Entwurf und Aufbau einer Messschaltung zur hochfrequenten Abtastung von Messsignalen an Umrichtern

Abstract

Inhalt dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung und der Aufbau einer Messschaltung zur Umsetzung eines neuartigen Messverfahrens zur verbesserten Erfassung der Rotorlage mit Hilfe eines auf anisotropie-basierten Verfahrens. Bei diesem Verfahren wird die Stromantwort der PWM- Pulse zur Ermittlung der Rotorlage verwendet. Der Nachteil bisheriger Messverfahren liegt darin, dass nach einem Spannungssprung immer eine gewisse Zeit gewartet werden musste, bis die zu messende Stromantwort eingeschwungen ist. Erst dann kann die Stromantwort zur Rotorlageerfassung gemessen werden. Ein Problem dieser Vorgangsweise ergibt sich dann, wenn der Umrichter bereits einen neuen Spannungspuls anlegt, bevor die Stromantwort des letzten Pulses einen stationären Wert erreicht hat. In diesem Fall musste in die Regelung eingegriffen werden, um die Zeitdauer zwischen zwei Pulsen künstlich zu verlängern. Dies geschieht immer dann, wenn der Sollspannungsraumzeiger nahe einer Sektorgrenze liegt. Mit dem neuen verbesserten Verfahren kann mit Hilfe von Überabtastung und digitaler Signalverarbeitung auf den Endwert bereits während des Einschwingvorgangs des Messsystems geschlossen werden. Die Messschaltung dient zur Umsetzung dieses neuen Verfahrens. Verarbeitet werden können sowohl die Messsignale konventioneller Stromwandler sowie auch Signale von Stromänderungssensoren. Zur Umsetzung der Überabtastung sind dazu für jede Phase zwei schnelle hochauflösende ADC, die nach dem pipelined Prinzip arbeiten verbaut und je Phase ein Sigma- Delta Modulator. Die digitale Signalverarbeitung erfolgt durch einen FPGA (Field Programmable Gate Array). Dieser ist direkt mit dem Messprint verbunden. Um das hohe Datenaufkommen zu verarbeiten, steht für jeden ADC und für alle 3 Modulatoren ein FIFO- Speicher zur Zwischenspeicherung der Daten zur Verfügung. Des weiteren ist die Schaltung nahtlos in das vorhandenen System integrierbar. Durch Umsetzung dieses Verfahren muss weniger oft in die Regelung eingegriffen werden, was einen geringeren Momentenrippel und eine geringere Geräuschentwicklung gegenüber früheren Verfahren zur Folge hat.<br />

This thesis deals with the design and assembly of an electric circuit to implement a novel measurement method to get an improved acquisition of the current position of the rotor. To get the rotor position an anisotropy based method is used. This technique uses the current signal response caused by the PWM (pulse width modulation) to determine the rotor position. The disadvantage of conventional measurement methods is that it is necessary to wait after a voltage pulse injection until the current response has reached steady state. Not till then it is wise to measure the current signal. But the problem is, if the inverter places the next voltage impulse before the current response of the previous one has reached steady state. In this case it isn't possible to extract any information of the rotor position. This happens if the desired voltage phasor is near to a boundary between two sectors. One possibility to solve this problem is to expand the duration between switching instants. But for that it is necessary to influence the motor control. The disadvantage of this solution is a higher torque rippel and based on this there is also a higher acoustic noise level.<br />The new measurement method uses oversampling techniques and digital signal processing to extract the necessary information of the current response before it reaches steady state. The designed electrical circuit implements two different oversampling methods. For the first oversampling method, two fast analog to digital converters with high resolution for every phase are available on the PCB (Printed Circuit Board). For the second implemented oversampling method, one second order sigma- delta modulator for every phase is used. The appropriate sincK- filter is implemented in the FPGA. The circuit can handle both measurement signals from conventionally current transformers and from current derivative sensors (CDI- sensors).<br />The circuit consists of four parts: First the measurement signals of the sensors are converted to the right voltage level so that the analog to digital converters and the sigma- delta modulator can handle them. Next the analog to digital converter and the sigma- delta modulators convert the analog signal into a digital one. The used FPGA (field programmable gate array) isn't fast enough to handle all the data at the same time, so the sampled data have to be latched in FIFOs. These FIFOs are connected by bus with the FPGA.The analysis of the sampled data is performed by the FPGA. Furthermore the circuit is designed for a seamless integration into the existing system.<br />