen, welcher bei spielsweise über ein Ausgleichsdatum als Softwareparameter hinterlegt werden kann.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt die Ausgleichsrech nung mittels einer Regressionsanalyse. Beispiele zur Vornahme einer solchen Regressionsanalyse finden sich in Schrüfer, E.: Signalverarbeitung: Numerische Verarbeitung digitaler Signa le, München, Wien, Hanser-Verlag, 1990, Seite 237ff. Für den Regressionsalgorithmus bietet sich insbesondere ein rekursi ves Verfahren an, das nur einen geringen, von der Länge des Verfahrweges unabhängigen Bedarf an Meßwertspeicherplatz er fordert.

Selbstverständlich sind auch andere Verfahren zur Ausgleichs rechnung anwendbar, insbesondere Verfahren zur Approximation einer gesuchten Funktionskurve nach einer bestimmten Strate gie zwischen den ermittelten Spannungssollwerten (vergleiche hierzu das bereits erwähnte Werk von Schrüfer, Seite 72ff).

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfah rens gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Sollwerte für alle drei oder mehr Phasenspannungen erfaßt und es wird anhand der Phasenfolge ein Vergleich mit der positiven Zähl richtung eines Lagemeßsystemes vorgenommen.

Aufgrund dieses Vergleichs kann automatisch ein Parameter ge setzt werden, welcher die Zählrichtung des Lagemeßsystems an die positive Verfahrrichtung der Synchronmaschine anpaßt. Auf diese Weise wird der Regelsinn eines Geschwindigkeitsregel kreises automatisch korrigiert.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfah rens gemäß der vorliegenden Erfindung wird mittels eines Drehzahl- oder Lagegebers ein Geschwindigkeitsistwert abge leitet und es werden die erfaßten Spannungssollwerte auf eine Standardgeschwindigkeit normiert, für die die zugehörigen Sollwerte der EMK hinterlegt sind.

Indem nicht nur ein Spannungsnulldurchgang der Phasenspan nung/en, sondern auch die Amplitude ausgewertet wird, ist auf diese Weise zusätzlich eine Motordiagnose möglich. So kann beispielsweise eine Fehlerschwelle zwischen der idealen Si nusform und der ermittelten Kurve der Sollwerte definiert werden. Wird diese Fehlerschwelle überschritten, so lassen sich hieraus Motorfehler, wie z. B. nicht angeschlossene Pha sen, Wicklungsschlüsse oder -unterbrechungen, vertauschte oder beispielsweise durch Überstrom beschädigte Magnetpole (bei Synchron-Linearantrieben im Sekundärteil) diagnostizie ren. Eine solche Eigenschaft ist bei Bausatzantrieben wie Synchron-Linearantrieben besonders vorteilhaft, da Fehler beim Zusammenbau der Komponenten durch den Kunden nicht aus geschlossen werden können und eine optische Inspektion der Antriebe im eingebauten Zustand in der Regel nicht mehr mög lich ist.

Eine Normierung des beispielsweise aus den Linearmaßstabsi gnalen abgeleiteten Geschwindigkeitsistwertes kann vorteil hafterweise auch intern in der Ausgleichsrechnung erfolgen, wenn die Geschwindigkeit als freier Parameter gewählt wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfah rens gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich eine weitere Steigerung der Genauigkeit erreichen, indem ein Verschieben bzw. Verdrehen der Achse des Synchronantriebes mehrmals wie derholt wird, wobei die dabei erfaßten Sollwerte gemittelt werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Meßkurven, ideale Sinuskurven und ermittelter Synchronisierungspunkt an einem Bildschirm graphisch vitualisert werden können, wodurch je derzeit eine Pausibilitätskontrolle möglich ist.

Zusammenfassend lassen sich für die vorliegende Erfindung folgende Vorteile feststellen:
Die im Umrichter integrierte Stromregelung wird verwendet, um ein Abbild der Antriebs-EMK zu erzeugen, ohne daß hierfür ei ne zusätzliche Hardware erforderlich wäre.

Es wird nicht nur ein Spannungsnulldurchgang, sondern die ge samte Kurvenform der Phasenspannungen über einen beliebig langen Verfahrweg bewertet. Dadurch werden Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Polwinkel-Justage erheblich gesteigert. Diese Polwinkel-Justage wird auch für Achsen mit sehr kurzen Verfahrwegen ermöglicht.

In das Verfahren ist eine Diagnosefunktion für Motorfehler integrierbar.

Der Regelsinn des Geschwindigkeitsregelkreises kann automa tisch korrigiert werden.

Aufgrund dieser voranstehenden Vorteile, welche mit dem Ver fahren gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden, bie tet sich dieses nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestal tung besonders für Synchron-Linearantriebe an.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines vorteilhaften Ausfüh rungsbeispieles und in Verbindung mit der Figur. Es zeigt:

Fig. 1 eine Regelungsstruktur zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zur Synchronisierung von Antriebs-EMK und Stromraumzeiger.

In der Darstellung gemäß der Figur ist eine Regelungsstruktur zur Synchronisierung von Antriebs-EMK und Stromraumzeiger bzw. Polwinkel für Synchronantriebe gezeigt, welche beispiel haft anhand einer digitalen feldorientierten d-q-Regelung für einen Synchron-Linearantrieb 14 mit einem Linearmeßsystem 13 erfolgt. Es ist ein i_q-Stromregler 1 zur Einprägung einer mo mentbildenden Komponente senkrecht zur Flußlage, der q-Kom ponente, sowie ein i_d-Stromregler 2 zur Einprägung einer feldbildenden Komponente in Flußrichtung, der d-Komponente, vorgesehen. Der i_q-Stromregler 1 wird mit der in einem Diffe renzglied 4 gebildeten Differenz aus Stromsollwertkomponente senkrecht zur Flußlage i*_q und dem entsprechenden Stromist wert i_q beaufschlagt. Entsprechend wird der i_d-Stromregler 2 in einem weiteren Differenzglied 5 mit der Differenz aus der Stromsollwert-Komponente i*_d und der entsprechenden Stromist wert-Komponente i_d beaufschlagt. Als Stromsollwert-Komponen ten i*_q und i*_d wird jeweils ein Wert NULL vorgegeben.

Der Ausgang jedes Stromreglers 1 bzw. 2 stellt je eine Span nungskomponente u*_q bzw. u*_d im Flußkoordinatensystem bereit. In einem Entkopplungsglied 3, welchem die Stromsollwert-Kom ponenten i*_q und i*_d sowie ein ermittelter Polwinkel ε zuge führt sind, wird jeweils ein Ausgleichswert auf je einen der jeweiligen Spannungskomponente zugeordneten Addierer 7 bzw. 8 aufgeschaltet. Die Spannungskomponenten u*_q bzw. u*_d im Fluß koordinatensystem können daher trotz der zu NULL gewählten Stromstollwert-Komponenten jeweils Werte ungleich NULL auf weisen, welche in einer Einheit 6 zur Koordinaten- und 2/3- Transformation in das ständerfeste Koordinatensystem trans formiert und in Form von Phasenspannungen u*_u, u*_v, u*_w über ein Umrichtersystem 12 (beinhaltend eine Pulsweitenmodulation PWM und einen Leistungsteil) an den Synchron-Linearantrieb 14 ausgegeben werden.

Zur feldorientierten Regelung werden aus dem Umrichter 12 die Phasenströme zweier Phasen, beispielsweise i_u und i_v abge griffen, aus denen über ein Differenzglied 9 der Strangstrom der dritten Phase i_w nachfolgender Berechnungsvorschrift be stimmt wird:

i_w = -i_u-i_v.

Unter den geschilderten Voraussetzungen weisen alle drei Pha senströme einen Wert von NULL auf. Dieser Iststromraumzeiger der Phasenströme i_u, i_v und i_w wird über eine Einheit 15 zur Koordinaten und 2/3-Transformation ebenfalls in eine d- und q-Komponente des mit dem Fluß drehenden Koordinatensystems transformiert. Auf diese Weise werden die Stromistwert-Kompo nenten i_q und i_d bestimmt, welche unter den vorliegenden Be dingungen ebenfalls einen Wert von NULL aufweisen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun die durch eine Verschiebung der Achse des Linear-Synchronantriebes 14 gene rierten Sollwerte u*_u bzw. u*_v bzw. u*_w für mindestens eine Phasenspannung gemessen und durch eine Ausgleichsrechnung ei ne ideale Sinuskurve durch die erfaßten Sollwerte gelegt. Ein hierfür erforderliches Rechenglied wie beispielsweise ein Mi kroprozessor mit geeignet programmiertem Programmspeicher so wie Arbeitsspeicher zur Aufnahme der erfaßten Sollwerte ist der besseren Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Deswei teren ist eine Einheit 10 zur Polweitenumrechnung vorgesehen, welche mit vom Linearmeßsystem 13 gelieferten Lagemeßwerten x beaufschlagt wird, wodurch ein entsprechender absoluter Lage meßwert als Bezugswert bekannt ist. Zu jedem Punkt des Sinus existiert somit ein absoluter Bezugswert. Über die Einheit 10 zur Polweitenumrechnung wird nun ein Polwinkel ε ermittelt, welcher neben der Einheit 3 zur Entkopplung auch den beiden Koordinaten- und 2/3-Transformationseinheiten 6 bzw. 15 zuge führt ist. Die Ermittlung des Winkels ε des Stromraumzeigers erfolgt, wie weiter oben beschrieben, direkt aus der berech neten Sinussignalform, indem der Bezug der absoluten Position x zur Motorphase anhand des idealen Sinus hergestellt wird. Die Erreichung der Synchronität mittels eines Korrekturwin kels kann ebenfalls mit Hilfe der Einheit 10 zur Pulsweiten umrechnung vorgenommen werden, indem ein entsprechendes Ma schinendatum entsprechend dem ermittelten Korrekturwinkel als Korrekturfaktor in der Einheit 10 hinterlegt wird, was zur Folge hat, daß die beschriebenen Komponenten mit dem korrek ten Polwinkel ε beaufschlagt werden. Darüber hinaus ist vor teilhafterweise ein Differenzierglied 11 vorgesehen, mit dem aus den Lagewerten x ein Geschwindigkeitsistwert v abgeleitet wird, welcher zur Normierung der festen Spannungssollwerte auf eine Standardgeschwindigkeit verwendet wird. Dadurch las sen sich die vorangehend geschilderten Maßnahmen zur Durch führung einer Diagnosefunktion für Antriebsfehler integrie ren.

Neben der der besseren Übersichtlichkeit halber nicht gezeig ten Meßwertspeicherfunktion für die Sollwerte für mindest ei ne Phasenspannung kann mit Hilfe des Rechengliedes, bei spielsweise des bereits genannten Mikroprozessors mit ent sprechenden Speichergliedern, auch die Ausgleichsrechnung beispielsweise mit Hilfe eines Regressionsalgorithmus durch führt werden.

Claims

1. Verfahren zur Synchronisierung von Elektro-Motorischer- Kraft (EMK) und Stromraumzeiger bei digital feldorientiert geregelten Synchronantrieben gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

1.1 Freigabe des Umrichters ausschließlich mit aktivierter Stromregelung,
1.2 Vorgabe von Stromsollwerten (i_q*, i_d*) mit Wert NULL,
1.3 Verschieben bzw. Verdrehen der Achse des Synchronantriebs mit Ermittlung eines absoluten Lagemeßwertes als Refe renzlage,
1.4 Erfassen der dadurch bedingt auftretenden Sollwerte (u_u* und/oder u_v* und/oder u_w*) für mindestens eine Phasen spannung (U, V, W),
1.5 Legen einer idealen Sinuskurve durch die erfaßten Soll werte (u_u* und/oder u_v* und/oder u_w*) für die mindestens eine Phasenspannung (U, V, W) mittels einer Ausgleichsrech nung,
1.6 Ermitteln des Winkels des Stromraumzeigers (ε) direkt aus der berechneten Sinussignalform,
1.7 Erreichung der Synchronität mittels eines Korrekturwin kels zwischen Referenzlage und Winkel des Stromraumzei gers (ε).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß

2.1 die Ausgleichsrechnung mittels einer Regressionsanalyse erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß

3.1 Sollwerte (u_u* und u_v* und u_w*) für alle drei oder mehr Phasenspannungen (U, V, W) erfaßt werden und anhand der Phasenfolge ein Vergleich mit der positiven Zählrichtung eines Lagemeßsystems erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

4.1 mittels eines Drehzahl- oder Lagegebers ein Geschwindig keitsistwert abgeleitet wird und die erfaßten Spannungs sollwerte (u_u* und/oder u_v* und/oder u_w*) auf eine Stan dardgeschwindigkeit normiert werden, für die die zugehö rigen Sollwerte der Elektro-Motorischen-Kraft (EMK) hin terlegt sind.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß

5.1 ein Verschieben bzw. Verdrehen der Achse des Synchron antriebs nach Verfahrensschritt 1.3 mehrmals wiederholt wird, wobei die dabei erfaßten Sollwerte (u_u* und/oder u_v* und/oder u_w*) gemittelt werden.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Synchron-Linearantrieb.