Sensorless control of AC machines using transient excitation and exploiting multiple saliencies

Abstract

Feldorientiert geregelte Asynchronmaschinen sind heutzutage in der modernen Antriebstechnik aufgrund ihrer Dynamik, Robustheit und der Kosten nicht mehr wegzudenken. Um dem Trend der Industrie nach immer geringeren Kosten gerecht zu werden, wurde in del letzten Jahren sehr viel in Richtung Positions-/Drehgeberlose Regelung geforscht. Es hat sich herausgestellt, dass es notwendig ist das transiente Verhalten der Maschine zu betrachten, um eine sensorlose Regelung im gesamten Betriebsbereich (auch Flussstillstand) zu realisieren. Wenn man die Maschine zusätzlich zur Grundwelle mit Spannungsimpulsen anregt und die transiente Stromantwort misst und auswertet kann man das INFORM-Signal ("Indirect flux detection by online reactance measurement") gewinnen.<br />Dieses Signal wird durch alle räumlichen magnetischen Asymmetrien in der Maschine beeinflusst. Die Ursache für solche Asymmetrien können zum Beispiel Sättigungseffekte zufolge des Hauptflusses, Änderungen der magnetischen Reluktanz zufolge der Nutung, Anisotropieeffekte oder Intermodulationen dieser sein. Durch Auswertung dieser Effekte mit geeigneten Signalverarbeitungsverfahren wird es möglich die Fluss-/Rotorlage zu ermitteln welche man für die feldorientierte Regelung der Maschine benötigt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Möglichkeiten die Fluss-/Rotorlage speziell bei kleinen Drehzahlen zu ermitteln. Für die Ermittlung der Sättigungs-/Nutungsharmonischen aus dem INFORM-Signal wird die Diskrete Fourier Transformation (DFT) verwendet. Um eine bestimmte Harmonische (Sättigung, Nutung, ..) des INFORM-Signals zu extrahieren, wurde in einem Ansatz die Fensterlänge für die DFT abhängig von der Drehzahl variiert. Ein anderer Ansatz mit konstanter Fensterlänge wurde verwendet um die Signale während Belastungs-/Drehzahländerungen zu ermitteln. Ein Algorithmus welcher die Sättigungs- und Nutungsharmonische aus dem INFORM-Signal ermittelt führte zu sehr genauen und verlässlichen Signalen, welche auch noch bei hoher Belastung der Maschine zu einem guten Regelverhalten führten. Der Algorithmus verwendet ein Neuronales Netzwerk (ANN) sowie die Fouriertransformation um die Sättigungsharmonische sowie Intermodulationen im INFORM-Signal zu ermitteln und zu eliminieren. Die Nutungsharmonische wird in Kombination mit dem Strommodell der Maschine verwendet um die Rotorposition zu ermitteln. Der Winkel der Sättigungsharmonischen wird unter Zuhilfenahme eines ANN korrigiert um eine gute Näherung für die Flusslage zu bekommen, welche dann noch mit einem stabilisierten Spannungsmodell zur tatsächlichen berechneten Flusslage führt. Diese Vorgehensweise erlaubt eine Ermittlung der Fluss-/Rotorlage unabhängig von der Grundwellenfrequenz. Ein anderer Ansatz verwendet ein ANN um die Sättigungsharmonische zu eliminieren, sowie Amplitudenmodulationsverfahren um den Einfluss der Intermodulation zwischen Sättigungs- und Nutungsharmonischen zu verringern. Nach der Elimination dieser Störungen aus dem Signal ergibt die Nutungsharmonische, welche direkt für die Ermittlung der Rotorpostion herangezogen werden kann.<br />Es wurde ein Vergleich zwischen verschiedenen Ansätzen für die Sensorlose Regelung von Asynchronmaschinen präsentiert. Für die transiente Spannungsanregung wurde nur eine Strangachse verwendet, die Samplingrate für das INFORM-Signal und um das Limit der Drehzahlermittlung zu erhöhen. Die Messergebnisse zeigen, dass es mit Hilfe der vorgestellten Verfahren zur Ermittlung der Fluss-/Rotorposion möglich ist die Maschine auch bei hoher Belastung bis zum Stillstand (Positionsregelung) ohne Positionssensor zu betreiben.<br />

Controlled induction machine drives at present are considered the working horses of modern industrial applications because of their dynamic properties, robustness, and costs. With the stringent demand to steadily reduce the costs of all industrial components research has focused in the past years on the development of control methods working without speed/position sensor. As turned out from previous research, it is so far only possible to realize speed-sensorless control in the whole operating range including zero flux frequency if the high frequency or transient electrical behavior of the machine is considered. By establishing a transient excitation in addition to the fundamental wave voltage the transient response of the machine current can be obtained and the change of the machine line currents due to these pulses is evaluated using INFORM method ("Indirect Flux detection by Online Reactance Measurement"). It is modulated by all spatial saliencies in the machine. Sources of these saliencies can be various, for instance the saturation of the machine by the main flux, the slotting, or anisotropy, as well as inter-modulation effects. By using appropriate signal processing it is thus possible to estimate the flux and rotor position necessary for the control of the machine. This research explores different approaches to estimate the rotor/flux position of induction machines, especially at low speed. In order to achieve sensorless control at zero frequency, different saliency-tracking methods are used. Discrete Fourier transform (DFT) algorithm is used to track the saturation and slotting saliency harmonic components from the un-compensated saliency signals obtained from a transient voltage excitation method. This algorithm depends on adaptive window length changing for tracking one distinct saliency its modulation is fixed to a specific harmonic order by changing the window length inversely with the speed of the machine. Also the same algorithm is used to track different harmonic orders in a specific window length during load and speed change operations. A separation algorithm to extract the slotting and saturation saliencies from the un-compensated saliency signals has yielded highly accurate and reliable control signals even at high load levels. It includes an artificial neural network (ANN) and Fourier transform to identify and compensate saturation saliency as well as inter-modulation induced disturbance from un-compensated saliency signal. The slotting saliency component is used for calculating the rotor position in combination with the current model (rotor- equation).<br />The saturation saliency angle is first corrected using an ANN to get the estimated reference flux angle and then combined with a stabilized voltage model (stator- equation) for flux position calculation. This allows a calculation of the flux or rotor position independent from the fundamental frequency. Another approach using ANN to eliminate the saturation disturbance saliency combined with amplitude modulation (AM) technique to minimize the inter-modulation induced disturbance effect in the remaining signal is proposed. The output after the disturbance elimination is thus the extracted slotting signal that is used as control signal for calculating the rotor position. A comparison between different sensorless control approaches has been presented. Transient excitation of only one pair of test vectors is applied to increase the sampling rate of the un-compensated saliency signal and speed estimation limit. Experimental results for sensorless control showing the tracking of rotor/flux position under rated flux, high torque levels at low as well as zero and increased speed levels enabling torque and even position control.