DE4426764C2 - Verfahren zur Ansteuerung eines Pulswechselrichters durch Stellbefehle eines Pulsmustergenerators - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines einen Drehstrommotor aus einer Gleichspannungsquelle speisenden Pulswechselrichters durch Stellbefehle eines Pulsmustergenerators mit asynchronen Pulsmustern im niederfrequenten Betrieb und einer Umschaltung auf in dem Pulsmustergenerator abgelegte, vorausberechnete optimierte synchrone Pulsmuster im höherfrequenten Betrieb.

Ein solches Verfahren ist durch die EP 0 229 656 B1 bekannt.

Ein Pulsmustergenerator hat die Aufgabe, eine Sollspannung derart in Stellbefehle an den Pulswechselrichter umzusetzen, daß die gewünschte Sollspannung durch die diskreten Ausgangspotentiale des Pulswechselrichters möglichst gut approximiert wird. Ist die Pulsfrequenz groß genug, kann die Einheit Pulsmustergenerator/Pulswechselrichter im Hinblick auf die glättende Wirkung der im Leistungskreis vorhandenen Streuinduktivitäten als nahezu ideal wirkender Spannungsverstärker aufgefaßt werden. Bei geringeren Pulszahlen entsprechend dem Verhältnis von Pulsfrequenz zu Ständerfrequenz des Drehstrommotors ist diese Betrachtung jedoch nur noch bedingt gestattet.

Das Regelverfahren, das als Ausgangs- oder Stellgröße den Spannungssollwert an den Pulsmustergenerator weitergibt, muß daher selbst in geeigneter Weise die pulsende Spannung berücksichtigen. Dies korrespondiert unmittelbar mit der Meßwerterfassung der Ströme des Drehstrommotors, die aufgrund der Spannungspulsung einen erheblichen Oberschwingungsanteil aufweisen können.

Generell werden die vom Pulsmustergenerator zur Verfügung zu stellenden Pulsmuster in asynchrone Pulsmuster und synchrone Pulsmuster unterschieden. Bei asynchronen Pulsmustern ist die Pulsfrequenz in der Regel unabhängig von der Ständerfrequenz; das entstehende Pulsmuster ist bezüglich der Grundschwingungsperiode nicht periodisch. Bei synchronen Pulsmustern wird die Pulsung des Pulswechselrichters mit der Ständerfrequenz synchronisiert; die Pulszahl ist dann ganzzahlig und abschnittsweise konstant. Das entstehende Pulsmuster ist im stationären Zustand bezüglich der Grundschwingung periodisch.

Das Spektrum der pulsenden Spannung bzw. des daraus resultierenden Stromes und damit auch des Drehmoments besteht aus den Summen und Differenzen von Vielfachen der Pulsfrequenz und der Ständerfrequenz. Bei asynchroner Pulsung sind daher über die Differenzfrequenzglieder auch Frequenzanteile möglich, die unterhalb der Ständerfrequenz liegen und sich als Schwebungen bemerkbar machen. Bei synchroner Pulsung können dagegen nur ganzzahlige Vielfache der Ständerfrequenz im Spektrum auftreten.

In der Regel werden daher bei Pulszahlen entsprechend einem Verhältnis von Pulsfrequenz zu Ständerfrequenz unterhalb von etwa 12 bis 15 synchrone Pulsmuster verwendet, da sich anderenfalls die Schwebungen erheblich bemerkbar machen.

Neben der Erzeugung der Pulsmuster durch eine Dreiecksmodulation werden heute häufig auch Pulsmuster im Pulsmustergenerator mit dem Verfahren der Vektor- oder Raumzeigermodulation bereitgestellt, welches verhältnismäßig einfach bei Mikroprozessoren zu implementieren ist. Zwar können auch bei dem letztgenannten Pulsverfahren Aspekte von Strom- Oberschwingungen und Drehmoment-Pulsationen in Grenzen berücksichtigt werden; bei sehr niedrigen Pulsfrequenzen bieten aber speziell auf minimale Strom-Oberschwingungen oder Drehmoment-Pulsationen optimierte, off-line berechnete, im Pulsmustergenerator abgelegte, synchrone Pulsmuster Vorteile (Pollmann: "A Digital Pulse Width Modulator Employing Advanced Modulation Techniques" Konferenzbericht IEEE-IAS, ISPC- Conference, Orlando, 1982, Seiten 116 bis 121).

Die Anwendung und die Umschaltung von für einen Frequenzbereich der Ständerfrequenz des Drehstrommotors jeweils (vektor­ orientiert) optimierten synchronen Pulsmustern ist durch den Beitrag von G.Heinle "The Structure Of Optimized Pulse Patterns" auf der 5th European Conference On Power Electronics And Applications, Brighton 1993, Vol. 5, Drives I, Conference Publication No. 377, Seiten 378 bis 383 bekannt. Derartige optimierte Pulsmuster sind jedoch stets für den stationären Betrieb ermittelt.

Durch die Dissertation von G. Stanke "Untersuchung von Modulationsverfahren für Pulsstromrichter mit hohen dynamischen Anforderungen bei beschränkter Schaltfrequenz" Technische Hochschule Aachen, 1987, Seiten 116 bis 137 ist generell der Einsatz vorab optimierter und gespeicherter Pulsmuster nicht nur für den stationären Betrieb, sondern auch mit Einschränkungen für den hochdynamischen Betrieb bekannt. Die zuvor genannte Dissertation wie auch der Aufsatz von A.Trenner "Korrekturmaßnahmen beim Pulsmusterwechsel eines Spannungs­ zwischenkreisumrichters" In: Elin-Zeitschrift, 1991 Heft 3/4, Seiten 86 bis 94 weisen zudem auf die Verwendung einer asynchronen Pulsung im unteren Frequenzbereich hin und geben Möglichkeiten zur stoßfreien Umschaltung zwischen Pulsmustern bei ausgewählten Winkeln an.

In der EP 0157 202 A1 ist aufgezeigt, wie Schaltwinkel zur Steuerung von Stromrichterventilen eines Pulswechselrichters in Abhängigkeit von der Aussteuerung desselben durch eine lineare Interpolation aus in einer Tabelle abgespeicherten Schaltwinkeln zu gewinnen sind. Die gemäß Tabelle gespeicherten Pulsmuster ergeben sich aus einer Sinus-/Dreiecksmodulation, sind also nicht optimiert. Darüberhinaus erfolgt die Abtastung der Aussteuerung des Pulswechselrichters mit fester Frequenz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem mit einfachen Schritten ebenfalls eine hohe Dynamik des Antriebs auch beim Einsatz der dem stationären Betrieb zugrundegelegten optimierten Pulsmuster bei weiterhin geringen Pulsationen im Drehmoment erreichbar ist und dementsprechend die Umschaltung zwischen den einzelnen Pulsmustern, seien sie asynchron oder synchron, problemlos abläuft.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Regelung übergibt nur zu diskreten Zeitpunkten neue Sollwerte an den Pulsmustergenerator. Während eines Abtastintervalls bleiben die Sollwerte konstant. Die Abtastzeitpunkte zur Meßwerterfassung jeweils zu den Pulsmitten werden wiederum durch das Pulsmuster selbst vorgegeben: Voreilhafterweise sind hier solche Zeitpunkte ausgewählt, bei denen auch bei den off-line optimierten Pulsmustern zumindest näherungsweise sichergestellt ist, daß die gepulste Ausgangsspannung in ihrem Mittel über die jeweilige Pulsperiode dem geforderten Sollwert entspricht.

Dadurch wird ein definiertes Übergangsverhalten des Pulsmustergenerators erreicht. Gleichzeitig wird durch diese Zeitpunkte eine Stromabtastung möglich, die zwar insbesondere bei Abtastung der für die Magnetisierung verantwortlichen Komponente des Stromes zu systematischen Fehlern führt, während die Drehmoment bildende Komponente des Stromes sehr gut erfaßt wird. Da für schnelle Drehmomentanregungen die letztgenannte Stromkomponente entscheidend ist, kann die zuvor erwähnte Unzulänglichkeit ohne Auswirkung auf das Verfahren nach der Erfindung in Kauf genommen werden.

Auch mit den off-line optimierten Pulsmustern ist somit bei dynamisch hochwertigen Anforderungen eine schnelle Anpassung der Regelgröße an den Sollwert und damit gleichzeitig auch ein pulsationsarmes Umschalten zwischen den Pulsmustern im Zuge von gewünschten Drehzahländerungen des Drehstrommotors möglich.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Das Verfahren nach der Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 die Schnittstellen eines entsprechend dem Verfahren nach der Erfindung arbeitenden Pulsmustergenerators,

Fig. 2 die Ermittlung von Schalt- und Abtastwinkel am Beispiel eines synchronen 7er Mittenpulsmusters,

Fig. 3 den Zeitverlauf des Zusammenwirkens der Regelung für den Pulswechselrichter mit dem Pulsmustergenerator bei der Erstellung synchroner Pulsmuster und

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf eines Umschaltvorgangs zwischen einer asynchronen Pulsung und einem 9er Mittenpulsmuster.

Gemäß der schematischen Darstellung der Fig. 1 weist ein nach der Erfindung arbeitender Pulsmustergenerator PMG sowohl Schnittstellen zu einer Regelung R für einen über einen Pulswechselrichter gespeisten Drehstrommotor als auch zu einer die einzelnen Stromrichterventile des Pulswechselrichters mit Zündimpulsen beaufschlagenden Pulslogik PL auf.

Als Schnittstelle von der Regelung R zum Pulsmustergenerator PMG tritt im wesentlichen die Sollspannung auf. Diese kann auf verschiedene Weise dem Pulsmustergenerator übergeben werden, wobei folgende Modifikationen denkbar sind: Spannung in orthogonalen Komponenten, Spannung als Betrag und Winkel (Spannungszeiger gegenüber einem feststehendem Ständersystem des Drehstrommotors), Spannung als Betrag und Frequenz in der Ständerwicklung des Drehstrommotors oder Spannungsaussteuerung und Frequenz in der Ständerwicklung des Drehstrommotors.

Durch die Verwendung der optimierten Pulsmuster wird die Wahlmöglichkeit jedoch aus betrieblichen Gründen eingeschränkt Neben dem stationären Zustand sind immer auch transiente Übergangsvorgänge im Auge zu behalten und die Vorgehensweise wie sie von Regelung und Pulsmustergenerator bearbeitet werden können. Die optimierten Pulsmuster sind nun aber speziell für stationäre Zustände ausgelegt - anders etwa als die Dreiecks- oder Raumzeigermodulation, die ohne Schwierigkeiten auch vom stationären Verlauf abweichende Sollspannungszeiger unmittelbar bearbeiten können.

Bei optimierten Pulsmustern ist es dagegen nicht sinnvoll, in der off-line berechneten Pulsfolge bei einem Sprung im Winkel des Sollspannungszeigers entsprechend weiterzuspringen. Hierbei können ganze Pulse übersprungen oder aber in nicht beabsichtigter Weise verkürzt oder verlängert werden, so daß der realisierte Spannungsverlauf dem gewünschten keineswegs entspricht. Es ist bei diesen Pulsmustern sinnvoll, die Winkelvariable stetig zu durchlaufen und lediglich in der Durchlaufgeschwindigkeit, der Winkelgeschwindigkeit, unstetige Änderungen zuzulassen.

Bei Verwendung der off-line optimierten Pulsmuster ist also die Wahl von Aussteuerung A und Frequenz ω als Übergabegrößen vorteilhaft. Die Wahl der Aussteuerung A gegenüber des Spannungsbetrages erweist sich beim Pulsmustergenerator als besonders günstig, bei anderenfalls zusätzlich die Eingangsspannung des Pulswechselrichters (d. h. in der Praxis zum Beispiel die Zwischenkreisspannung eines durch einen Netzstromrichter, einen Spannungszwischenkreis und den Pulswechselrichter gebildeten Umrichters) zur Verfügung gestellt werden muß.

An der Schnittstelle zu einer (zeitdiskreten) Regelung treten dann insgesamt folgende Größen auf:
Als Eingabe zum Pulsmustergenerator - wie ausge­ führt - Aussteuerung A und Frequenz ω des Spannungszeigers zu einem Zeitpunkt k sowie ein erstes (Interrupt)-Signal I_C, das von der Regelung R zur Steuerung des zeitlichen Ablaufs mit der Bedeutung abgegeben wird "Regelalgorithmus fertig - Ein­ gabegrößen A_lω gültig".

Die Regelung R erhält vom Pulsmustergenerator PMG ein zweites (Interrupt-)Signal I_A zum Anstoßen der Meßwertabtastung und Anstoßen des Regelalgorithmus, wie weiter unten näher erläutert wird, sowie eine Rückmeldung des Pulsmustergenerators PMG über den aktuellen Spannungswinkel ϕ_A(k+1).

Daneben treten als Schnittstelle zur Impulsbildung in der Pulslogik PL drei Stellbefehle S1, S2, S3 für die drei Stränge des Pulswechselrichters auf.

Eine digitale Motorregelung arbeitet abtastend oder zeitdiskret. Da je Spannungspuls mit den zwei Pulsflanken auch nur zwei Stelleingriffsmöglichkeiten vorhanden sind, ist es nicht sinnvoll, den Regelzyklus öfter als zweimal je Spannungspuls zu durchlaufen.

Daher wird die Regelung R nur zu diskreten Zeitpunkten k, (k+1), (k+2) . . . neue Sollwerte an den Pulsmustergenerator PMG übergeben. Während eines Abtastintervalls bleiben die Sollwerte konstant. Die Abtastzeitpunkte zur Meßwerterfassung werden wiederum durch das Pulsmuster selbst vorgegeben: Es sind solche Zeitpunkte auszuwählen, bei denen sichergestellt ist, daß die gepulste Ausgangsspannung in ihrem Mittel über die jeweilige Pulsperiode dem geforderten Sollwert entspricht.

Dadurch ist das geforderte definierte Übergangsverhalten des Pulsmustergenerators sichergestellt. Gleichzeitig wird durch diese Zeitpunkte eine Stromabtastung möglich, die unmittelbar ohne Filterung weitgehend die Grundschwingung erfaßt.

Beim Dreiecksmodulationsverfahren (sowohl synchron als auch asynchron) werden derart ausgezeichnete Zeitpunkte (bei analoger Realisierung) durch die Spitzen der Dreiecks- Referenzfunktion gegeben; es wird also jeweils zu den Pulsmitten abgetastet. In der Literatur ist hierfür auch der Name "regular sampling" gebräuchlich. Die resultierende Abtastfrequenz f_A ist hierfür gleich der doppelten Pulsfrequenz f_p: f_A = 2f_p.

Bei den off-line-optimierten Pulsmustern werden gemäß der Erfindung ebenfalls die Pulsmitten für Abtastung und Sollwertübernahme gewählt. Hier ist jedoch nur näherungsweise die Forderung der Gleichheit von Sollspannung und dem über ein Abtastintervall gemittelten gepulsten Spannungsverlauf gewährleistet. Wie bereits erwähnt, führt das in der Abtastung der Magnetisierungsstromkomponente zu systematischen Fehlern, während die drehmomentbildende Komponente weiterhin gut erfaßt wird. Da für schnelle Drehmomentanregungen jedoch letztere entscheidend ist, entsteht kein Nachteil.

Damit ergeben sich zum Beispiel 18 Abtastungen bei einer 9er Dreiecksmodulation, 18 Abtastungen bei einem 7er Mittenpulsmuster, 12 Abtastungen bei einem 5er Mittenpulsmuster, 6 Abtastungen bei einem 3er Mittenpulsmuster und auch 3er Seitenpulsmuster sowie bei der Blocktaktung.

Die Abtastung der Meßwerte zu den Pulsmitten führt insbesondere beim 5er und 7er Mittenpulsmuster dazu, daß die Abtastungen nicht genau äquidistant sind, sondern abhängig von der Aussteuerung A innerhalb einer Periode etwas variieren.

Zur Synchronisation des fortlaufenden Winkels im Pulsmustergenerator PMG mit den Sollwinkeln in der Regelung R ist wegen der Frequenzschnittstelle die bereits erwähnte Rückmeldung des Pulsmustergenerators PMG über den aktuellen Winkel ϕ_A (k+1) notwendig. Vom zeitlichen Ablauf ist folgendes vorzusehen:
Nachdem der Pulsmustergenerator PMG die neuen Sollwerte (A(k), ω(k)) übernommen hat, muß er die Pulszeiten für das nächste Intervall bestimmen. Gleichzeitig berechnet er den Spannungswinkel ϕ_A (k+1), zu dem er die nächste Abtastung anstoßen wird, und gibt ihn an die Regelung R zurück. Mit dieser Rückmeldung kann dann die Regelung R über eine geeignete Steuerung der Ständerfrequenz ω des Drehstrommotors die Synchronisierung gewährleisten.

Als Rechentotzeit von der Meßwerterfassung zur Reaktion der Spannung auf Regelabweichungen ist insgesamt höchstens ein Abtastintervall vorgesehen. In diese Zeit muß sich der Regelalgorithmus und die Pulsmusterberechnung teilen. Da die Länge eines Abtastintervalls vom Pulsmuster abhängt, ist zur Dimensionierung der notwendigen Rechenleistung das kürzestmögliche Abtastintervall zu berücksichtigen.

Für die Erzeugung der synchronen Pulsmuster ist die Abhängigkeit der Schaltzeitpunkte bzw. Schaltwinkel der einzelnen Pulsmuster von der Aussteuerung recht gut linear approximierbar. Umgekehrt bedeutet dies einen geringen Aufwand, die Schaltwinkel durch lineare Interpolation aus denjenigen zu berechnen, die für die Aussteuerungen A = 0 (Schaltwinkel ϕ_s0) und A = 1 (Schaltwinkel ϕ_s1) abgelegt werden. Ein Schaltwinkel ϕ_s für eine Aussteuerung A zwischen 0 und 1 wird demnach durch ϕ_s (A) = (1-A) ϕ_s0 + Aϕ_s1 berechnet. Eine Aufstellung einer Tabelle für die Schaltwinkel in Abhängigkeit einer entsprechend aufgerasterten Aussteuerung ist kaum einfacher, benötigt aber eine wesentlich größere Tabelle.

Grafisch sind in Fig. 2 für ein synchrones 7er Mittenpulsmuster als Beispiel die Schaltwinkel ϕ_s in Abhängigkeit der Aussteuerung A als ausgezogene Linien aufgetragen. Dargestellt ist jeweils nur eine Halbschwingung mit den Umschaltungen für einen Strang S1, der im Takte des Pulsmusters bei unterschiedlichen Vorgaben des Aussteuerungsgerades A(k) bis A(k+9) wechselweise an den positiven Pol (+u) oder negativen Pol (-u) der den Pulswechselrichter speisenden Gleichspannungsquelle gelegt ist. Die Schaltwinkel für die andere Halbschwingung und die anderen zwei Stränge ergeben sich aus den Symmetriebedingungen. Neben den Schaltwinkeln sind in gestrichelten Linien die Abtastwinkel ϕ_A für die Schaltintervalle (k+1) . . . (k+9) aufgetragen. Sie werden hier genauso wie die Schaltwinkel durch lineare Interpolation im Pulsmustergenerator PMG berechnet. Ferner sind die jeweiligen zweiten (Interrupt-)Signale I_A für die Abtastung der Regelgröße aufgezeigt.

Die Arbeitszyklen der Regelung und des Pulsmustergenerators können in Fig. 3 abgelesen werden:
Jeweils mit einem vom Pulsmustergenerator abgegebenen (Interrupt-)Signal I_A, das heißt jeweils zu Beginn eines Abtastintervalls der Zeitdauer T_A erfolgt ein Anstoßen der Meßwerterfassung für die von der Regelung benötigte Regelgröße. Es steht eine Zeit T1 zur Verfügung zum Sample and Hold der Regelgröße, zu deren Analog-/Digitalwandlung, zum Einlesen des digitalen Meßwerts und zur Abarbeitung des Regelalgorithmus des digital arbeitenden Reglers. Mit Ablauf der Zeit T1 ist der Regelalgorithmus fertig, und angestoßen durch das (Interrupt-)Signal I_C werden von der Regelung dem Pulsmustergenerator für das nachfolgende Abtastintervall (also zum Beispiel wie in Fig. 3 gezeigt für die Zeitspanne T_A(k) in der Zeitspanne T_A(k-1)) die neuen Sollgrößen, nämlich die Aussteuerung A(k) (bzw. der Spannungsbetrag) und die Frequenz (k) vorgegeben.

Dem Pulsmustergenerator bleibt dann ein Zeitbereich T2 als maximale Zeit für die Pulsmusterberechnung für das nächste Abtastintervall mit der Zeitspanne T_A(k) übrig. Während dieses Zeitbereichs T2 erfolgt die

• - Ermittlung des nächsten Abtastwinkels ϕ_A(k+1) und Bereitstellung desselben für die Regelung beim nächsten (Interrupt)- Signal I_A;
• - Ermittlung der Schaltwinkel ϕ_Si ^j(k) für die drei Stränge i = 1, 2, 3. Je nach Pulsmuster und Abtastintervall kann ein Strang in einem Intervall 0, 1, 2 oder 3mal schalten, was hier durch den hochgestellten Index j angedeutet ist. Jedoch schalten alle drei Stränge zusammen in einem Intervall entweder 1, 2 oder maximal 3mal;
• - Ermittlung der neuen Abtastzeit (Hier ist abweichend von der beschriebenen Schnittstelle denkbar, daß statt der Frequenz ω(k) direkt die Abtastzeit T_A(k) von der Regelung berechnet wird und so eine Division im Pulsmustergenerator vermieden wird);
• - Berechnung der Pulszeiten für die drei Stränge nach der Beziehung

Angestoßen vom Ablauf eines Zeitgliedes (Timers) mit der Zeit T_A(k-1) erfolgt ein Laden der neuen Abtastzeit T_A(k) sowie der Pulszeiten T_Si ^j(k) in weitere Zeitglieder. Während einer Zeit T3 laufen die Zeitglieder (Timer) mit den Zeiten T_Si ^j(k) und T_A(k) ab, die die Pulsmusterausgabe durch den Pulsmustergenerator im k-ten Intervall bestimmt. Die genaue Vorgehensweise hängt davon ab, wieviele Zeitglieder (Timer) zur Verfügung stehen und wie diese programmiert werden können. Die Realisierung mit einem einzigen Timer ist möglich, jedoch von der Implementierung aufwendiger. Denkbar wäre auch, daß ein Timer die Abtastung über die Zeiten T_A(k) steuert und darüber hinaus je ein Timer für je einen Strang zur Verfügung steht.

Bei der Erzeugung der asynchronen Pulsmuster (deren Verwendung im unteren Bereich der Ständerfrequenz auch bei sonst in verwendeten optimierten Pulsmustern notwendig ist) ist die Abtastzeit T_A(k) konstant; sie ist auf die Hälfte einer Pulsperiode festgelegt: T_A = 1/f_A = 1/2f_p. Der Pulsmustergenerator muß sich aus der Amplitude und der Frequenz zunächst Sollwerte für die drei Stränge berechnen. Hieraus werden unmittelbar die Pulszeiten ermittelt. Ein Dreiecks- Vergleichssignal tritt dabei überhaupt nicht in Erscheinung; es kann aber noch als gedankliche Stütze dienen.

Die Schritte für den Pulsmustergenerator entsprechend dem Zeitbereich T2 in Fig. 3 (hier allerdings für das Intervall k) sind im einzelnen:

• - Angestoßen vom (Interrupt-)Signal I_C Einlesen neuer von der Regelung vorgegebener Sollwerte der Aussteuerung A(k) (bzw. des Spannungsbetrages) und der Ständerfrequenz ω (k).
• - Berechnung normierter Spannungssollwerte für die drei Stränge durch:
• - Berechnung des nächsten Abtastwinkels: ϕ_A(k+1) = ϕ_A(k) + T_A ω (k).
• - Berechnung der Pulszeiten: und Wechsel eines Vorzeichensignals (+/-1). (Schalten des entsprechenden Stranges vom Pluspol an den Minuspol der den Pulswechselrichter speisenden Gleichspannungsquelle oder umgekehrt):s(k) = -s(k).

Während der Zeit T3 entsprechend Fig. 3 (allerdings auch hier für das Intervall k) erfolgt dann angestoßen vom (Interrupt-) Signal I_A bei s(k) < 0 Setzen eines Zeitgliedes (Timers) jeweils für einen Strang i auf die Zeit T⁻_Si(k); nach Ablauf dieser Zeit Schalten von "-" auf "+" und bei s(k) < 0 Setzen eines Zeitgliedes (Timers) jeweils für einen Strang i auf die Zeit T⁺_Si(k); nach Ablauf dieser Zeit Schalten von "+" auf "-".

Infolge der Wahl besonders geeigneter Pulsmuster für die verschiedenen Ständerfrequenzbereiche sind die Umschaltungen in beiden Richtungen zwischen asynchronen und synchronen Pulsmustern entsprechend der vorgegebenen Ständerfrequenz für den Drehstrommotor zu bewältigen. Grundregel ist jedoch, daß eine Umschaltung nur bei drehzahlbedingten Ständerfrequenz- Änderungen vorzunehmen ist. Keinesfalls dürfen transiente Übergangsvorgänge bei schnellen Drehmomentänderungen zu Umschaltungen im Pulsmuster führen.

Die Umschaltung zwischen den optimierten Mittenpulsmustern wird nur zu den Winkeln ± 30°, ± 90°, ± 150° zugelassen, wobei es vorteilhaft ist, lediglich einen dieser Umschaltwinkel zu wählen. Z.B. kann der Umschaltwinkel -90° genommen werden. Zu den angegebenen Winkeln befinden sich die Steuerbefehle für die Stränge S1, S2, S3 bei jedem Pulsmuster im gleichen Zustand. Darüber hinaus sind die integralen Abweichungen der Spannungen von ihren Mittelwerten zu diesen Winkelwerten bei allen Pulsmustern ungefähr gleich, so daß ein stoßfreier Übergang möglich wird. Die Umschaltwinkel fallen nun leider nicht mit den Abtastwinkeln ϕ_A(k) der verschiedenen Pulsmuster zusammen. Es muß daher ein geeigneter Winkel gewählt oder zumeist speziell ein Übergangstakt durchgeführt werden.

Da die asynchrone Pulsung bis auf die fehlende Synchronisierung ein ähnliches Pulsmuster erzeugt wie das synchrone 9er Pulsmuster mit Dreiecksmodulation (D9-Pulsmuster) wird zunächst die Umschaltung von der asynchronen Pulsung zu dem Pulsmuster D9 durch eine Synchronisierung vorgenommen. Die Synchronisierung wird folgendermaßen erreicht (hier beschrieben für positive Frequenzen; bei negativen Frequenzen gilt entsprechendes):
Zunächst ist eine Eigenschaft sowohl der asynchronen Pulsung als auch des D9-Pulsmusters zu beachten: Beide Pulsmuster arbeiten mit der doppelten Pulsfrequenz als Abtastfrequenz. Das bedeutet, daß jeweils abwechselnd in jedem Abtastintervall alle drei Stränge von "- nach +" oder von "+ nach -" schalten. Die jeweilige Schaltrichtung wird wie oben bereits erwähnt durch die Größe s(k) angegeben.

Es muß also bei der Synchronisation der asynchrone Abtastwinkel ϕ_A(k) an die synchronen Abtastwinkel des D9-Pulsmusters angepaßt werden, aber gleichzeitig die Größe s(k) beim Übergang auf das D9-Pulsmuster den richtigen Wert besitzen.

Es wird z. B. als Umschaltwinkel von der Asynchronpulsung zum D9-Pulsmuster der Winkel -100° gewählt, der einer der synchronen Abtastwinkel des D9-Pulsmusters ist. Die Größe s(k) für diesen Abtastwinkel ist größer als Null, d. h. alle Stränge schalten im nachfolgenden Intervall von "- nach +".

Um die Synchronisation nicht allzu "hart" vorzunehmen, werden insgesamt zwei asynchrone Abtastschritte zur Synchronisation benutzt. Es wird jedoch zunächst solange mit der asynchronen Pulsung fortgefahren, bis sich der (asynchrone) Abtastwinkel ϕ_A(k) im Intervall (-150°, -115°) befindet und gleichzeitig die Größe s(k) < 0) ist (d. h. alle Stränge schalten im nächsten Intervall von "- nach +").

Das verbleibende Intervall vom aktuellen Abtastwinkel bis zum angestrebten Umschaltwinkel von -100° wird nun in zwei Synchronisationsintervalle geteilt. Entsprechend dem "Fangintervall" schwankt die Intervallbreite eines derartigen Synchronisationsintervalls zwischen 7,5° und 25° im Gegensatz zu der konstanten Intervallbreite von 20° beim synchronen D9-Pulsmuster.

Abweichend vom Algorithmus der weiter oben beschriebenen asynchronen Pulsung wird für das erste Synchronisationsintervall, also der Abtastwinkel ϕ_A(k+1) = 1/2 (-100° + ϕ_A(k)) verwendet.

Hieraus kann mit der Ständerfrequenz ω die zugehörige Abtastzeit berechnet werden.

Mit dieser Abtastzeit wird ein Schritt des asynchronen Pulsmusters durchlaufen. Beim nächsten Schritt wird ϕ_A(k+2) = -100° gesetzt. Die Abtastzeit T_A(k+1) wird wie zuvor bestimmt und ebenso nochmals die Pulszeiten nach dem Algorithmus der asynchronen Pulsung. Nach diesen beiden Synchronisationsintervallen ist der synchrone Abtastwinkel -100° erreicht und gleichzeitig der Schaltzustand s(k+2) < 0, so daß mit dem synchronen D9-Pulsmuster im nächsten Abtastintervall fortgefahren werden kann.

Da nun die Synchronisation des asynchronen Pulsmusters, d. h. die Umschaltung zum synchronen D9-Pulsmuster beherrscht wird, kann die Umschaltung von dem asynchronen Pulsmuster zu synchronen Mittenpulsmustern vollzogen werden: Nach der Synchronisation über die beiden Abtastschritte wird zwar im Winkelintervall (-100°, -80°) mit dem D9-Pulsmuster begonnen, während dieses Intervalls wird jedoch beim ausgewählten Umschaltwinkel -90° die Umschaltung zum gewünschten Mittenpulsmuster durchgeführt, d. h. z. B. zum 7er Mittenpulsmuster. Das synchrone D9-Pulsmuster ist daher nur ein halbes Abtastintervall von -100° bis -90° aktiv.

Wenn das D9-Pulsmuster sonst vom Pulsmustergenerator nicht benutzt wird, kann dieses "halbe" Intervall auch nach dem Algorithmus des asynchronen Pulsmusters berechnet werden, wobei dann zur Berechnung der Pulszeiten zunächst hilfsweise _A(k+3) = -80° zu setzen ist. Da bei -90° zum Mittenpulsmuster umgeschaltet wird, ist jedoch für die nächste Abtastung der Winkel ϕ_A(k+3) entscheidend, der von dem dann bereits geltenden Mittenpulsmuster bestimmt wird.

Eine derartige Umschaltung von der asynchronen Pulsung zum 9er Mittenpulsmuster zeigt Fig. 4. Mit S1, S2, S3 sind die Steuerbefehle für die drei Stränge des Pulswechselrichters bezeichnet, während das Signal PT ein Abtastsignal ist, das an jeder seiner Flanken das (Interrupt-)Signal I_A erzeugt. Die zuvor beschriebenen beiden Synchronisationsintervalle sind mit SI1 und mit SI2 angegeben, während das eigentliche Umschaltintervall mit UI bezeichnet ist. Die Größe i_A zeigt die Abweichung eines Strangstromes von seinem Mittelwert, d. h. die Abweichung während der Synchronisation und Umschaltung ist gering.

Claims (6)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines einen Drehstrommotor aus einer Gleichspannungsquelle speisenden Pulswechselrichters durch Stellbefehle eines Pulsmustergenerators mit asynchronen Pulsmustern im niederfrequenten Betrieb und einer Umschaltung auf in dem Pulsmustergenerator abgelegte, vorausberechnete optimierte synchrone Pulsmuster im höherfrequenten Betrieb, wobei der Pulsmustergenerator

• 1. von einer zeitdiskret arbeitenden Regelung bei einem ersten durch die Regelung abgegebenen (Interrupt-) Signal (I_C) die Spannungs-Aussteuerung und die Frequenz des Pulswechselrichters erhält,
• 2. bei der Erzeugung eines synchronen Pulsmusters
  • 2.1. aus diesen Werten die zeitliche Mitte des jeweils nächsten Pulses ermittelt und diesen Zeitpunkt als nächsten Abtastwinkel an die Regelung zurückgibt, zu dem der Pulsmustergenerator mit einem zweiten (Interrupt-) Signal(I_A) die nächste (Meßwert-) Abtastung der Regelgröße für die Regelung initiieren wird,
  • 2.2. ebenfalls aus diesen Werten den jeweils nächsten Schaltwinkel (Schaltzeitpunkt) zur Ansteuerung der Stromrichterventile in den einzelnen Strängen des Pulswechselrichters in Abhängigkeit von der Aussteuerung des Pulswechselrichters durch lineare Interpolation aus denjenigen vorbestimmten Schaltwinkeln bei Vollaussteuerung und bei der Aussteuerung Null bestimmt sowie
  • 2.3. aus dem aktuellen Abtastwinkel und dem zuvor gemäß 2.2 ermittelten Schaltwinkel die Pulszeiten für die einzelnen Stränge des Pulswechselrichters berechnet und
  • 2.4. durch das zweite (Interrupt-)Signal (I_A) veranlaßt wird, ein Zeitglied zur Abgabe des entsprechenden Stellbefehls an die Stromrichterventile des jeweiligen Pulswechselrichterstranges für den jeweils berechneten Schaltzeitpunkt und für die jeweils ermittelten Pulszeiten zu setzen,
• 3. bei der Erzeugung eines asynchronen Pulsmusters nach Erhalt der Werte von Aussteuerung und Frequenz von der Regelung infolge des ersten (Interrupt-)Signals (I_C)
  • 3.1. den nächsten Abtastwinkel, zu dem (angestoßen vom Pulsmustergenerator durch das zweite (Interrupt-)Signal (I_A)) die nächste Abtastung der Regelgröße für die Regelung erfolgen soll, aus der konstant auf die Hälfte der jeweiligen Pulsperiode festgelegten Abtastzeit ermittelt und an die Regelung meldet,
  • 3.2. zunächst Werte für die der Regelung zugrundezulegenden Führungsgrößen für die einzelnen Stränge des Pulswechselrichters und dann hieraus die Pulszeiten berechnet und die polaritätsmäßige Umschaltung der einzelnen Stränge ableitet und
  • 3.3. durch das zweite (Interrupt-)Signal (I_A) veranlaßt wird, für die ermittelten Pulszeiten und Polaritäten ein Zeitglied zur Abgabe des entsprechenden Stell­ befehls an die Stromrichterventile des jeweiligen Pulswechselrichterstranges zu setzen,
• 4. frequenzabhängig eine Umschaltung zwischen asynchronen und/oder synchronen Pulsmustern durch Wahl eines geeigneten Umschaltwinkels oder unter Einfügung eines Übergangsintervalls vornimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulsmustergenerator beim ersten (Interrupt-)Signal (I_C) statt der Spannungsaussteuerung des Pulswechselrichters der Betrag des vom Pulswechselrichter auf den Drehstrommotor geschalteten Spannungszeigers von der Regelung vorgegeben wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Pulsmustergenerator ein Zeitglied die (Meßwert-) Abtastung über die ermittelten Abtastzeiten steuert und dabei je Strang des Pulswechselrichters ein solches Zeitglied vorgesehen ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Umschaltung zwischen den einzelnen Pulsmustern ein Übergangstakt als Umschaltintervall eingefügt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung zwischen den einzelnen Pulsmustern lediglich zu einem Zeitpunkt entsprechend den Winkeln ± 30°, ± 90°, ± 150° des Spannungszeigers am Ausgang des Pulswechselrichters zugelassen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Umschaltung zwischen den einzelnen Pulsmustern nur einer der Winkel ± 30°, ± 90°, ± 150° des Spannungszeigers ausgewählt wird.