DE69110285T2

DE69110285T2 - Flussrückkopplungssystem.

Info

Publication number: DE69110285T2
Application number: DE69110285T
Authority: DE
Inventors: Rik Wivina Anna Adel Dedoncker
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-10-02
Filing date: 1991-11-15
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2011-11-16
Also published as: EP0535280B1; US5144216A; JPH05111280A; EP0535280A1; JP3429010B2; DE69110285D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein feldorientierte Regeleinrichtungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Hochgeschwindigkeitsflußwinkel und -positionsrückführung für eine feldorientierte Universal-Regeleinrichtung für eine Induktionsmaschine.

Hintergrund der Erfindung

In dem gemeinschaftlich übertragenen US-Patent Nr. 4 968 925 von Rik W.A.A. De Doncker, erteilt am 6. November 1990, ist eine feldorientierte Universal(UFO)-Regeleinrichtung beschrieben, die eine feldorientierte Steuerung von Induktionsmaschinen in einem willkürlichen Flußreferenzrahmen erlaubt. Das Prinzip der UFO-Regeleinrichtung trifft sowohl auf die Direkt wie auf die Indirektfeldorientierung zu. In der Praxis erlaubt dies die Integration von sechs unterschiedlichen Feldorientierungsschemata in eine einzige Regelun, d.h. die Direkt- und Indirektfeldorientierung im Rotorfluß-, Luftspaltfluß- und Statorfluß-Referenzrahmen. Beim Betrieb der UFO-Regeleinrichtung wird ein Synchronreferenzrahmen durch Einstellen des effektiven bzw. des Ist-Stator-Potor-Windungsverhältnisses auf einen diesem entsprechenden vorbestimmten Wert ausgewählt. Übergänge zwischen Referenzrahmen werden durch Ändern des Windungsverhältnisses ausgeführt. Das Ergebnis ist eine vollständige Drehmoment- und Flußentkopplung in einem flexiblen, einfachen und robusten Antrieb, der gegenüber Maschinenparametern relativ unempfindlich ist.
Ein Problem bei der Direktfeldorientierung besteht darin, daß die abgetasteten Direkt-(d)- und Quer-(q)-Flußkomponenten zu einem Winkel verarbeitet werden müssen, der für den Vektor- Rotator der feldorienzierren Regeleinrichtung nutzbar ist, welcher die Koordinaten eines Vektors von einem Referenzrahmen in den anderen transformiert. Dies erfordert eine (C/P)- Transformation von karthesischen in Polar-Koordinaten. Insbesondere werden die dq-Koordinaten eines Flußraumvektors Ψ als ΨId und Ψq wiedergegecen, und die C/P-Transformations- Formeln lauten:
wobei Ψ die Amplitude und γ der Winkel des Flußraumvektors sind.
Die Quadratwurzelfunktion und die Arcustangens-Funktion in den C/P-Transformationen werden herkömmlicherweise entweder mit (look-up) Tabellen oder durch iterative Approximationen durchgeführt. Alternativ kann die Quadratwurzelfunktion unter Verwendung eines sequentiellen Quadratwurzel-Algorithmus berechnet werden. Nachteilig ist, daß diese Funktionen für Hochgeschwindigkeitsantriebe zu viel Zeit benötigen.
Es ist deshalb wünschenswert, ein Verfahren für eine schnelle und genaue Ermittlung der Amplituden- und Winkelflußkomponenten zur Verwendung in einem feldorientierten Regelschema zu schaffen.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Flußrückführungssystem für eine feldorientierte Universal-Regeleinrichtung für einen Induktionsmotor geschaffen, enthaltend:
eine Flußabtasteinrchtung zum Abtasten der Direkt- und Querkomponenten Yds bzw. Yqs des Flusses in einem stationären Referenzrahmen, der mit einer vorbestimmten Phase des Induktionsmotors verkettet ist,
eine Einrichtung zum Berechnen des Quadrates der Fluß amplitude Ψ² aus den Direkt- und Querkomponenten des Flusses:
eine digitale Einrichtung zum Approximieren der Ist-Frequenz ω des Flusses gemäß:
wobei T das Sampleintervail darstellt,
eine Integratoreinrichtung zum Integrieren der tatsächlichen Frequenz des Flusses, um den Flußwinkel γ zu liefern, und
eine Rückführungs-Schleifeneinrichtung mit einer rückführungslosen Verstärkung K*, wobei die Rückführungs-Schleifeneinrichtung das Quadrat der Flußamplitude Ψ² mit einem Amplitudenquadrat-Flußsollwert Ψ²* vergleicht und daraus ein Differenzsignal liefert, um die rückführungslose Verstärkung K* abzustimmen und ein abgestimmtes Statorstromsignal zu erzeugen für einen Betrieb der feldorientierten Regeleinrichtung bei einem Soll-Fluß und einer Soll-Schlupffrequenz, wobei das abgestimmte Statorstromsignal ohne Rotorflußberechnungen und unabhängig von den Parametern des Motors erzeugt ist, und
eine Vektordreheinrichtung zum Empfangen des Flußwinkels γ aus der Integratoreinrichtung und des Statorstromsignals aus der Rückführungs-Schleifeneinrichtung und zum Erzeugen von Signalen daraus zum Antreiben des Induktionsmotors.
Ferner wird gemäß diesem Aspekt der Erfindung ein Flußrückführungssystem für eine feldorientierte Regeleinrichtung für einen Induktionsmotor geschaffen, enthaltend:
eine Flußabtasteinrichtung zum Abtasten der Direkt bzw. Querkomponenten Ψds bzw. Ψqs des Flusses in einem stationären Referenzrahmen, der mit einer vorbestimmten Phase des Induktionsmotors verkettet ist,
eine Einrichtung zum Berechnen des Quadrates der Flußamplitude Ψ² aus den Direkt und Querkomponenten des Flusses:
eine digitale Einrichtung zum Approximieren der Ist- Frequenz ω des Flusses gemäß:
wobei T das Sampleintervall darstellt,
eine Einrichtung zum Berechnen der Direkt und Querkomponenten des Flusses in einem willkürlichen Flußreferenzrahmen, Ψda bzw. Ψqa gemäß:
wobei Ψda im wesentlichen gleich der Flußamplitude ist, eine Multipliziereinrichtung zum Multiplizieren der Querkomponente des Flusses Ψqa mit einer vorbestimmten proportionalen Verstärkung,
eine Summiereinrichtung zum Addieren der Querkomponente des Flusses, multipliziert mit der vorbestimmten Verstärkung, und der Ist-Frequenz des Flusses, um eine korrigierte Frequenz zu liefern,
eine Integratoreinrichtung zum Integrieren der korrigierten Frequenz, um den Flußwinkel γ zu liefern, und
eine Komparatoreinrichtung zum Vergleichen der Flußamplitude mit einem Soll-Fluß und zum Liefern eines Differenzsignals daraus, um die feldorientierte Regeleinrichtung abzustimmen.
Außerdem wird gemäß diesem Aspekt der Erfindung ein Flußrückführungssystem für eine feldorientierte Regeleinrichtung für einen Induktionsmotor geschaffen, enthaltend:
eine Flußabtasteinrichtung zum Abtasten der Direkt- bzw. Querkomponenten Ψds bzw. Ψqs des Flusses in einem stationären Referenzrahmen, der mit einer vorbestimmten Phase des Induktionsmotors verkettet ist,
eine Einrichtung zum Berechnen des Quadrates der Flußamplitude Ψ² aus den Direkt und Querkomponenten des Flusses:
eine digitale Einrichtung zum Approximieren der tatsächlichen Frequenz ω des Flusses gemäß:
wobei T das Sampleintervall darstellt,
eine Einrichtung zum Berechnen der Direkt und Querkomponenten des Flusses in einem willkürlichen Flußreferenzrahmen Ψda bzw Ψqa gemäß:
wobei Ψda im wesentlichen gleich der Flußamplitude ist,
eine Multipliziereinrichtung zum Multiplizieren der Querkomponente des Flusses Ψqamit einer vorbestimmten proportionalen Verstärkung,
eine Summiereinrichtung zum Addieren der Querkomponente des Flusses, multipliziert mit der vorbestimmten Verstärkung, und der Ist-Frequenz des Flusses, um eine korgierte Frequenz zu liefern,
eine Integratoreinrichtung zum Integrieren der korrigierten Frequenz, um den Flußwinkel γ zu liefern, und eine Komparatoreinrichtung des Quadrat es der Flußamplitude Ψ² mit einem Amplitudenquadrat-Sollfluß Ψ²* und zum Liefern eines Differenzsignals daraus, um die feldorientierte Regeleinrichtung abzustimmen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Verarbeiten der Amplituden- und Winkelkomponenten des Flusses in einem Flußrückführungssystem für eine feldorientierte Universal-Regeleinrichtung für einen Induktionsmotor geschaffen, enthaltend:
Abtasten der Direkt und Querkomponenten Ψds bzw. Ψqs des Flusses in einem stationären Referenzrahmen, der mit einer vorbestimmten Phase des Induktionsmotors verkettet ist,
Berechnen des Quadrates der Flußkomponente Ψ² aus den Direkt- und Querkomponenten des Flusses:
digitales Approximieren der Ist-Frequenz ω des Flusses gemäß:
wobei T das Sampleintervall darstellt,
Integrieren der Ist-Frequenz des Flusses, um den Flußwinkel γ zu liefern, und
Rückführen des Quadrates der Flußamplitude Ψ² und Vergleichen des Quadrates der Flußamplitude Ψ² mit einem Amplitudenquadrat-Flußsollwert Ψ²* und Liefern eines Differenzsignals daraus, um die rückführungslose Verstärkung K* abzustimmen und ein abgestimmtes Statorsignal zu erzeugen für einen Betrieb der feldorientierten Regeleinrichtung bei einem Soll-Fluß und einer Soll-Schlupffrequenz, wobei das abgestimmte Statorstromsignal ohne Rotorflußberechnungen und unabhängig von den Parametern des Motors erzeugt wird, und Erzeugen von Treibersignalen aus dem Flußwinkel γ und dem Statorstromsignal zum Antreiben des Induktionsmotors.
Ferner wird gemäß diesem Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Verarbeiten der Amplituden- und Winkelkomponenten des Flusses in einem Flußrückführungssystem für eine feldorientierte Universal-Regeleinrichtung für einen Induktionsmotor geschaffen, enthaltend:
Abtasten der Direkt bzw. Querkomponenten Ψds bzw. Ψqs des Flusses in einem stationären Referenzrahmen, der mit einer vorbestimmten Phase des Induktionsmotors verkettet ist,
Berechnen des Quadrates der Flußamplitude Ψ² aus den Direkt- und Querkomponenten des Flusses:
digitales Approximieren der Ist-Frequenz ω des Flusses gemäß:
wobei T das Sampleintervall darstellt,
Berechnen der Direkt und Querkomponenten des Flusses in einem willkürlichen Flußreferenzrahmen gemäß:
wobei Ψda im wesentlichen gleich der Flußamplitude ist,
Multiplizieren der Querkomponente des Flusses Ψqa mit einer vorbestimmten proportionalen Verstärkung,
Addieren der Querkomponenze des Flusses, multipliziert mit der vorbestimmten Verstärkung, und der Ist-Frequenz des Flusses, um eine korrigierte Frequenz zu liefern,
Integrieren der korrigierten Frequenz, um den Flußwinkel γ zu liefern, und
Vergleichen der Flußamplitude mit einem Soll-Fluß und Liefern eines Differenzsignals daraus, um die feldorientierte Regeleinrichtung abzustimmen.
Außerdem wird gemäß diesem Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Verarbeiten der Amplituden- und Winkelkomponenten des Flusses in einem Flußrückführungssystem für eine feldorientierte Universal-Regeleinrichtung für einen Induktionsmotor geschaffen, enthaltend:
Abtasten der Direkt und Querkomponenten Ψds bzw. Ψqs des Flusses in einem stationären Referenzrahmen, der mit einer vorbestimmten Phase des Induktionsmotors verkettet ist,
Berechnen des Quadrat es der Flußamplitude Ψ² aus den Direkt- und Querkomponenten des Flusses gemäß:
digitales Approximieren der Ist-Frequenz ω des Flusses gemäß
wobei T das Sampleintervall darstellt,
Berechnen der Direkt und Querkomponenten des Flusses in einem willkürlichen Flußreferenzrahmen gemäß:
wobei Ψda im wesentlichen gleich der Flußamplitude ist,
Multiplizieren der Querkomponente des Flusses Ψqa mit einer vorbestimmten proportionalen Verstärkung,
Addieren der Querkomponente des Flusses, multipliziert mit der vorbestimmten Verstärkung, und der Ist-Frequenz des Flusses, um eine korrigierte Frequenz zu liefern,
Integrieren der korrigierten Frequenz, um den Flußwinkel γ zu liefern, und
Vergleichen des Quadrates der Flußamplitude Ψ² mit einem Amplitudenquadrat-Sollfluß Ψ²* und Liefern eines Differenzsignals daraus, um die feldorientierte Regeleinrichtung abzustimmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nunmehr mehr im einzelnen beispielhaft in Bezug auf die Zeichnungen erläutert; es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer UFO-Regeleinrichtung, die in Indirekt- und Direkt-Feldorientierungsmodi arbeiten kann, wobei die UFO-Regeleinrichtung im Direktmodus gemäß der vorliegenden Erfindung eine Flußrückführung verwendet,
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Flußberechnungseinrichtung zur Feldorientierung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Flußberechnungseinrichtung zur Feldorientierung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine UFO-Regeleinrichtung der im vorstehenden US-Patent Nr. 4 968 925 (De Doncker) beschriebenen Art mit dem Zusatz einer Hochgeschwindigkeitsflußrückführung gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie im US-Patent Nr. 4 968 925 beschrieben, sind die Induktionsmotorgleichungen, die in einem willkürlichen Synchronreferenzrahmen i ausgedrückt sind, der mit einem willkürlichen Flußvektor verbunden ist, wie folgt:
wobei:
vis = Statormomentanspannung
Rs = Statorwiderstand
Rr= Rotorwiderstand
Lh = Hauptinduktanz
Ls1 = Statorleckinduktanz
Lr1 = Rotorleckinduktanz
Ls = Statorinduktanz
Lr = Rotorinduktanz
Tem = elektromagnetisches Drehmoment
p = Pol-Paarzahl
Tload = Lastdrehmoment
J = Systemträgheit
γsm = Winkelposition der Rotorwelle in Bezug auf einen feststehenden Statorreferenzrahmen
γsi= Winkel von einer feststehenden Statorreferenz zu einem willkürlichen Referenzrahmen i
γmi = Winkel von der Rotorwelle zu einem willkürlichen Referenzrahmen i;
und die Systemvariablen, einschließlich der Flußverkettung Ψ und dem Strom i werden gemäß der folgenden Übereinkunft dargestellt:
wobei: j = r : Rotorgrößen
j = s : Statorgrößen
j = h : Luftspaltgrößen
j = m : mechanische Rotorgröße (Position)
i = r : synchroner Rotorflußreferenzrahmen
i = s : mit der Phase a der Statorwicklungen verketteter stationärer Referenzrahmen
i = t : synchroner Statorflußreferenzrahmen
i = h : Luftspaltflußreferenzrahmen
i = m : mit der Rotorwelle verketteter Drehreferenzrahmen
i = i : willkürlicher synchroner Referenzrahmen
i = a : mit einem willkürlichen Flußvektor verketteter synchroner Referenzrahmen.
Gemäß dem US-Patent Nr. 4 968 925 ist der willkürliche Referenzrahmen i mit einem willkürlichen Flußvektor verkettet, der aus den vorstehend angeführten Flußverkettungsgleichungen (3) und (4) mittels einer Stator-Rotor-Istdrehzahlverhältnis- (a)-Transformation abgeleitet werden kann.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Hochgeschwindigkeits flußrückführung in einer UFO-Regeleinrichtung, um einen verstimmten Betrieb eines Induktionsmotorantriebs zu vermeiden, so daß ein Betrieb bei einem Soll-Fluß und einer entsprechenden Schlupf-Frequenz erreicht werden. Wie in Fig. 1 gezeigt, werden für einen Betrieb der UFO-Regeleinrichtung in einem Direktfeldorientierungs(DUFO)modus Flußmessungen von entsprechenden Statorphasen eines Motors 10 durch eine Flußabtasteinrichtung 1 vorgenommen und einer Berechnungseinrichtung (CFO) 12 für die Feldorientierung erzeugt. Die CFO 12 bestimmt die Amplituden- und Winkelkomponenten eines Flusses von den Flußmessungen schnell und exakt und erzeugt eine Amplitudenquadratflußrückführung Ψ² gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Flußabtasteinrichtung 11 kann Hall-Effektsensoren oder Flußspulen zur direkten Messung des Flusses umfassen. Alternativ kann die Flußabtasteinrichtung 11 den Fluß aus Messungen der Statorspannungen und -ströme in an sich bekannter Weise wie folgt berechnen:
Ψ = (Vs - IsRs) dt,
wobei Rs der Widerstand der entsprechenden Statorphasenwicklung ist, Vs die Statorspannung ist und Is der entsprechende Statorphasenstrom ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird ein Fluß-Sollwert Ψ*s in einem Multiplizierer 14 zum Quadrat erhoben und daraufhin durch einen Summierer 16 mit dem Quadrat der Rückführungsflußamplitude Ψ² von der CFO 12 verglichen. Das resultierende Fehlersignal wird einem Proportional-/Integral(PI)kompensator 18 zugeführt, dessen Ausgangssignal an einen anderen PI-Kompensator 20 und über einen alternativen Pfad an einen Summierer 22 angelegt wird. Der Ausgang des PI-Kompensators 20 wird dem Signal hinzuaddiert, das eine rückführungslose Verstärkung K* eines Multiplizierers 24 wiedergibt. Insbesondere ist der PI- Kompensator 20 so eingestellt, daß er eine langsame Verstärkungsänderung erzeugt, um K* zur Abstimmung der UFO-Regeleinrichtung anzupassen. Die rückführungslose Verstärkung läßt sich wie folgt ausdrücken: wobei
Das resultierende Signal K*Ψ*s wird einer Schaltung 26 mit der Übertragungsfunktion wobei
Das Signal K*Ψ*s wird über einen alternativen Pfad außerdem einem Summierer 28 zugeführt, in welchem es mit der Direkt komponente des Statorstroms iasd gemäß den im vorstehend genannten US-Patent Nr. 4 968 925 (De Doncker) ausgeführten UFO-Entkopplungsgleichungen kombiniert. Ein Statorstrom-Sollwert ia*sq, der aus einem Drehmoment-Sollwert T*em durch einen Divisionsblock 30 abgeleitet wird, wird einer Schaltung 32 zugeführt, welche die Übertragungsfunktion hat, wobei
und das resultierende Signal wird in einem Dividierer 34 durch das Ausgangssignal des Summierers 28 dividiert, um einen Rotorschlupffrequenz-Sollwert ωm*a zu erzeugen. Der Statorstrom-Sollwert ia*sq wird außerdem einem Multiplizierer 36 zugeführt, in welchem er mit dem Rotorschlupffrequenz- Sollwert ωm*a multipliziert wird. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 36 wird in einem Summierer 22 zu dem vorstehend genannten Ausgangssignal der Schaltung 26 und zu dem Ausgangssignal von dem PI-Kompensator 18 addiert. Der PI-Kompensator 18 ist dazu ausgelegt, eine schnelle Flußrückführung zu schaffen, so daß dann, wenn die rückführungslose Verstärkung K* durch den langsamen PI-Kompensator 20 abgestimmt wird, das Ausgangssignal von dem PI-Kompensator 18 zu Null gemacht wird. Das Ausgangssignal von dem Summierer 22 wird einer Schaltung 40 zugeführt, welche die Übertragungsfunktion
hat, welche die Direktkomponente des Statorstroms iasd erzeugt.
Die Direkt- und Querkomponenten des Statorstroms iasd bzw. iasq werden jeweils einem Vektor-Rotator und einem Zwei-in- Drei-Phasen-Transformationsblock 42 zugeführt, welcher die Koordinaten des Statorstromvektors von einem willkürlichen Synchronreferenzrahmen (der mit einem willkürlichen Flußvektor verkettet ist) in einen stationären Referenzrahmen transformiert, wie in dem vorstehend genannten US-Patent Nr. 4 968 925 erläutert. Insbesondere umfassen die Ausgangssignale von dem Vektor-Rotatorblock 42 Dreiphasen-Antriebssignale, um die drei Phasen eines stromgeregelten Pulsbreiten-modulierten (CRPWM) Inverters 44 zu erregen, um die drei Phasen des Induktionsmotors 10 in an sich bekannter Weise zu treiben.
Für den Betrieb der UFO-Regeleinrichtung von Fig. 1 in einem Indirektfeldorientierunos(IUFO)modus wird eine Wellenpositionsabtasteinrichtung 46 verwendet, um den Rotor-Positionswinkel γsm zu messen und außerdem eine Frequenzmessung ωsm durchzuführen. Ein Integrator 48 ist vorgesehen, um den Rotorschlupffrequenz-Sollwert ωm*a zu integrieren, was zu einem Rotorschlupfwinkel-Sollwert γa*m führt. Der Rotorschlupfwinkel-Sollwert γm*a wird in einem Summierer 50 zu dem Rotor-Positionssignal γsm von einer Wellenpositionsabtasteinrichtung 46 addiert, um ein den Winkel γs*a wiedergebendes Signal zu erzeugen.
Der Winkel γs*a von dem Summierer 50, der Schlupffrequenz- Sollwert ωs*a von dem Divisionsblock 34, die Ausgangssignale γs*a und ωs*a von der CFO 12 und das Frequenzsignal ωsm von der Wellenpositionsabtasteinrichtung 46 werden einem DUFO/IUFO-Auswahl-und-Übertragungsblock 52 zugeführt, um den Betrieb in den DUFO- und IUFO-Modi auszuwählen und eine Übertragung zwischen diesen zu ermöglichen. In beiden Modi wird eine Flußamplitudenrückführung (als Quadrat oder linear, wie vorstehend beschrieben) verwendet, um die rückführungslose Verstärkung K* und die Schlupffrequenz abzustimmen. Bei sehr niedrigen Inverterfrequenzen (z.B. unterhalb von 3 MHz) arbeitet der Antrieb im IUFO-Modus, weil bei derart niedrigen Frequenzen die Flußsensoren typischerweise nicht dazu in der Lage sind, eine Flußrückführungsinformation oberhalb der Signalgeräuschpegel zu erzeugen. Bei geringfügig höheren Inverterfrequenzen (d.h. sobald der Winkel des Flußvektors mit relativ hoher Präzision berechnet werden kann) wird eine Übertragung in den DUFO-Modus durchgeführt. Während der Übertragungsperiode wird die Flußrückführung verwendet, um die proportionale Verstärkung K* derart abzustimmen, daß ein weicher Übergang (ohne unvermittelte Drehmomentschwingungen) realisiert werden kann, indem die Schlupffrequenz für die beiden IUFO- und DUFO-Modi im wesentlichen identisch gemacht wird. Die DUFO-Regeleinrichtung ist im stabilen Zustand, wenn Flußspulen verwendet werden, nicht von Motorparametern abhängig. Wenn zur Berechnung der Statorflußposition Statorspannungs- und Statorstromsensoren verwendet werden, hängt die DUFO-Regeleinrichtung andererseits hinsichtlich einer geeigneten Abstimmung lediglich vom Statorwiderstand ab. Bei höheren Frequenzen ist deshalb der bevorzugte Betriebsmodus der DUFO-Modus unter Verwendung einer Statorflußsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer CFO 12 (Fig. 1) zur Ermittlung der Flußamplitude Y und eines Winkels γ gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Block 60 der CFO 12 erzeugt aus den abgetasteten Direkt- und Querkomponenten des Flusses Ψsd und Ψsq das Quadrat der Rückführungsflußamplitude Ψ² gemäß der folgenden Gleichung:
Durch Rückführen des Quadrats der Flußamplitude wird die vorstehend erläuterte Quadratwurzelfunktion vermieden und dadurch Zeit eingespart. Außerdem ist gefunden worden, daß eine derartige nicht-lineare Rüchführung nicht die Dynamik oder Dauerleistung eines Induktionsmotorantriebs stört.
Um den Flußwinkel γ aus den abgetasteten dq-Flußkomponenten zu bestimmen, wird die Istfrequenz ω des Flußvektors ermittelt. Die Istfrequenz ist durch die folgende Gleichung bestimmt:
Ein analytischer Ausdruck dieser Gleichung für ω kann wie folgt dargestellt werden:
Der analytische Ausdruck für ω kann digital approximiert werden durch:
wobei T das Sample-Intervall darstellt. Vorteilhafterweise wird eine zeitaufwendige Arcus-Tangens-Funktion vermieden. Darüberhinaus steht der Ausdruck Ψn² bereits aus dem Quadrat der Rückführungsflußamplitude zur Ermittlung der Flußamplitude zur Verfügung, wie vorstehend erläutert.
Wie in Fig. 2 gezeigt, integriert ein Integrator 62 die Istfrequenz ω, um den Flußwinkel γ zu ermitteln. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsfcrm des Integrationsverfahrens wird der Flußwinkel γ aus der Euler-Integrationsgleichung ermittelt:
γn = γn-1 +Tωn.
Ein derartiger Integrationsschritt erfordert beispielsweise nur zwei bis vier Motorzyklen, was für eine Echtzeit-Implementierung nur eine geringe Konsequenz hat. Für Anwendungen, welche die Frequenz eher als den Flußwinkel erfordern, beispielsweise bei Schlupfregeleinrichtungen oder spannungsgeregelten PWM(Pulsbreitenmodulation)-Invertern, kann der Integrationsschritt sogar vermieden werden. Um ein Driften des Integrators zu vermeiden, ist es notwendig, den Flußwinkel synchron mit dem Null-Durchgang der q-Flußkomponente rückzusetzen.
Idealerweise ist die q-Flußkomponente Ψaq gleich Null, weil der Referenzrahmen der UFO-Regeleinrichtung per Definition mit dem Flußvektor verkettet ist. In der Praxis kann die Fluß-q-Komponente Ψaq jedoch aufgrund des Quantisierungsrauschens, des Signalrauschens und des Offsets geringfügig von Null unterschiedlich sein. Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der CFO 12 (Fig. 1), welche eine Frequenzkorrekturschleife zur Kompensierung der Verstimmungswirkungen des Rauschens und der Offsets aufweist.
Wie in Fig. 3 gezeigt, werden die abgetasteten dq-Flußkomponenten Ψsd und Ψsq einem Block 70 zugeführt, der die dq- Flußkomponenten in einem willkürlichen UFO-Flußreferenzrahmen gemäß den folgenden Ausdrücken ermittelt:
Vorteilhafterweise stehen die Sinus- und Cosinus-Funktionen bereits von dem Vektor-Rotator der UFO-Steuereinrichtung zur Verfügung. Insbesondere um die Geschwindigkeit zu maximieren, werden die Sinus- und Cosinus-Funktionen aus dem vorausgehenden Winkelberechnungsschritt zur Korrektur der Frequenz verwendet. Alternativ kann der Frequenzkorrekturausdruck Ψaq aus dem vorausgehenden Schritt verwendet werden, um die Sinus- und Cosinus-Ausdrücke, falls erwünscht, in der Stromberechnung zu korrigieren. Verglichen mit einem Iterationsprozeß bis Ψaq gleich Null wird, wird in beiden Fällen die Genauigkeit zugunsten einer viel höheren Geschwindigkeit nur geringfügig geopfert.
In der Ausführungsform von Fig. 3 ist die berechnete d-Flußkomponente Ψad gleich der Flußamplitude Ψ, die deshalb, falls erwünscht, anstelle des Quadrates der Rückführungsflußamplitude für die lineare Flußrückführung verwendet werden kann. (Wenn die lineare Flußrückführung verwendet wird, ersetzt ein lineares Flußamplitudensignal Ψ das Quadrat des Rückführungsamplitudensignals Ψ²* in Fig. 1, und es wird mit einem linearen Fluß-Sollwert Ψ* verglichen, wie sich dem Fachmann erschließt.) Die berechnete q- Flußkomponente Ψaq wird einem Proportionalverstärkungsblock 72 zugeführt, dessen Verstärkung derart eingestellt ist, daß ein optimales Ansprechen der Freguenzkorrekturschleife (70, 72 und 74) erhalten wird, ohne Schwingungen zu verursachen, welche durch Rauschen und Berechnungsverzögerungen induziert werden können. Ein Summierer 74 addiert das Korrektursignal von dem Proportionalverstärkungsblock 72 zu der Frequenz ω von dem Block 60, wie vorstehend in Bezug auf Fig. 2 erläutert. Die korrigierte Frequenz von dem Summierer 74 wird daraufhin durch den Integrator 62, wie vorstehend erläutert, integriert, um den Flußwinkel γ zu erzeugen.
Ein hochzuverlässiger Induktionsmotorantrieb kann durch Verwendung der Flußrückführung in einem UFO-Regelschema gemäß der vorliegenden Erfindung gewonnen werden. Falls die für eine DUFO verwendete Flußabtasteinrichtung ausfallen sollte, kann der Antrieb beispielsweise in den IUFO-Modus übergehen. Falls die in der IUFO verwendete Wellenpositionsabtasteinrichtung ausfallen sollte, kann die DUFO-Regeleinrichtung den Betrieb des Antriebs aufrechterhalten.

Claims

1. Flußrückführungssystem für eine feldorientierte Universal-Regeleinrichtung für einen Induktionsmotor, enthaltend:

eine Flußabtasteinrichtung (11) zum Abtasten der Direkt- und Querkomponenten Ψds bzw. Ψqs des Flusses in einem stationären Referenzrahmen, der mit einer vorbestimmten Phase des Induktionsmotors verkettet ist,

eine Einrichtung (60) zum Berechnen des Quadrates der Flußkomponente Ψ² aus den Direkt- und Querkomponenten des Flusses:

Ψ² = Ψds2 + Ψqs2

eine digitale Einrichtung zum Approximieren der Ist- Frequenz ω des Flusses gemäß:

wobei T das Sampleintervall darstellt,

eine Integratoreinrichtung (62) zum Integrieren der tatsächlichen Frequenz des Flusses, um den Flußwinkel γ zu liefern, und

eine Rückführungs-Schleifeneinrichtung (16, 18, 20) mit einer rückführungslosen Verstärkung K*, wobei die Rückführungs-Schleifeneinrichtung das Quadrat der Flußamplitude Ψ² mit einem Amplitudenquadrat-Flußsollwert Ψ²* vergleicht und daraus ein Differenzsignal liefert, um die rückführungslose Verstärkung K* abzustimmen und ein abgestimmtes Statorstromsignal zu erzeugen für einen Betrieb der feldorientierten Regeleinrichtung bei einem Soll-Fluß und einer Soll-Schlupffrequenz, wobei das abgestimmte Statorstromsignal ohne Rotorflußberechnungen und unabhängig von den Parametern des Motors erzeugt ist, und

eine Vektordreheinrchtung (42) zum Empfangen des Flußwinkels γ aus der Integratoreinrichtung und des Statorstromsignals aus der Rückführungs-Schleifeneinrichtung und zum Erzeugen von Statorsignalen daraus zum Antreiben des Induktionsmotors.

2. Flußrückführungssystem für eine feldorientierte Regeleinrichtung für eine Induktionsmaschine, enthaltend:

eine Flußabtasteinrichtung (11) zum Abtasten der Direkt- bzw. Querkomponenten ΨIds bzw. Ψqs des Flusses in einem stationären Referenzrahmen, der mit einer vorbestimmten Phase des Induktionsmotors verkettet ist,

eine Einrichtung (60) zum Berechnen des Quadrates der Flußamplitude Ψ² aus den Direkt- und Querkomponenten des Flusses:

Ψ² = Ψds2 + Ψqs2

wobei T das Sampleintervall darstellt,

eine Einrichtung (70) zum Berechnen der Direkt- und Querkomponenten des Flusses in einem willkürlichen Flußreferenzrahmen, Ψda bzw. Ψqa gemäß:

wobei Ψda im wesentlichen gleich der Flußamplitude ist,

eine Multipliziereinrichtung (72) zum Multiplizieren der Querkomponente des Flusses Ψqa mit einer vorbestimmten proportionalen Verstärkung,

eine Summiereinrichtung (74) zum Addieren der Querkomponente des Flusses, multipliziert mit der vorbestimmten Verstärkung, und der Ist-Frequenz des Flusses, um eine korrigierte Frequen zu liefern,

eine Integratoreinrichtung (62) zum Integrieren der korrigierten Frequenz, um den Flußwinkel γ zu liefern, und eine Komparatoreinrichtung zum Vergleichen der Flußkomponente mit einem Soll-Fluß und zum Liefern eines Differenzsignals daraus, um die feldorientierte Regeleinrichtung abzustimmen.

3. Flußrückführungssystem für eine feldorientierte Regeleinrichtung für eine Induktionsmaschine, enthaltend:

eine Flußabtasteinrichtung (11) zum Abtasten der Direkt- bzw. Querkomponenten Ψds bzw. Ψqs des Flusses in einem stationären Referenzrahmen, der mit einer vorbestimmten Phase des Induktionsmotors verkettet ist,

eine Einrichtung (60) zum Berechnen des Quadrates der Flußamplitude Ψ² aus den Direkt und Querkomponenten des Flusses:

Ψ² = Ψds2 + Ψqs2

eine digitale Einrichtung zum Approximieren der tatsächlichen Frequenz ω des Flusses gemäß:

wobei T das Sampleintervall darstellt,

eine Einrichtung (70) zum Berechnen der Direkt- und Querkomponenten des Flusses in einem willkürlichen Flußreferenzrahmen Ψda bzw. Ψqa gemäß:

wobei Ψda im wesentlichen gleich der Flußamplitude ist,

eine Summiereinrichtunq (74) zum Addieren der Querkomponente des Flusses, multipliziert mit der vorbestimmten Verstärkung, und der Ist-Frequenz des Flusses, um eine korrigierte Frequenz zu liefern,

eine Integratoreinrichtung (62) zum Integrieren der korrigierten Frequenz, um den Flußwinkel γ zu liefern, und

eine Komparatoreinrichtung (16) des Quadrates der Flußamplitude Ψ² mit einem Amplitudenquadrat-Sollfluß Ψ²* und zum Liefern eines Differenzsignals daraus, um die feldorientierte Regeleinrichtung abzustimmen.

4. Flußrückführungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei ferner eine Moduswähleinrichtung (52) vorgesehen ist zum Ermöglichen von Übergängen zwischen indirekten und direkten Feldorientierungs-Betriebsmodi auf der Basis der Soll-Schlupffrequenz, der Ist-Flußfrequenz und des Flußwinkels

5. Flußrückführungssystem nach Anspruch 4, wobei die Moduswähleinrichtung (52) einen Betrieb in dem indirekten Feldorientierungs-Modus unterhalb einer vorbestimmten Schwellenfrequenz und einen Betrieb in dem direkten Feldorientierungs-Modus oberhalb der Schwellenfrequenz ermöglicht.

6. Flußrückführungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Flußabtasteinrichtung Flußspulen aufweist.

7. Flußrückführungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Flußabtasteinrichtung aufweist:

eine Spannungsabtasteinrichtung zum Abtasten der Statorspannung Vs über der entsprechenden Statorphasenwicklung und

eine Flußschätzeinrichtunq zur Lieferung einer Schätzung des Flusses Ψ gemäß:

Ψ (Vs - IsRs) dt,

wobei Rs der Widerstand der entsprechenden Statorphasenwicklung und Is der entsprechende Statorphasenstrom ist.

8. Verfahren zum Verarbeiten der Amplituden- und Winkelkomponenten des Flusses in einem Flußrückführungssystem für eine feldorientierte Universal-Regeleinrichtung für eine Induktionsmaschine, enthaltend:

Abtasten der Direkt- und Querkomponenten Ψds bzw. Ψqs des Flusses in einem stationären Referenzrahmen, der mit einer vorbestimmten Phase des Induktionsmotors verkettet ist

Berechnen des Quadrates der Flußkomponente Ψ² aus den Direkt- und Querkomponenten des Flusses:

Ψ² = Ψds2 + Ψqs2

digitales Approximieren der Ist-Frequenz ω des Flusses gemäß:

wobei T das Sampleintervall darstellt,

Integrieren der Ist-Frequenz des Flusses, um den Flußwinkel γ zu liefern, und

Rückführen des Quadrates der Flußamplitude Ψ² und Vergleichen des Quadrates der Flußamplitude Ψ² mit einem Amplitudenquadrat-Flußsollwert Ψ²* und Liefern eines Differenzsignal daraus, um die rückführungslose Verstärkung K* abzustimmen und ein abgestimmtes Statorsignal zu erzeugen für einen Betrieb der feldorientierten Regeleinrichtung bei einem Soll-Fluß und einer Soll- Schlupffrequenz, wobei das abgestimmte Statorstromsignal ohne Rotorflußberechnungen und unabhängig von den Parametern des Motors erzeugt ist, und

Erzeugen von Treibersignalen aus dem Flußwinkel Ψ² und dem Statorstromsignal zum Antreiben des Induktionsmotors.

9. Verfahren zum Verarbeiten der Amplituden- und Winkelkomponenten des Flusses in einem Flußrückführungssystem für eine feldorientierte Universal-Regeleinrichtung für eine Induktionsmaschine, enthaltend:

Abtasten der Direkt- bzw. Querkomponenten Ψds bzw. Ψqs des Flusses in einem stationären Referenzrahmen, der mit einer vorbestimmen Phase des Induktionsmotors verkettet ist,

Berechnen des Quadrates der Flußamplitude Ψ² aus den Direkt- und Querkomponenten des Flusses:

Ψ² = Ψds2 + Ψqs2

digitales Approximieren der Ist-Frequenz ω des Flusses gemäß:

wobei T das Sampleintervall darstellt,

Berechnen der Direkt- und Querkomponenten des Flusses in einem willkürlichen Flußreferenzrahmen gemäß:

wobei Ψda im wesentlichen gleich der Flußamplitude ist,

Multiplizieren der Querkomponente des Flusses Ψqa mit einer vorbestimmten proportionalen Verstärkung,

Addieren der Querkomponente des Flusses, multipliziert mit der vorbestimmten Verstärkung, und der Ist-Frequenz des Flusses, um eine korrigierte Frequenz zu liefern,

Integrieren der korrigierten Frequenz, um den Flußwinkel γ zu liefern, und

Vergleichen der Flußkomponente mit einem Soll-Fluß und Liefern eines Differenzsignals daraus, um die feldorientierte Regeleinrichtung abzustimmen.

10. Verfahren zum Verarbeiten der Amplituden- und Winkelkomponenten des Flusses in einem Flußrückführungssystem für eine feldorientierte Universal-Regeleinrichtung für eine Induktionsmaschine, enthaltend:

Abtasten der Direkt- und Querkomponenten Ψds bzw. Ψqs des Flusses in einem stationären Referenzrahmen, der mit einer vorbestimmten Phase des Induktionsmotors verkettet ist,

Berechnen des Quadrat es der Flußamplitude Ψ² aus den Direkt- und Querkomponenten des Flusses gemäß:

Ψ² = Ψds2 + Ψqs2

digitales Approximieren der Ist-Frequenz ω des Flusses gemäß:

wobei T das Sampleintervall darstellt,

wobei Ψda im wesentlichen gleich der Flußamplitude ist,

Integrieren der korrigierten Frequenz, um den Flußwinkel γ zu liefern, und

Vergleichen des Quadrates der Flußamplitude Ψ² mit einem Amplitudenguadrat-Sollfluß Ψ²* und Liefern eines Differenzsignals daraus, um die feldorientierte Regeleinrichtung abzustimmen.

11. Verfahren nacn Anspruch 8, 9 oder 10, wobei zwischen indirekten und direkten Feldorientierungs-Betriebsmodi gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Wählschritt einen Betrieb in dem indirekten Feldorientierungsmodus unterhalb einer vorbestimmten Schwellenfrequenz und einen Betrieb in dem direkten Feldorientierungsmodus oberhalb der Schwellenfrequenz ermöglicht.

13. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei beim Abtasten der Direkt- und Querkomponenten Ψds bsw. Ψqs des Flusses Flußspulen verwendet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei der Schritt des Abtastens der Direkt und Querkomponenten Ψds bsw. Ψqs des Flusses enthält:

Abtasten der Statorspannung Vs über der entsprechenden Statorphasenwicklung und

Liefern einer Abschätzung des Flusses Ψ gemäß

Ψ = (Vs - IsRs) dt,

wobei Rs der Widerstand der entsprechenden Statorphasenwicklung ist und Is der entsprechende Statorphasenstrom ist.

15. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei der Integrierschritt eine Integration der Ist-Frequenz ω gemäß:

γn = γn-1 + Tων

enthält.