Optimierung des Überganges zwischen INFORM- und EMK- basierter sensorloser Regelung von permanentmagneterregten Synchronmotoren

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die Optimierung des Überganges zwischen INFORM- und EMK- basierter sensorloser Regelung von permanentmagneterregten Synchronmotoren. Die wesentlichen Optimierungsziele sind dabei die Erhöhung der Genauigkeit des sensorlos erfassten Rotorwinkels und eine möglichst geringe Beeinflussung des Betriebsverhaltens der Maschine durch die sensorlosen Verfahren. Selbst bei hoch dynamischen Wechseln zwischen diesen beiden sensorlosen Regelungsverfahren soll eine zuverlässige Erfassung des Rotorwinkels gewährleistet sein.<br />Im Anschluss an die Definition der Aufgabenstellung in Kapitel (1) werden die Vorteile von einer normierten Zahlendarstellung im Kapitel (2) aufgezeigt. Mit der Einführung der so genannten Raumzeiger (siehe Kapitel (3)) ist eine mathematische Beschreibung der permanentmagneterregten Synchronmaschine (PSM) möglich. In Kapitel (4) wird kurz auf den Aufbau der PSM eingegangen und anschliessend die wesentlichen Formeln zur mathematischen Beschreibung von Vorgängen in der PSM zusammengefasst.<br />Die feldorientierte Regelung, welche heute Stand der Technik ist, wird in Kapitel (5) kurz vorgestellt.<br />Die aktuelle Rotorlage wird bei einer feldorientierten Regelung benötigt, um die nötigen Koordinatentransformationen durchführen zu können. Hierzu kann ab einer gewissen Drehzahl die von der Maschine induzierte Spannung ausgewertet werden (EMK-Modell). Das Kapitel (6) soll einen kurzen Überblick über diese, heute standardmäßig verwendete Methode geben.<br />Unterhalb dieser Drehzahl kann das am Institut für Elektrische Antriebe und Maschinen entwickelte INFORM-Verwahren benutzt werden, diese Lageinformation zu erhalten. Dieses Verfahren funktioniert auch bei Stillstand, da es die magnetischen Eigenschaften des Motors ausnutzt. In Kapitel (7) wird zunächst die komplexe INFORM-Reaktanz eingeführt. Mit dieser kann dann auf die aktuelle Rotorlage rückgeschlossen werden. Eine etwas modifizierte Messung dieser INFORM-Reaktanz ermöglicht auch die Rotorlagebestimmung bei rotierender Welle. Weiteres werden Möglichkeiten vorgestellt, wie die absolute Startposition der Maschine bestimmt werden kann.<br />Mit den beiden vorgestellten Methoden die Rotorlage zu bestimmen, ist der gesamte Drehzahlbereich als Ganzes jedoch noch nicht abgedeckt. In Kapitel (8) wird eine Methode vorgestellt, wie ein mechanischer Beobachter diese beiden Drehzahlbereiche miteinander verknüpfen kann.<br />Weiteres werden hier zwei Lösungsvorschläge vorgestellt, welche die für das EMK-Modell nötigen Integrationen beschreiben. Eine davon ist eine klassische Methode, in der diese Berechnung in einem digitalen Signalprozessor (DSP) durchführt wird. Die zweite Variante ist eine analoge Operationsverstärkerschaltung.<br />Die beiden Kapitel (9) und (10) sollen einen Überblick über die verschiedenen Möglichkeiten geben, wie die Motorspannung, bzw. der Motorstrom in einem Umrichter gemessen werden kann.<br />Die Genauigkeit des sensorlos erfassten Rotorwinkels zu erhöhen besteht unter anderem darin, die für das Modell nötigen Maschinenparameter möglichst automatisch zu bestimmen. In Kapitel (11) wird die automatische Messung des Statorwiderstandes und der Statorinduktivität vorgestellt. Es wird ebenfalls die selbstständige Ermittlung der für die INFORM-Startpositionsbestimmung benötigten Messzeiten präsentiert, welche von dem Aufbau des verwendeten Motors abhängen. Die INFORM-Kleinsignalmessung ist ebenfalls maschinenabhängig. Die Messzeiten können hier ebenfalls automatisch ermittelt werden.<br />Um die hier vorgestellten Modelle zur sensorlosen Regelung von PSMs vergleichen zu können, bedarf es geeigneter Bewertungskriterien, welche in Kapitel (12) kurz vorgestellt werden.<br />Das Kapitel (13) vergleicht die drei realisierten Regelungsverfaren. Bei jedem Modell werden vier charakteristische Lastpunkte eingestellt und die Ergebnisse untereinander verglichen. Weiteres werden die verschiedenen Methoden durch ein transientes Lastspiel häufigen Modellwechseln unterzogen. An Hand der statischen und dynamischen Untersuchungen soll gezeigt werden, dass diese hier vorgestellten Verfahren in einem realen Antrieb problemlos eingesetzt werden können.<br />

The present work covers the optimisation of the transfer between INFORM and back-EMF based sensorless control of permanent magnet synchronous motors (PMSM). The essential optimisation aims are the increase of the exactness of the sensorless determined rotor angular position and an as low as possible influence of the normal operation by these sensorless rotor angle detection methods. Even with high dynamic speed variation between these two sensorless detection methods, a reliable capture of the rotor position is to be guaranteed.<br />After the definition of the setting of tasks in Chapter (1), the advantages of using a rated number representation is shown in Chapter (2). Chapter (3) gives an introduction into the space phasors which are used to explain the PMSM in Chapter (4). A short summary of the structure is followed by the theoretical description.<br />The field orientated control of the PMSM is described in Chapter (5) in a compressed way. The back-EMF determined rotor position is used to make the coordinate system transformations which are necessary for the field orientated control. The Chapter (6) provides a short overview about this method used today.<br />The back-EMF method is not applicable at low speed and standstill. Thus, the INFORM-method is presented which uses saturation and saliency effects to determine the rotor position. Chapter (7) starts with the introduction of the complex INFORM reactance. A description follows how to calculate the actual rotor position using this reactance. Finally, some options for determination of the starting position of a PMSM are presented.<br />The INFORM method is used at standstill and at low speed preferably. The back-EMF model just can be used at higher speed. Chapter (8) describes how these two models are combined by a mechanical observer. A special back-EMF model is presented, too, which enables a correct setting of the stator flux linkage at low speed and standstill. The integration needed in this back-EMF model can be accomplished either with a DSP or an op-amp circuit. Chapter (9) and (10) gives an overview on the opportunities of how to measure motor voltage and current in an inverter system. The motor parameters are another important issue concerning the back-EMF model. If the motor parameters are automatically measured by the inverter they can be used without additional modification. Chapter (11) describes the determination of these motor parameters. First an explanation of the measurement of the stator resistance and inductance is given. Finally the timing for the INFORM test pulses is detected.<br />Chapter (12) gives a short summary on comparison of the implemented models with some statistical calculations. In the last Chapter (13), the three models are compared at four load points. Extensive dynamic tests evaluating the performance of the methods together with coincidence to theory are included, too.