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Dokumentenidentifikation DE60113712T2 06.07.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001334552
Titel VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM CODIERERLOSEN BETRIEB EINES PERMANENTMAGNET-SYNCHRONMOTORS IN EINEM AUFZUG
Anmelder Otis Elevator Co., Farmington, Conn., US
Erfinder AGIRMAN, Ismail, New Britain, US;
STANKOVIC, Aleksander M., Boston, US;
CZERWINSKI, Chris, Farmington, US;
PIEDRA, Ed, Chicopee, US
Vertreter Klunker, Schmitt-Nilson, Hirsch, 80797 München
DE-Aktenzeichen 60113712
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.10.2001
EP-Aktenzeichen 019919935
WO-Anmeldetag 18.10.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/US01/45844
WO-Veröffentlichungsnummer 2002039575
WO-Veröffentlichungsdatum 16.05.2002
EP-Offenlegungsdatum 13.08.2003
EP date of grant 28.09.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.07.2006
IPC-Hauptklasse H02P 6/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H02P 21/00(2000.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft das Gebiet des Erfassens einer Stellung eines Aufzugmotors, insbesondere des Erfassens der Stellung des Motors ohne Verwendung eines Codierers.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In der Bewegungssteuerungsindustrie herrscht beträchtliches Interesse an Wechselstromantrieben, die nicht von irgendwelchen mechanischen Stellungs- oder Geschwindigkeitsfühlern Gebrauch machen. Eine derartige Betriebsweise wird allgemein als sensorlose Steuerung oder ähnlich bezeichnet. Da Schachtsensoren teuer und empfindlich sind und außerdem zusätzliche Verdrahtung erforderlich machen, führt die Beseitigung von Schachtsensoren aus den Bewegungssteuereinrichtungen mit einiger Wahrscheinlichkeit zu verringerten Systemkosten und der Verbesserung der allgemeinen Zuverlässigkeit.

Ein Wechselstrom-Synchronmotor kann eine angestrebte Drehmomenterzeugung nur dann erreichen, wenn die angelegten Statorwellenformen, typischerweise Spannungen, eine mit der Rotorstellung koordinierte Phase besitzen. Kenntnis über die Rotorstellung ist mithin wesentlich für einen ruckfreien Betrieb eines Aufzugantriebs.

Die vorliegende Erfindung nutzt Charakteristiken eines Dauermagnet-Synchronmotors (PMSM), um die Stellung des Motors zu ermitteln. Ein Elektromotor beruht auf zwei Grundprinzipien des Elektromagnetismus. Erstens: Immer dann, wenn elektrischer Strom durch einen Draht fließt, wird um den Draht herum ein elektromagnetisches Feld mit einer Stärke erzeugt, die proportional zur Stromstärke ist. Zweitens: Immer dann, wenn Draht durch ein magnetisches Feld bewegt wird, wird in dem Draht elektrischer Strom erzeugt, der von der Stärke des Magnetfelds, der Größe des Drahts und Geschwindigkeit und Abstand, mit der bzw. mit dem der Draht sich durch das Magnetfeld bewegt, abhängt.

Ein PMSM-Motor ist ein Wechselstrommotor, der einen als Stator bezeichneten ortsfesten Teil und einen als Rotor bezeichneten drehenden Teil enthält. Drahtwicklungen sowie Nord-Süd-Magnetpole in dem Stator sind derart angeordnet, dass ein in die Wicklungen eingespeister Wechselstrom zu einem Magnetfeld führt, welches sich um den Stator herum dreht. Dieses drehende magnetische Feld induziert dann in dem Rotor einen Strom, der induzierte Rotorstrom erzeugt ein Magnetfeld, welches das drehende Statorfeld treibt und damit den an einer Welle befestigten Rotor in Drehung versetzt. Die Drehgeschwindigkeit des Magnetfelds wird als Synchrongeschwindigkeit oder Synchrondrehzahl des Motors bezeichnet. Der Rotor-Elektromagnet versucht, das drehende Stator-Magnetfeld einzuholen, wenn es sich jedoch der Ausrichtung mit dem Stator nähert, schneidet das drehende Magnetfeld nicht mehr die Leiter des Rotors, demzufolge der induzierte Strom ebenso abnimmt wie das Rotorfeld. Dann verlangsamt sich der Rotor und es kommt zu "Schlupf" unter die Geschwindigkeit des drehenden Magnetfelds des Stators. Wenn sich der Rotor verlangsamt, werden mehr Leiter von dem drehenden Magnetfeld geschnitten, was den Rotorstrom und das Feld zu einer erneuten Zunahme bringt, so dass das Treiben des Statorfelds wieder aufgenommen wird. Der sich in einem eingeschwungenen Zustand befindende Synchronmotor trachtet danach, mit nahezu konstanter Geschwindigkeit zu laufen, abhängig von der Frequenz der angelegten Wechselspannung. Das Drehmoment des Wechselstrommotors ist eine Funktion von Amplitude und Phase der angelegten Wechselspannung.

Es wurden Vorschläge unterbreitet, wie auf rasche und zuverlässige Weise die Rotorstellung eines Synchronmotors zu bestimmen sei. T. Aihara, A. Toba, T. Yanase, A. Mashimo und K. Endo zeigen in "Sensorless Torque Control of Salient-Pole Synchronous Motor at Zero-Speed Operation", IEEE Trans. Power Electronics, 14(10), 1999, Seiten 202–208 eine Stellungs- und Geschwindigkeitssensor-lose Steuerung unter Verwendung der Gegen-EMK eines PMSM. In die d-Achse wird ein Spannungssignal geleitet, um die Antwort im q-Strom zu betrachten. Die Verarbeitung erfolgt mittels schneller Fourier-Transformation (FFT).

M.J. Corley und R.D. Lorenz zeigen in "Rotor Position and Velocity Estimation for a PMSM at Standstill and High Speeds", IEEE IAS Annual Meeting, 1996, Seiten 36–41 das Aufgeben von Sonden-Spannungssignalen auf beide Achsen (jedoch vorherrschend auf die d-Achse, die in der Schrift als q-Achse bezeichnet ist); später dann dient der q-Strom zur Stellungsermittlung. Der Algorithmus zeigt einen Dauer-Versatz.

Die US-Patente 5 585 709 und 5 565 752 (Jansen et al.), beide mit dem Titel "Method and Apparatus for Transducerless Position and Velocity Estimation in Drives for AC Machines" zeigen das Einbringen eines Hochfrequenzsignals in die Grund-Treiberfrequenz der Statorwicklungen des Motors.

US-Patent 6 137 258 (Jansen) mit dem Titel "System for Speed-Sensorless Control of an Induction Machine" zeigt einen Spitzen-Nachführer, bei dem es sich um ein Bauelement zweiter Ordnung handelt, um Rotorstellungen für eine Asynchronmaschine vorherzusagen.

Das US-Patent 5 559 419 (Jansen et al.) mit dem Titel "Method and Apparatus for Transduverless Flux Estimation in Drives for Induction Machines" und EP 0 943 527 A2 mit dem Titel "An Electric Assist Steering System having an Improved Motor Current Controller with Notch Filter" zeigt den Gebrauch von Kerbfiltern.

J.M. Kim, S.J. Kang und S.K. Sul in "Vector Control of Interior PMSM Without a Shaft Sensor", Applied Power Electronics Conference, 1997, Seiten 743–748 zeigen ein Steuerverfahren, bei dem das Schaltmuster modifiziert wird durch Einfügen eines Sonden-Stromsignals in die q-Achse, wobei Spannungsantworten ausgewertet werden, um einen Stellungsfehler zu ermitteln. Dies bedeutet, dass die eingebrachte Frequenz ziemlich gut innerhalb der Bandbreite des Stromreglers liegen muss.

U5-A-5 886 498 (Sul et al.) mit dem Titel "Sensorless Field Orientation Control Method of an Induction Machine by High Frequency Signal Injection" offenbart das Einbringen eines schwankenden Hochfrequenzsignals mit einem Referenzrahmen, der synchron mit der Grund-Statorfrequenz dreht.

Das US-Patent 5 608 300 (Kawabata et al.) mit dem Titel "Electrical Angle Detecting Apparatus and Driving System of Synchronous Motor Using the Same" und die US-PS 5 952 810 (Yamada et al.) mit dem Titel "Motor Control Apparatus and Method for Controlling Motor" betrachtet Fälle, in denen sowohl stufenförmige als auch sinusförmige Signale in den Motor eingespeist werden. Im Fall der sinusförmigen Einspeisung wird ein Bandpassfilter zum Extrahieren des wichtigen Bestandteils der Antwort benutzt. Diese Offenbarungen konzentrieren sich auf die Anfangsstellungs-Erfassung des Motors.

Das US-Patent 5 903 128 (Sakakibara et al.) mit dem Titel "Sensorless Control System and Method of Permanent Magnet Synchronous Motor" zeigt das Modifizieren der Versorgungsspannung in der Weise, dass die Stellung aus der Systemantwort gefolgert werden kann. Die Modifizierung ist allerdings sehr einfach (ein oder zwei Impulse), so dass es wahrscheinlich nur eine begrenzte Leistungsfähigkeit gibt.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Kurz gesagt, wird ein Dauermagnet-Synchronmotor unter Verwendung des d-Achsen-Stroms und q-Achsen-Stroms einhergehend mit einer d-Strom und q-Strom-Rückkoppelungsschleife geregelt. In einer Ausführungsform der Erfindung, die im Folgenden detailliert beschrieben werden soll, werden Geschwindigkeit und Stellung des Motors ermittelt, indem ein erstes Signal in den d-Achsenstrom eingeleitet wird und die Antwort in der q-Strom-Rückkopplungsschleife betrachtet wird. Ein Teil des q-Strom-Rückkopplungssignals wird mit einem zweiten Signal, welches gegenüber dem ersten Signal in der Phase um 90° verschoben ist, demoduliert. Das demodulierte Signal wird vorzugsweise über ein Tiefpassfilter geleitet, bevor es von einem Beobachtungs-Regler empfangen wird. Der Beobachtungs-Regler gibt eine Stellungsabschätzung aus, die dazu dient, das d-Strom-Rückkopplungssignal zu modifizieren, außerdem eine Geschwindigkeitsabschätzung, die dazu dient, den q-Achsen-Strom zu modifizieren.

In einer Ausführungsform der Erfindung enthält eine Vorrichtung zum Bestimmen von Geschwindigkeit und Stellung eines Dauermagnet-Synchronmotors eine d-Achsen-Stromeinrichtung zum Bereitstellen eines d-Achsen-Stroms für den Motor; wobei die d-Achsen-Stromeinrichtung eine d-Strom-Rückkopplungsschleife enthält; eine q-Achsen-Stromeinrichtung zur Bereitstellung von q-Achsen-Strom für den Motor; wobei die q-Achsen-Stromeinrichtung eine q-Strom-Rückkopplungsschleife enthält; eine Einrichtung zum Injizieren eines ersten Signals in die d-Achsen-Stromeinrichtung; einen Beobachtungsregler mit einer Stellungs-Abschätzeinrichtung dritter Ordnung zum Messen der Stromrückkopplung ansprechend auf das injizierte erste Signal, um eine abgeschätzte Stellung des Motors zu bestimmen, und einer Geschwindigkeitsabschätzeinrichtung zum Messen der Stromrückkopplung ansprechend auf das injizierte erste Signal, um eine abgeschätzte Geschwindigkeit des Motors zu ermitteln.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen von Geschwindigkeit und Stellung eines Dauermagnet-Synchronmotors geschaffen, welches folgende Schritte aufweist: (a) Bereitstellen eines d-Achsen-Stroms für den Motor, einschließlich der Bereitstellung einer d-Strom-Rückkopplungsschleife; (b) Bereitstellen eines q-Achsen-Stroms für den Motor einschließlich der Bereitstellung einer q-Strom-Rückkopplungsschleife; (c) Einspeisen eines ersten Signals in den d-Achsen-Strom außerhalb der d-Strom-Rückkopplungsschleife; (d) Messen der Stromrückkopplung ansprechend auf das eingespeiste erste Signal, um eine abgeschätzte Stellung des Motors zu ermitteln; und (f) Messen der Stromrückkopplung ansprechend auf das eingespeiste erste Signal, um eine abgeschätzte Motorgeschwindigkeit zu ermitteln.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt einen Beobachter-Regler, der in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.

2 zeigt eine Steuerschaltung für eine Ausführungsform eines Codierer-losen Antriebs gemäß der Erfindung.

3 zeigt eine Geschwindigkeitsabschätzung, die mit Hilfe der vorliegenden Erfindung erreicht wird, verglichen mit einer Referenzgeschwindigkeit.

4A zeigt eine alternative Ausführungsform einer Steuerschaltung gemäß der Erfindung.

4B zeigt eine alternative Ausführungsform einer Steuerschaltung gemäß der Erfindung.

5A zeigt eine alternative Ausführungsform einer Steuerschaltung gemäß der Erfindung.

5B zeigt eine alternative Ausführungsform einer Steuerschaltung gemäß der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM Mathematisches Modell

Die Annahmen für die Modellbildung bezüglich der Maschine entsprechen dem Standard und beinhalten magnetische Linearität, geometrische Symmetrie von Polen und Phasen und das Fehlen eines Versatz-Drehmoments sowie Gegen- und Eigeninduktivität, die sämtliche gerade (räumliche) Harmonische besitzen. Wir nehmen lediglich an, dass die Gleichstromkomponente sowie die zweite Harmonische Fahnen sind, da die Einbeziehung von höheren Oberwellen lediglich den Vektor der Kraftflüsse aufgrund der Dauermagnete verkompliziert. Unter diesen Annahmen schreiben wir ein Modell für das elektrische Teilsystem der Maschine in einem abgeschätzten synchronen Rahmen. Es sei

wobei L&Sgr; der Durchschnitt der Induktivität der d-Achse und q-Achse und L&increment; die Differenz der d-Achsen- und q-Achsen-Induktivitäten ist. Die Größen mit "Dach" (z.B. x^ bezeichneten Abschätzungen (von x) und Größen mit "Tilden" bezeichnen die Fehler, z.B. x~ = x – x^. Dann lässt sich für das elektrische Teilsystem schreiben:
und für das mechanische Teilsystem (mit dem Trägheitsmoment H und P (Polpaaren),

Wir wollen den Fall betrachten, dass nur das elektrische Teilsystem bei der Parameterabschätzung verwendet wird, weil das mechanische Teilsystem für diesen Zweck zu langsam ist. Man beachte, dass wir prinzipiell die unbekannten Größen (Stellung und elektrische Parameter) aus der Gleichung 1 mit Hilfe von Standardabschätzverfahren auffinden könnten: Messen der elektrischen Größen (Spannungen und Ströme), Verarbeiten der Signale, um eine gute Annäherung für die Ableitung zu gewinnen (z.B. durch Verwenden von Zustandsfiltern oder einer anderen bandbegrenzten Differenzierung), und Abschätzen der unbekannten Parameter (z.B. mit Hilfe des Verfahrens der kleinsten Quadrate). Der Hauptsachverhalt, der hier benötigt wird, ist die Dauerhaftigkeit der Anregung, d.h. die Signale sollten (im Normalbetrieb) ausreichend variieren, um eine Abschätzung zu ermöglichen. Diese Bedingung allerdings wird typischerweise in der Praxis nicht erfüllt, und wir sind an einer Modifizierung der Spannungen und Ströme interessiert, welche eine Abschätzung ermöglicht, während ein energieeffizienter Betrieb beibehalten wird. Das anstehende Problem ist ein Problem des Eingabeentwurfs, d.h. was man für &ngr;d (t) und &ngr;q (t) wählen sollte, damit die Stellung &thgr;~ und die elektrischen Parameter R, L&Sgr;, L&increment; zuverlässig aus den vorhandenen Gleichungen abgeschätzt werden können. Diese "Injektion" sollte keinen abträglichen Einfluss auf die Energieumwandlung haben, die bei niedrigen Frequenzen (Gleichstrom) stattfindet.

Eine Ausführungsform der Erfindung überlagert ein Spannungssignal in der Form

den vorhandenen Motorsteuerbefehlen.

Die bevorzugte Ausführungsform verwendet ein überlagertes Spannungssignal in der Form

d.h. Vd sin(&ohgr;it) = 0. Man beachte, dass im Fall eines nicht vorhandenen Stellungsfehlers (&thgr;~ = 0) keine Schwankung in dem ein Drehmoment hervorrufenden Strom vorhanden ist (iqi = 0). In der Praxis liegt die injizierte Frequenz &ohgr;i in der Größenordnung von 800–850 Hz. Man sieht, dass im Betriebsbereich eines typischen Aufzugantriebs der letzte Term der Gleichung (1), d.h. der Gegen-EMK-Term, einen vernachlässigbaren Wert bei der injizierten Frequenz &ohgr;i, besitzt. Aus der Gleichung (1) erfüllen die Ströme bei der injizierten Frequenz folgende Gleichung:
wobei die Einträge in der Matrix folgende sind:

In dem Abschätzungsschemafässt sich nun der Stellungsfehler von dem L21-Term ableiten. Die Berechnung der Imaginär-Komponente von L21 ermöglicht die Minimierung der Auswirkungen der Geschwindigkeitsabhängigkeit in der Zone hoher Geschwindigkeit. Man beachte, dass der Widerstandswert tatsächlich einen beträchtlichen Einfluss auf die Phasenaddition des Nenners hat, was möglicherweise die Abschätzung schwierig macht. Allerdings lässt sich die injizierte Frequenz derart wählen, dass Terme mit &ohgr;i in sämtlichen Ausdrücken dominieren. Außerdem lassen sich typische Verzögerungen für erwartete Betriebspunkte berechnen und später kompensieren. In unseren Experimenten verwendeten wir die zur Verbesserung des Rauschabstands ausreichend hohe Frequenz (&ohgr;i/&ohgr;nenn ≅ 20).

Man beachte: Wenn ein Spannungs-Feed-Forward-Signal in die d-Achse (d = direkte oder Magnetisierungs-Achse) injiziert wird, werden die Phase des Signals der d-Achse und der Signalpegel auf der q-Achse (q = Quadratur- oder Drehmomentachse) bei der injizierten Signalfrequenz geändert durch den Strom, der in den Stromreglern zurückgeführt wird. Um diese Verzerrung der injizierten Signale zu vermeiden, werden Kerbfilter ausreichender Breite vor der Feed-Forward-Spannungsinjektion eingesetzt. Man beachte außerdem, dass der abgeschätzte Rahmen-q-Achsen-Rückkopplungsstrom Stellungsfehlerinformation bei der injizierten Frequenz enthält. Ein Verfahren, um diesen Fehler effizient gegen null gehen zu lassen, besteht in der Verwendung eines Beobachters (observer).

1 zeigt einen Beobachterregler (observer controller) 10, mit einem Eingangssignal &agr;&thgr;~ (&thgr;~ = &thgr; – &thgr;^), wobei es sich um den Stellungsfehler handelt. Das Eingangssignal &agr;&thgr;~ wird von einem Verstärker 12 verstärkt und separat einem Integrator 14 und einem Verstärker 16 zugeleitet. Die Ausgangssignale des Verstärkers 12 und des Integrators 14 werden bei 18 kombiniert. Das Ausgangssignal bei 18 wird über einen Integrator 20 geleitet und bei 22 mit dem Ausgangssignal des Verstärkers 16 kombiniert, bevor es über einen Integrator 24 läuft. Das Ausgangssignal des Integrators 24 ist die Stellungsabschätzung &thgr;^ bei der Frequenzabschätzung

am Ausgang des Integrators 20. Der Beobachter ersetzt den zum Stand der Technik gehörigen Codierer. Der Beobachter ändert die Stellungsabschätzung &ohgr;^ derart, dass das Stellungsfehlersignal an seinem Eingang gegen null gebracht wird, d.h. die abgeschätzte Rotorstellung wird in Richtung der Ist-Rotorstellung geführt. Der Beobachter schätzt ab (beobachtet) die Stellung und die Geschwindigkeit der Motorwelle und das Ausmaß der Drehmoment-Fehlanpassung zwischen der Soll-Aufzugbewegung und derjenigen, die durch die Leistungselektronik bereitgestellt wird. Dieser Beobachter unterscheidet sich von anderen für denselben Zweck ausgelegten Beobachtern. Die Wahl von Kp, Kl und &bgr; erfolgt in der Weise, dass das charakteristische Polynom s3 + &bgr;s2 + Kps +Ki die dynamischen Anforderungen erfüllt. Kp ist die Proportionalitätskonstante des Systems, und Kl ist die Integralkonstante des Systems. In unserem Fall wählen wir unter Verwendung des Polplatzierungsverfahrens sämtliche Pole in einer Anordnung bei 20 rad/s. Information zur Initialisierung des sensorfreien Steueralgorithmus zu Beginn wird von einem getrennten Anfangstellungs-Detektoralgorithmus erhalten, beispielsweise einem der Algorithmen, die in dem US-Patent 5 608 300 (Kawabata et al.) oder dem US-Patent 5 952 810 (Yamada et al.) offenbart sind, wobei dieses Verfahren ausgeführt wird, bevor die Aufzugbremse gelöst wird.

2 zeigt eine Steuerschaltung 30 für eine Ausführungsform eines codiererlosen Antriebs gemäß der Erfindung. Ein Dauermagnet-Synchronmotor 32 wird von einem Ausgangssignal eines PWM-(Pulsweitenmodulations-)Wechselrichters 34 gesteuert. Ein Motor 32 gibt ein Ist-Positionssignal weiter und eine Sollgeschwindigkeit &ohgr; aus. Stromfühler 36, 38, 40 fühlen das Ausgangssignal des PWM-Wechselrichters 24, und ihr Ausgangssignal wird – typischerweise durch Software – in einem 3/2-Transformationsblock 42 umgewandelt, in welchem die gemessenen Signale aus einem 3-Phasen-Rahmen in einen stationären 2-Phasen-Rahnen umgewandelt werden. Die 2 Phasen-Signale werden von der Synchron-Transformationsmatrix in einem Stationär-Synchron-Rahmen-Transformationsblock 44 multipliziert. Das Ausgangssignal &thgr;^ von dem Beobachtungsregler 10 wird in die Transformationsmatrix eingegeben. Die d-Stromrückführung I^d vom Block 44 wird von dem Referenz-d-Strom Idref an einem Summierpunkt 46 subtrahiert, wobei das Ergebnis durch einen d-Achsen-Stromregler 58 und ein Kerbfilter 60, welches &ohgr;i sperrt, geleitet wird. Das Ausgangssignal des Kerbfilters 60 wird mit einer Injektionsspannung Vd cos(&ohgr;it) am Summierknoten 62 injiziert, befor es in den Synchron-Stationär-Rahmen-Transformationsblock 64 gelangt, wo das Signal so transformiert wird, dass es von dem PWM-Wandler 34 verarbeitbar ist.

Die Frequenzabschätzung &ohgr;^ von dem Beobachtungsregler 10 wird von einer Referenzfrequenz &ohgr;ref an der Summierstelle 50 subtrahiert. Das Ausgangssignal wird einem Proportional-Integral-Regler 52 zugeleitet. Die q-Stromrückkopplung I^q vom Block 44 wird vom Ausgangssignal des Proportional-Integral-Reglers 52 an der Summierstelle 48 subtrahiert, bevor es in einen q-Achsen-Stromregler 54 gelangt. Das Ausgangssignal des Reglers 54 wird über ein Kerbfilter 56 geleitet, welches &ohgr;i sperrt. Das Ausgangssignal des Kerbfilters 56 geht zu dem stationären Rahmen-Transformationsblock 64, in welchem das Signal so umgewandelt wird, dass es für den PWM-Wandler 34 verarbeitbar ist.

Ein Demodulationssignal sin(&ohgr;it), welches gegenüber dem injizierten Signal Vd cos(&ohgr;it) um 90° phasenverschoben ist, wird mit der q-Stromrückkopplung I^q bei 66 kombiniert, bevor es durch das Tiefpassfilter 64 läuft. Das Signal vom Tiefpassfilter 68 ist das Eingangssignal &agr;&thgr;~ für den Beobachter 10.

Bezugnehmend auf 3, wird die durch die vorliegende Erfindung gewonnene Geschwindigkeitsabschätzung verglichen mit der Referenzgeschwindigkeit, die wir verfolgen wollen. Die Geschwindigkeitsabschätzung, die mit Hilfe der Erfindung ermittelt wird, ist nahezu identisch mit der unter Verwendung eines Codierers erhaltenen Geschwindigkeitsabschätzung.

Untersucht man die in den 1 und 2 dargestellten Schaltungen, so sieht man, dass die Stellung &thgr; sich viel schneller ändert als die elektrischen Parameter (die Induktivität aufgrund der Last). Damit wird man zu einer mehrstufigen Abschätzungsprozedur geführt, bei der die mechanischen Parameter, d.h. die Stellung, in dem schnellsten Block abgeschätzt wird, während elektrische Parameter (möglicherweise auch die Geschwindigkeit) langsamer abgeschätzt werden. Man beachte außerdem, dass die Abschätzung elektrischer Parameter (konditioniert aufgrund der Kenntnis der Stellung) ein lineares Problem ist. Zusätzliche Ausführungsformen beinhalten (1) eine zeitlich variierende Größe &ohgr;i, möglicherweise mit einer Zufallskomponente für akustische Rauschreduktion, (2) die Injektion bei mehr als einer Frequenz &ohgr;i zur Verbesserung der Konditionierung des Abschätzungsproblems, und (3) Injektion in beiden Axen (d.h. Viq ≠ 0) zur Verbessserung der Konditionierung des Abschätzungsproblems. Man beachte, dass wir stationäre Beziehungen verwenden, um das elektrische Teilsystem zu modellieren, so dass die Injektionsfrequenz &ohgr;i für mehrere Zyklen (z.B. 10) von &ohgr;i in der Nähe eines festen Werts gehalten werden muss.

Der Zweck des Injizierens eines Signals besteht darin, das Frequenzspektrum des injizierten Signals derart zu spreizen, dass es sich nicht um einen reinen Ton handelt, sondern vielmehr Rauschen ähnelt, so dass es für Kunden und/oder Benutzer weniger störend ist. Ein zeitlich variierendes Signal wie z.B. &ohgr;i0 + sin(&ohgr;t) ersetzt optional sämtliche Fälle von &ohgr;i in 2. Der erste Gleichstromterm der Frequenz ist konstant, während der sinusförmige Teil ein sich langsam änderndes Signal darstellt. Dies hat die Wirkung, dass sich das injizierte Signal als Rauschen anstatt als ein Ton hören lässt.

Bezugnehmend auf die 4A4B werden zwei Frequenzen Vd1 cos(&ohgr;i1t) + Vd2 cos(&ohgr;i2t) optional an der Summierstelle 62 injiziert. Dies erfordert eine Änderung der Rückkopplungsschleife, wobei die Demodulationssignale sin(&ohgr;i1t) und sin(&ohgr;i2t) separat mit der q-Stromrückkopplung I^q bei 72 bzw. 74 kombiniert werden, bevor sie durch das Tiefpassfilter 68 gelangen. In ähnlicher Weise könnte man zusätzliche Frequenzen injizieren.

Bezugnehmend auf die 5A5B erfolgt das Injizieren von Signalen in beiden Achsen zum Zweck der Verbesserung des Rauschabstands des Signals, welches hinter dem TPF-Block erhalten wird, um sämtliche Induktivitätskomponenten des Motors abzuschätzen. Die Induktivitätskomponente L11, L12, L21 und L22 sind in der Gleichung (3) beschrieben. L12, L21 ermöglichen die Erzeugung eines Fehlersignals, welches zum Ansteuern des Beobachtungsreglers 10 notwendig ist, während L11 und L22 die Bestimmung der d-Achsen- und q-Achsen-Induktivität ermöglichen. Diese Induktivitäten (L11 und L22) können auch für den Entwurf von Stromreglern und zur Bestimmung der Qualität der Abschätzung durch sensorfreien Betrieb verwendet werden. Zusätzlich zur Injektion der Spannung Vd cos(&ohgr;idt) in die d-Achse am Summierpunkt 62 wird eine zusätzliche Injektionsspannung Vq sin(&ohgr;iqt) in die q-Achse am Summierpunkt 76 injiziert. Die beiden Injektionsfrequenzen können gleich oder unterschiedlich sein.

Die notwendige Änderung in der Rückkopplungsschleife ist in 5B gezeigt. Beide Axenströme Id und Iq werden verarbeitet. Demodulationssignale sin(&ohgr;idt), cos(&ohgr;iqt) werden mit der q-Stromrückkopplung I^q bei 78 bzw. der d-Stromrückkopplung I^q bei 80 kombiniert, bevor eine Addition am Summierpunkt 86 erfolgt und das Signal das Tiefpassfilter 68 durchläuft. Darüber hinaus werden optional Demodulationssignale sin(&ohgr;idt), cos(&ohgr;iqt) mit der q-Stromrückkopplung I^q bei 82 bzw. der d-Stromrückkopplung Id bei 84 kombiniert, bevor eine Subtraktion am Summierpunkt 88 zur Verwendung bei der Bestimmung von L&increment; im Block 90 erfolgt. Das Ermitteln von L&increment; liefert Information darüber, ob das erfindungsgemäße Verfahren für den Gebrauch noch zuverlässig ist. Dies geschieht vorzugsweise deshalb, weil bei Belastung des Motors das Rotoreisen in Sättigung geht und L&increment; näher gegen null geht, was nicht gut für die Qualität der Abschätzung ist. Die Überwachung L&increment; legt also das Ausmaß fest, in welchem erfindungsgemäß das Verfahren zuverlässig eingesetzt werden kann.

Wir nehmen an, dass folgende Merkmale besonders sind: (1) die mehrstufige Beschaffenheit der Abschätzung (Stellung in der schnellen Schleife, elektrische Parameter in der langsamen Schleife), (2) die elektrischen Parameter können brauchbar sein für den Hauptantriebsregler und auch für den Abschätzer selbst, da die Abhängigkeit von Maschinenparametern, die sich während des Betriebs ändern, reduziert wird, (3) die Injektion von mehr als einer Frequenz, (4) die Injektion mit einer zeitlich variierenden Frequenz, optional mit einer Zufallskomponente, und (5) die Injektion bestimmter Signale in die beiden Achsen, optional mit verschiedenen Frequenzen.

Man beachte, dass im Gegensatz zum Stand der Technik eine Filterung des injizierten Signals im Kerbfilter 56, 60 und nicht in der Rückkopplungsschleife erfolgt. Dies ist ein bedeutsamer Unterschied im Fall von Befehlsignalen mit einem gewissen spektralen Anteil in der Nähe der injizierten Frequenz. Eine derartige Signalkomponente, die möglicherweise den Abschätzungsprozess beeinträchtigen, wird durch Kerbfilter beseitigt.

Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine besonders bevorzugte Ausführungsform und anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert wurde, versteht sich für den Fachmann, dass die Erfindung nicht auf die bevorzugte Ausführungsform beschränkt ist, sondern dass verschiedene Modifikationen und dergleichen möglich sind, ohne von dem durch die beigefügten Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zum Bestimmen von Geschwindigkeit und Stellung eines Dauermagnet-Synchronmotors, umfassend:

    eine d-Achsen-Stromeinrichtung zur Bereitstellung von d-Achsen-Strom für den Motor;

    wobei die d-Achsen-Stromeinrichtung eine d-Strom-Rückkopplungsschleife enthält;

    eine q-Achsen-Stromeinrichtung zur Bereitstellung von q-Achsen-Strom für den Motor;

    wobei die q-Achsen-Stromeinrichtung eine q-Strom-Rückkopplungsschleife enthält;

    eine Einrichtung zum Injizieren eines ersten Signals in die d-Achsen-Stromeinrichtung; und

    einen Beobachtungsregler mit einer Stellungs-Abschätzeinrichtung dritter Ordnung zum Messen der Stromrückkopplung ansprechend auf das injizierte erste Signal, um eine abgeschätzte Stellung des Motors zu bestimmen, und einer Geschwindigkeitsabschätzeinrichtung zum Messen der Stromrückkopplung ansprechend auf das injizierte erste Signal, um eine abgeschätzte Geschwindigkeit des Motors zu ermitteln.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend:

    eine Sensoreinrichtung zum Fühlen von Strömen in Drei-Phasen-Steuersignalen, die den Motor steuern;

    eine erste Transformationseinrichtung zum Transformieren der gefühlten Ströme in Zwei-Phasen-Stationärsignale; und

    eine zweite Transformationseinrichtung zum Transformieren der Stationärsignale in Synchronsignale, wobei der Beobachtungsregler ein Eingangssignal von der q-Stromrückkopplungsschleife empfängt und eine Stellungsabschätzung an eine zweite Transformationseinrichtung gibt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Beobachtungsregler ein Eingangssignal von der q-Stromrückkopplungsschleife empfängt und eine Geschwindigkeitsabschätzung an die q-Achsen-Stromeinrichtung liefert.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, weiterhin umfassend:

    eine Sensoreinrichtung zum Fühlen von Strömen in Drei-Phasen-Steuersignalen, die den Motor steuern;

    eine erste Transformationseinrichtung zum Transformieren der gefühlten Ströme in Zwei-Phasen-Stationärsignale;

    eine zweite Transformationseinrichtung zum Transformieren der Stationärsignale in Synchronsignale; und

    wobei der Beobachtungsregler eine Stellungsabschätzung an die zweite Transformationseinrichtung gibt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin umfassend eine erste Demodulationseinrichtung, wobei das Eingangssignal des Beobachtungsreglers aus der q-Stromrückkopplungsschleife mit einem zweiten Signal demoduliert wird, bevor es in den Beobachtungsregler gelangt, wobei das zweite Signal gegenüber dem ersten Signal um 90° in der Phase versetzt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der das demodulierte Eingangssignal des Beobachtungsreglers von der q-Rückkopplungsschleife vor Eintritt in den Beobachtungsregler in ein Tiefpassfilter läuft.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die d-Achsen-Stromeinrichtung ein erstes Kerbfilter bei einer Frequenz des ersten Signals und die q-Achsen-Stromeinrichtung ein zweites Kerbfilter bei der Frequenz des ersten Signals enthält, wobei das erste Kerbfilter ausschließlich in der d-Stromrückkopplungsschleife und das zweite Kerbfilter ausschließlich in der q-Stromrückkopplungsschleife angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der das erste Signal eine zeitlich variierende Frequenz aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 5, weiterhin umfassend:

    eine Einrichtung zum Injizieren eines dritten Signals in die d-Achsen-Stromeinrichtung;

    eine zweite Demodulationseinrichtung zum Demodulieren der q-Stromrückkopplungsschleife mit einem vierten Signal; und

    eine Summiereinrichtung zum Summieren von Ausgangssignalen der ersten und der zweiten Demodulationseinrichtung und zum Senden eines Ausgangssignals der Summiereinrichtung zu dem Beobachtungsregler.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 5, weiterhin umfassend eine Einrichtung zum Injizieren eines dritten Signals in die q-Achsen-Stromeinrichtung;

    eine zweite Demodulationseinrichtung zum Demodulieren der d-Stromrückkopplungsschleife mit einem vierten Signal; und

    eine Summiereinrichtung zum Summieren von Ausgangssignalen der ersten und der zweiten Demodulationseinrichtung, und zum Senden eines Ausgangssignals der Summiereinrichtung zu dem Beobachtungsregler.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, weiterhin umfassend:

    eine dritte Modulationseinrichtung zum Demodulieren der q-Stromrückkopplungsschleife mit dem vierten Signal;

    eine vierte Modulationseinrichtung zum Demodulieren der d-Stromrückkopplungsschleife mit dem zweiten Signal;

    eine zweite Summiereinrichtung zum Subtrahieren eines Ausgangssignals der vierten Demodulationseinrichtung von einem Ausgangssignal der dritten Demodulationseinrichtung; und

    eine auf ein Ausgangssignal der zweiten Summiereinrichtung ansprechende Einrichtung zum Bestimmen eines Werts für eine Differenzinduktivität der d-Achsen der q-Achsen-Stromeinrichtung.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der

    der Beobachtungsregler das Eingangssignal empfängt und das Eingangssignal in einem ersten, einem zweiten und einem dritten Zweig verarbeitet;

    ein erster Teil des ersten Zweigs das Eingangssignal mit einer ersten Konstanten verstärkt;

    der zweite Zweig das Eingangssignal unter Verwendung einer zweiten Konstanten integriert;

    ein Ausgangssignal des zweiten Zweigs und ein Ausgangssignal des ersten Teils zu einem ersten kombinierten Signal in einem zweiten Teil des ersten Zweigs kombiniert werden;

    das erste kombinierte Signal integriert wird, um ein integriertes erstes kombiniertes Signal zu erzeugen, wobei die Geschwindigkeitsabschätzung aus dem integrierten ersten kombinierten Signal entnommen wird;

    der dritte Zweig das Eingangssignal mit einer dritten Konstanten verstärkt;

    ein Ausgangssignal des dritten Zweigs und das integrierte erste kombinierte Signal in einem dritten Teil des ersten Zweigs zur Bildung eines zweiten kombinierten Signals kombiniert werden; und

    das zweite kombinierte Signal zur Bildung der Stellungsabschätzung integriert wird.
  13. Verfahren zum Bestimmen von Geschwindigkeit und Stellung eines Permanentmagnet-Synchronmotors, umfassend folgende Schritte:

    Liefern eines d-Achsen-Stroms an den Motor einschließlich der Bereitstellung einer d-Stromrückkopplungsschleife;

    Liefern eines q-Achsen-Stroms an den Motor einschließlich der Bereitstellung einer q-Stromrückkopplungsschleife;

    Injizieren eines ersten Signals in den d-Achsen-Strom außerhalb der d-Stromrückkopplungsschleife;

    Messen der Stromrückkopplung ansprechend auf das injizierte erste Signal;

    Abschätzen einer Stellung des Motors unter Verwendung eines Beobachters dritter Ordnung ansprechend auf die Stromrückkopplung, um eine abgeschätzte Stellung des Motors zu bestimmen; und

    Bestimmen einer abgeschätzten Geschwindigkeit des Motors ansprechend auf die Stromrückkopplung.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend die Schritte:

    Fühlen von Strömen in Drei-Phasen-Steuersignalen, die den Motor steuern;

    Transformieren der gefühlten Ströme in Zwei-Phasen-Stationärsignale;

    Transformieren der Stationärsignale in Synchronsignale; und

    Empfangen eines Eingangssignals von der q-Stromrückkopplungsschleife und Bereitstellen einer Stellungsabschätzung zur Verwendung im Schritt des Transformierens der Stationärsignale in Synchronsignale.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend die Schritte:

    Empfangen eines Eingangssignals von der q-Stromrückkopplungsschleife;

    Bereitstellen einer Geschwindigkeitsabschätzung basierend auf dem Eingangssignal von der q-Stromrückkopplungsschleife;

    Kombinieren der Geschwindigkeitsabschätzung mit einer Referenzfrequenz zur Verwendung in dem Schritt des Bereitstellens eines q-Achsen-Stroms.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin umfassend die Schritte:

    Fühlen von Strömen in 3-Phasen-Steuersignalen, die den Motor steuern;

    Transformieren der gefühlten Ströme in 2-Phasen-Stationärsignalen;

    Transformieren der Stationärsignale in Synchronsignale; und

    Bereitstellen einer Stellungsabschätzung basierend auf dem Eingangssignal von der q-Stromrückkopplungsschleife zur Verwendung im Schritt des Transformierens der Stationärsignale in Synchronsignale.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin umfassend den Schritt des Demodulierens der q-Stromrückkopplung mit einem zweiten Signal vor der Verwendung des Eingangssignals von der q-Stromrückkopplungsschleife zum Bestimmen der Geschwindigkeitsabschätzung und der Stellungsabschätzung, wobei das zweite Signal gegenüber dem ersten Signal um 90° in der Phase versetzt ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend den Schritt des Durchleitens der demodulierten q-Stromrückkopplung durch ein Tiefpassfilter vor der Verwendung des Eingangssignals der q-Stromrückkopplungsschaltung zum Bestimmen der Geschwindigkeits- und der Stellungsabschätzung.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Schritt des Bereitstellens des d-Achsen-Stroms den Schritt des Herausfilterns einer Frequenz des ersten Signals umfasst, und der Schritt des Bereitstellens des q-Achsen-Stroms das Ausfiltern der Frequenz des ersten Signals beinhaltet, wobei die Schritte des Ausfilterns der Frequenz des ersten Signals ausschließlich bezüglich der d-Stromrückkopplungsschleife und der q-Stromrückkopplungsschleife erfolgen.
  20. Verfahren nach Ansprüch 17, bei dem das erste Signal eine zeitlich variierende Frequenz aufweist.
  21. Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend die Schritte:

    Injizieren eines dritten Signals in den d-Achsen-Strom;

    Demodulieren der q-Stromrückkopplungsschleife mit einem vierten Signal; und

    Summieren der Ausgangssignale der Schritte des Demodulierens mit dem zweiten und dem vierten Signal; und

    Senden eines Ausgangssignals des Summierschritts zu dem Beobachtungsregler.
  22. Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend die Schritte:

    Injizieren eines dritten Signals in den q-Achsen-Strom;

    Demodulieren der d-Stromrückkopplungsschleife mit einem vierten Signal; und

    Summieren der Ausgangssignale der Schritte des Demodulierens mit dem zweiten und dem vierten Signal; und

    Senden eines Ausgangssignals des Summierschritts zu dem Beobachtungsregler.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, weiterhin umfassend:

    Demodulieren der q-Stromrückkopplungsschleife mit dem vierten Signal;

    Demodulieren der d-Stromrückkopplungsschleife mit dem zweiten Signal;

    Subtrahieren eines Ausgangssignals des Schritts des Demodulierens mit dem zweiten Signal von einem Ausgangssignal aus dem Schritt des Demodulierens mit dem vierten Signal; und

    basierend auf dem vorhergehenden Schritt, Ermitteln eines Werts für eine Differenz-Induktivität des d-Achsen-Stroms und des q-Achsen-Stroms.
  24. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Schritte des Bereitstellens der Geschwindigkeitsabschätzung und der Stellungsabschätzung beinhalten:

    Empfangen des Eingangssignals und Verarbeiten des Eingangssignals in einem ersten, einem zweiten und einem dritten Zweig;

    Verstärken des Eingangssignals mit einer ersten Konstanten in einem ersten Teil des ersten Zweigs;

    Integrieren des Eingangssignals in den zweiten Zweig unter Verwendung einer zweiten Konstanten;

    Kombinieren eines Ausgangssignals des zweiten Zweigs und eines Ausgangssignals des ersten Teils zu einem ersten kombinierten Signal in einem zweiten Teil des ersten Zweigs;

    Integrieren des ersten kombinierten Signals zum Bilden eines integrierten ersten kombinierten Signals, wobei die Geschwindigkeitsabschätzung aus dem integrierten ersten kombinierten Signal entnommen wird;

    Verstärken des Eingangssignals mit einer dritten Konstanten in dem dritten Zweig;

    Kombinieren eines Ausgangssignals des dritten Zweigs und des integrierten ersten kombinierten Signals in einem dritten Teil des ersten Zweigs, um ein zweites kombiniertes Signal zu erzeugen; und

    Integrieren des zweiten kombinierten Signals, um die Stellungsabschätzung zu bilden.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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