DE102012205540B4 - Verfahren und Vorrichtung zur sensorlosen Regelung einer fremderregten Synchronmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren (1) zur sensorlosen Regelung einer fremderregten Synchronmaschine (11), welche einen Rotor aufweist, wobei das Verfahren (1) folgende Schritte umfasst:
- Einspeisen (S1) eines Testsignals (M) auf eine Kenngröße (x) eines den Rotor antreibenden elektrischen Stromes;
- Messen (S2) der Kenngröße (x) des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes auf einer Achse eines die Synchronmaschine (11) beschreibenden Koordinatensystems;
- Ermitteln (S3) eines Fehlersignals (ρ (T)) durch Korrelieren der gemessenen Kenngröße (x) des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes mit einem zeitlich verzögerten Testsignal (m), welches aus dem eingespeisten Testsignal (M) ermittelt wird;
- Anpassen (S4) eines Rotorwinkels (φ) als Reaktion auf das Fehlersignal (ρ (T)), falls das Fehlersignal (ρ (T)) einen Wert ungleich Null aufweist, wobei das Ermitteln (S3) des Fehlersignals (ρ (T)) vorgesehen wird durch ein kontinuierliches Multiplizieren und Integrieren der gemessenen Kenngröße (x) des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes mit dem um die Zeit (T) zeitlich verzögerten Testsignal (m).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur sensorlosen Regelung einer fremderregten Synchronmaschine, insbesondere einer fremderregten, umrichtergesteuerten Synchronmaschine, beispielsweise einer Synchronmaschine in einem Fahrzeug.
• Eine konventionelle Synchronmaschine besitzt ein mit Gleichstrom erregtes Polrad, einen Rotor, und einen Ständer mit einer Drehstromwicklung. Synchronmaschinen werden als Motor mit konstanter Drehzahl oder auch als Phasenschieber eingesetzt. Auch stellen sie eine wichtige elektrische Maschine für die Erzeugung elektrischer Energie dar. Man unterscheidet hierbei zwischen permanenterregten sowie fremderregten Synchronmaschinen, welche kontinuierlich mit einem Erregerstrom versorgt werden müssen. Dieser kann dabei, je nach Art der Erregermaschine, ein Gleichstrom oder ein Drehstrom sein
• Um die Phasenströme so zu regeln, dass ein gewünschtes Drehmoment bei möglichst optimalem Wirkungsgrad erzeugt wird, werden jederzeit exakte Informationen über die Position des Rotors gegenüber einer Ständerwicklung benötigt. Bei gewöhnlichen Synchronmaschinen wird der Drehwinkel des Rotors dabei mit einem Sensor erfasst, beispielsweise mit einem Resolver oder einem Sinus-Cosinus-Geber.
• Derartige Techniken erhöhen jedoch die Komplexität des Gesamtsystems und setzen dessen Zuverlässigkeit herab. So muss die Synchronmaschine einen Sensor aufweisen, welcher in den Läufer eingebaut oder mechanisch daran gekoppelt ist, was zu erhöhten Kosten führt und zusätzlichen Bauraum für den Sensor benötigt. Auch ist der Austausch eines derartigen Sensors mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Ferner sollen nicht ideale Sensorsignale kompensiert und andererseits denkbare Sensorfehler möglichst zuverlässig diagnostiziert werden.
• Es besteht daher der Wunsch nach einer sensorlosen Lageerfassung des Rotors einer Synchronmaschine, das heißt, den Sensor durch mathematische Modelle oder durch Ausnutzung physikalischer Effekte zu ersetzen.
• Aus der Druckschrift EP 0 539 401 B1 ist ein Verfahren zur Sensorregelung einer Synchronmaschine bekannt, bei welchem Testsignale eingespeist und ausgewertet werden und welches auf der Ermittlung einer Induktivität basiert, die sich über den Umfang des Rotors ändert.
• Die Druckschrift DE 10 2009 015 106 A1 beschreibt eine Regelung für eine fremderregte Synchronmaschine, wobei eine berührungslos versorgte Erregerwicklung ein Zusatzsignal erhält, wobei eine feldorientierte Regelung, die ein Flussmodell umfasst, gestützt ist auf einem separierten (detektierten) Zusatzsignal, aus dem der Winkel errechnet werden kann.
• Die Druckschrift JP 2008-301695 A beschreibt einen Synchronmotor mit Vektorregelung, wobei ein Phasenwinkel geschätzt wird mittels eines eingespeisten hochfrequenten Stroms und des sich ergebenden Antwortsignals unter Verwendung eines Rotors mit ausgeprägter Magnetpolausrichtung des Rotors („salient pole characteristics“).
• Die Druckschrift DE 10 2006 004 034 A1 betrifft den feldorientierten Betrieb einer Synchronmaschine. Ein Testsignal wird einem Raumzeiger überlagert. Mittels diesem wird der Lagewinkel fortlaufend korrigiert.
• Die Druckschrift DE 11 2004 002 619 T5 betrifft eine Motorregelanordnung mit einer Geschwindigkeitsberechnung, wobei die Geschwindigkeit anhand von Positionen berechnet wird, die von einem Detektor detektiert werden.
• Die Druckschrift EP 1 492 224 A1 beschreibt eine sensorlose Regelung einer elektrischen Maschine, wobei ein Hochfrequenzsignal überlagert wird, um ein Fehlersignal einer Magnetflussposition zu korrigieren.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Regelung einer fremderregten Synchronmaschine anzugeben, mithilfe dessen jederzeit ein erforderliches Drehmoment bei einem optimalen Wirkungsgrad erzeugt werden kann.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Einzelheiten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur sensorlosen Regelung einer fremderregten Synchronmaschine angegeben, welche einen Rotor aufweist. Das Verfahren weist dabei folgende Schritte auf: Zunächst wird ein Testsignal auf eine Kenngröße eines den Rotor antreibenden elektrischen Stromes eingespeist. Anschließend wird die Kenngröße des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes auf einer Achse eines die Synchronmaschine beschreibenden Koordinatensystems gemessen.
• Aus der gemessenen Kenngröße des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes und einem zeitlich verzögerten Testsignal, welches aus dem eingespeisten Testsignal ermittelt wird, wird dann durch Korrelieren ein Fehlersignal ermittelt und als Reaktion auf dieses ein Rotorwinkel angepasst, falls das Fehlersignal einen Wert ungleich Null aufweist.
• Ein Grundgedanke des Verfahrens ist somit, eine Rotorposition einer fremderregten Synchronmaschine während eines geregelten Betriebes durch Auswertung eines Testsignals zu ermitteln und gemäß den Betriebsbedingungen einzustellen.
• Es wird somit ein Verfahren zur sensorlosen Regelung einer fremderregten Synchronmaschine bereitgestellt, mithilfe dessen ein erforderliches Drehmoment bei einem optimalen Wirkungsgrad erzeugt werden kann. Der Vorteil besteht sowohl darin, dass ein Positionssensor entfallen kann, somit Kosten und Bauraum eingespart werden, sowie in einer sehr großen Genauigkeit bei der Ermittlung des gewünschten Drehwinkels, da das Verfahren keinen Motorparametern unterliegt, welche in Folge von Temperatur, Sättigungsverhalten und Bauteilsteuerung stark variieren können. Somit kann auch bei kleinen Drehzahlen der Synchronmaschine ein optimales Drehmoment gewährleistet werden. Auch können derartige Verfahren ohne zusätzliche Hardware und bei einem geringen Softwareaufwand realisiert werden, da keine zusätzlichen und aufwendigen Hardwarekomponenten, beispielsweise zur Messung einer Induktivität, vonnöten sind. Da das Verfahren nicht von Parametern abhängig ist, das heißt keiner Temperaturabhängigkeit oder Bauteilabhängigkeit unterliegt, kann das Verfahren auch mit anderen, bereits bekannten Verfahren kombiniert werden, um ein solches anderes Verfahren zu korrigieren, beispielsweise durch Parameter- oder Temperaturadaption.
• Bei dem Testsignal kann es sich hierbei um ein PRBS-Signal, das heißt einen pseudo-zufälligen Bitstrom (Pseudo Random Bit Stream, PRBS), handeln. Ein PRBS-Signal ist ein binäres Signal, welches das Spektrum von weißem Rauschen approximiert und durch einen deterministischen Zufallsgenerator erzeugt wird. PRBS-Signale haben den Vorteil, dass sie einerseits einfach zu erzeugen und andererseits gut zu unterscheiden sind von stochastischem Messwertrauschen beziehungsweise systematischen Störungen, beispielsweise Oberschwingungen. Somit kann die Amplitude des Testsignals relativ klein gewählt werden, wodurch Ungenauigkeiten einer ausgegebenen, getakteten Phasenspannung reduziert und somit die Genauigkeit des Verfahrens weiter erhöht werden kann.
• Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem die Synchronmaschine beschreibenden Koordinatensystem um ein dq-Koordinatensystem, welches ein rotorfestes Koordinatensystem darstellt. Gewöhnlicherweise werden Differenzialgleichungssysteme einer Synchronmaschinennachbildung, welche ein Zwei-Achsen-Modell der magnetisch-linearen, elektrisch erregten Synchronmaschine beschreiben und alle elektrischen und magnetischen Größen eines Stators, Rotors und eines Dämpfers berücksichtigen, der Einfachheit halber in einem dq-Koordinatensystem dargestellt. Dabei wird ein Raumzeiger gemessener Maschinenströme in zwei Komponenten zerlegt, welche sich durch Projektion in Richtung des von durch eine Rotorspule erzeugten Fluss-Raumzeigers (d-Achse) beziehungsweise senkrecht dazu (q-Achse) ergeben. Durch Regelung der beiden Stromkomponenten in diesem relativ zur Rotorlage festen Koordinatensystem kann das gewünschte Drehmoment und ein Ständerfluss der Maschine eingestellt werden. Die oben erwähnte d-Achse des rotorfesten Koordinatensystems stellt dabei die Längsachsenrichtung dar, welche mit einer Feldpolrichtung übereinstimmt. Bei Synchronmaschinen stellt die oben erwähnte q-Achse weiter die Querachsenrichtung in einem rotorfesten Koordinatensystem dar, welche senkrecht zu einer Feldpolrichtung, das heißt senkrecht zu einer Rotorachse steht.
• Gemäß einer zweiten Ausführungsform handelt es sich bei dem die Synchronmaschine beschreibenden Koordinatensystem um ein αβ-Koordinatensystems handeln. Das αβ-Koordinatensystem einer Synchronmaschine ist auf die Wicklung des Ständers orientiert und unbeweglich. Es wird durch zwei rechtwinklig zueinander stehende Komponenten beschrieben, welche die griechischen Buchstaben α und β tragen. Im ständerfesten Koordinatensystem einer Synchronmaschine rotieren die Vektoren für Strom und Spannung und die α- und β-Komponenten des Strom- und des Spannungszeigers weisen sinusförmige Verläufe auf. Die Auswertung des Testsignals im ständerfesten Koordinatensystem weist den Vorteil auf, dass kein hoher Rechenaufwand für die Übertragung der elektrischen Messgrößen Strom und Spannung in das rotorfeste Koordinatensystem vonnöten ist, was in einem geringeren Softwareaufwand resultiert.
• Bei der Kenngröße des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes kann es sich um einen Strom handeln. Dabei kann das Testsignal auf eine d-Achsen-Stromkomponente eingespeist werden und als Erregung eine q-Achsen-Stromkomponente eines dq-Koordinatensystems gemessen werden, wobei das dq- Koordinatensystem bevorzugt derart ausgerichtet ist, dass die d-Achse auf den Rotor zeigt. Das Testsignal kann somit auf einen Rotorsollstrom, welcher der d-Achsen-Stromkomponente entspricht eingespeist werden. Somit überlagern sich die beiden Signale, ohne dass es zu einer Beeinflussung des Rotorsollstroms durch das Testsignal kommt, wodurch ein optimales Drehmoment gewährleistet werden kann, bei einem möglichst optimalen Wirkungsgrad. Weiter kann das Testsignal auf die q-Achsen-Stromkomponente eingespeist und als Erregung eine d-Achsen-Stromkomponente gemessen werden wobei das dq- Koordinatensystem bevorzugt derart ausgerichtet ist, dass die d-Achse auf den Rotor zeigt. Gemäß der zweiten Ausführungsform, kann das Testsignal auf einer α-Achsen-Stromkomponente eingespeist und als Erregung eine β-Achsen-Stromkomponente gemessen werden. Gemäß einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform des Verfahrens kann das Testsignal auch auf eine β-Achse des αβ-Koordinatensystems, das heißt auf die β-Achsen-Stromkomponente, eingespeist und als Erregung die α-Achsen-Stromkomponente gemessen werden.
• Weiter kann es sich bei der Kenngröße des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes auch um eine Spannung handeln. So kann das Testsignal auch auf eine d-Achsen-Spannungskomponente eingespeist und als Erregung eine q-Achsen-Spannungskomponente gemessen werden, wobei das dq- Koordinatensystem bevorzugt derart ausgerichtet ist, dass die d-Achse auf den Rotor zeigt. Das Testsignal kann somit auf eine Rotorspannung, welche der d-Achsen-Spannungskomponente entspricht, eingespeist werden. Somit überlagern sich die beiden Signale, ohne dass es zu einer Beeinflussung der Rotorspannung durch das Testsignal kommt, wodurch ein optimales Drehmoment gewährleistet werden kann, bei einem möglichst optimalen Wirkungsgrad.
• Weiter kann das Testsignal auch auf die q-Achsen-Spannungskomponente eingespeist und als Erregung die d-Achsen-Spannungskomponente gemessen werden wobei das dq- Koordinatensystem bevorzugt derart ausgerichtet ist, dass die d-Achse auf den Rotor zeigt. Legt man das αβ-Koordinatensystem zu Grunde, kann das Testsignal auch auf eine α-Achsen-Spannungskomponente eingespeist und als Erregung eine β-Achsen-Spannungskomponente gemessen werden. Auch kann das Testsignal auch auf die β-Achsen-Spannungskomponente eingespeist und als Erregung die α-Achsen-Spannungskomponente gemessen werden.
• Der Schritt des Ermittelns eines Fehlersignals umfasst dabei ein kontinuierliches Multiplizieren und Integrieren der gemessenen Kenngröße mit dem zeitlich verzögerten Testsignal.
• Dabei kann der Rotorwinkel angepasst, das heißt geändert werden, falls das ermittelte Fehlersignal einen Wert ungleich Null aufweist. Dies ist gleichbedeutend damit, dass eine Kopplung des eingespeisten Testsignals auf die Kenngröße des den Rotor antreibenden elektrischen Stroms auf die Achse des die Synchronmaschine beschreibenden Koordinatensystems, auf welcher diese gemessen wird, gemessen wird.
• In dem Fall, dass das Integral den Wert Null hat, stimmt die ermittelte Rotorposition dabei mit dem gewünschten Rotorwinkel überein. Bei Winkelabweichungen, das heißt für den Fall, dass das Integral einen Wert ungleich Null hat, wird eine Korrelation erkannt, deren Vorzeichen die Richtung der gewünschten Korrektur anzeigt. Beispielsweise ist, wenn das Testsignal auf eine d-Achsen-Stromkomponente eines dq-Koordinatensystems einer Synchronmaschine eingespeist wird, das Integral gleich Null, wenn die d-Achsen-Stromkomponente nicht mit dem Testsignal korreliert, somit keine Kopplung von der Erregung auf die q-Achse erfolgt. Somit kann eine hohe Genauigkeit des Systems gewährleistet werden, ohne dass hierbei ein erhöhter Rechenaufwand und somit zusätzliche Hardwarekomponenten und/oder ein erhöhter Softwareaufwand vonnöten sind.
• Gemäß der ersten Ausführungsform des Verfahrens kann die Änderung des Rotorwinkels dabei auf Basis einer Integration aus einer Frequenz ermittelt werden. Da hier bei der Auswertung des Testsignals ein rotorfestes, das heißt ein mitdrehendes Koordinatensystem verwendet wird, kann die Frequenz ihrerseits durch Integration aus einer Beschleunigung bestimmt werden.
• Gemäß der zweiten Ausführungsform des Verfahrens, kann die Änderung des Rotorwinkels auch durch Bilden eines Arcustangens aus einer α-Komponente sowie einer β-Komponente der gemessenen Kenngröße des den Rotor antreibenden elektrischen Stroms ermittelt werden.
• Insgesamt kann somit der Rotorwinkel ohne großen Rechenaufwand angepasst werden, so dass sich eine große Genauigkeit des Verfahrens einstellt, ohne dass hierbei zusätzliche Hardware oder ein erhöhter Softwareaufwand vonnöten wäre. Dabei können die Zustandsgrößen, das heißt Frequenz beziehungsweise Kreisfrequenz, korrigiert werden, sobald eine Winkelabweichung durch Korrelation erkannt wurde. Somit kann ein optimaler Winkelverlauf gewährleistet werden, das heißt, ein gewünschtes Drehmoment bei möglichst optimalem Wirkungsgrad der Synchronmaschine erzeugt werden.
• Mit der Erfindung wird auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines oben beschriebenen Verfahrens zur sensorlosen Regelung einer fremderregten Synchronmaschine angegeben. Die Vorrichtung umfasst dabei einen Testsignalgenerator zum Erzeugen eines Testsignals, einen Korrelator zum Erzeugen eines Fehlersignals und einen Beobachter zum Einstellen eines gewünschten Rotorwinkels als Reaktion auf das Fehlersignal.
• Eine derartige Vorrichtung hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäßen Verfahren in gängige Regelkonzepte problemlos implementiert werden können, ohne dass hierbei zusätzliche Hardwarekomponenten vonnöten sind oder sich ein gesteigerter Softwareaufwand ergibt. Weiter handelt es sich bei dem Testsignalgenerator, dem Korrelator sowie dem Beobachter um einfache, gebräuchliche Komponenten von Schaltungsanordnungen, sodass die erfindungsgemäßen Verfahren durch eine derartige Vorrichtung kostengünstig und platzsparend realisiert werden können.
• Bei dem Testsignalgenerator kann es sich dabei um einen PRBS-Testsignalgenerator handeln. Mittels eines PRBS-Testsignalgenerators kann die Synchronmaschine mit einem PRBS-Signal beaufschlagt werden, welches einfach zu erzeugen ist und andererseits gut zu unterscheiden von stochastischem Messwertrauschen bzw. systematischen Störungen, beispielsweise Oberschwingungen. Auch kann die Amplitude eines derartigen PRBS-Testsignals relativ gering gewählt werden.
• Das Einstellen des gewünschten Rotorwinkels kann dabei vorteilhaft über den Beobachter, das heißt einen Filter zweiter Ordnung, erfolgen. Wird in Folge des Schrittes des Ermittelns eines Fehlersignals eine Korrelation erkannt werden die Faktoren auf welchen die Funktion des Beobachters basiert, insbesondere eine Beschleunigung und eine Frequenz, kurzzeitig wie obenstehend geändert, um eine Änderung des Rotorwinkels zu erzeugen.
• Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung angegeben werden, mithilfe derer sich ein gewünschtes Drehmoment einer Synchronmaschine bei einem möglichst optimalen Wirkungsgrad erzeugen lässt. Da hierbei kein Positionssensor vonnöten ist, können sowohl Kosten für den Sensor selbst als auch Bauraum eingespart werden.
• Da das Verfahren unabhängig von Motorparametern ist und keiner Temperaturabhängigkeit oder Bauteilabhängigkeit unterliegt, kann jederzeit ein volles, optimales Drehmoment gewährleistet werden, insbesondere auch im Stillstand oder bei kleinen Drehzahlen, beispielsweise beim Anfahren mit einem Fahrzeug, welches eine Synchronmaschine als Antriebsaggregat aufweist, an einem Berg.
• Weiter kann das Verfahren ohne zusätzliche Hardware und bei geringem Softwareaufwand über einfache Rechenverfahren realisiert werden, wobei ein rotorfestes oder ein ständerfestes Koordinatensystem herangezogen werden kann.
• Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur sensorlosen Regelung einer fremderregten Synchronmaschine bereitgestellt, wobei die Vorrichtung
• • einen Testsignalgenerator zum Erzeugen eines Testsignals,
• • eine Messeinheit zum Messen der Kenngröße des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes auf einer Achse eines die Synchronmaschine beschreibenden Koordinatensystems,
• • einen Korrelator zum Ermitteln eines Fehlersignals und
• • einen Beobachter zum Anpassen eines gewünschten Rotorwinkels als Reaktion auf das Fehlersignal umfasst.
• Dabei ist der Testsignalgenerator vorteilhafterweise ein Signalgenerator zum Erzeugen eines PRBS-Signals.
• Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Fahrzeug umfassend die oben genannte Vorrichtung dargestellt.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben dargestellten Verfahrens sind, soweit im Übrigen auf die oben genannte Vorrichtung beziehungsweise das oben genannte Fahrzeug übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung beziehungsweise des Fahrzeugs anzusehen.
• Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
• 1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur sensorlosen Regelung einer fremderregten Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
• 2 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• 1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 1 zur sensorlosen Regelung einer fremderregten Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• Das Verfahren 1 weist dabei folgende Schritte auf. Zunächst wird ein Testsignal M auf eine Kenngröße eines den Rotor antreibenden elektrischen Stromes eingespeist S1. Anschließend wird die Kenngröße des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes auf einer Achse des die Synchronmaschine beschreibenden Koordinatensystems gemessen S2. Aus der gemessenen Kenngröße des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes und einem zeitlich verzögerten Testsignal wird dann durch Korrelieren ein Fehlersignal ermittelt S3 und als Reaktion auf dieses wiederum ein gewünschter Rotorwinkel angepasst, falls das Fehlersignal einen Wert ungleich Null aufweist S4. Dabei handelt es sich bei dem Testsignal M gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 um ein PRBS-Signal.
• Bei dem die Synchronmaschine darstellenden Koordinatensystem handelt es sich bei dem Ausführungsbeispiel der 1 um ein dq-Koordinatensystem, welches ein rotorfestes Koordinatensystem darstellt. Gewöhnlicherweise werden Differenzialgleichungssysteme einer Synchronmaschinennachbildung, welche ein Zwei-Achsen-Modell der magnetisch-linearen, elektrisch erregten Synchronmaschine beschreiben und alle elektrischen und magnetischen Größen eines Stators, Rotors und eines Dämpfers berücksichtigen, der Einfachheit halber in einem dq-Koordinatensystem dargestellt. Dabei wird ein Raumzeiger gemessener Maschinenströme in zwei Komponenten zerlegt, welche sich durch Projektion in Richtung des von einer Rotorspule erzeugten Fluss-Raumzeigers (d-Achse) bzw. senkrecht dazu (q-Achse) ergeben. Ferner kann es sich bei dem die Synchronmaschine beschreibenden Koordinatensystem aber auch um ein αβ-Koordinatensystem handeln, welches ein ständerfestes Koordinatensystem darstellt.
• Bei der Kenngröße des den Rotor antreibenden Stromes handelt es sich hierbei um einen Strom.
• Wie zu erkennen ist, wird als Erregung eine q-Achsen-Stromkomponente Iq gemessen S2, wobei das dq- Koordinatensystem bevorzugt derart ausgerichtet ist, dass die d-Achse auf den Rotor zeigt.
• In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann es sich bei der Kenngröße des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes aber auch um eine Spannung handeln.
• In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann das Testsignal aber auch auf eine q-Achse des dq-Koordinatensystems eingespeist werden, beispielsweise auf die q-Achsen-Stromkomponente und als Erregung eine d-Achsen-Stromkomponente gemessen werden, bzw. auf die q-Achsen-Spannungskomponente eingespeist und als Erregung eine Rotorspannung gemessen werden, wobei das dq- Koordinatensystem wiederum bevorzugt derart ausgerichtet ist, dass die d-Achse auf den Rotor zeigt.
• Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform des Verfahrens kann auch ein αβ-Koordinatensystem, welches ein ständerfestes Koordinatensystem darstellt, herangezogen werden und das Testsignal auf eine α-Achse des αβ-Koordinatensystems eingespeist werden. Beispielsweise kann das Testsignal wiederum auf einen Strom oder eine Spannung eingespeist werden, wobei als Erregung eine α-Komponente und eine β-Komponente der entsprechenden Kenngröße des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes gemessen werden.
• Anschließend wird ein Fehlersignal ermittelt durch Korrelieren der gemessenen Kenngröße mit einem zeitlich verzögerten Testsignal S3, das heißt durch in Beziehung bringen der gemessenen Erregung mit dem zeitlich verzögerten Testsignal.
• Wie 1 zeigt, erfolgt dieser Schritt S3 durch kontinuierliches Multiplizieren und Integrieren der gemessenen Erregung mit dem um eine Zeit T zeitlich verzögerten Testsignal m und wird das Fehlersignal p(T) somit durch die Gleichung $$\mathrm{\rho }\left(\text{T}\right)=\text{K}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}x\left(t\right)m\left(t+T\right)dt}$$

  

  dargestellt, wobei x(t) der q-Achsen-Stromkomponente zum Zeitpunkt t, m einem um die Zeit T verzögerten PRBS Signal sowie K einem Korrelationskoeffizient entspricht.
• Ergibt dieses Integral bzw. das Fehlersignal p(T) den Wert Null, liegt eine Kopplung der Erregung auf die q-Achse vor, das heißt die Rotorposition stimmt mit dem gewünschten Drehwinkel überein, sodass das Verfahren endet und neu gestartet werden kann.
• Ergibt sich für das Integral bzw. das Fehlersignal p(T) ein Wert ungleich Null, wird also eine Korrelation erkannt, das heißt im Ausführungsbeispiel der 1, dass eine Kopplung von der Erregung auf die q-Achse vorliegt, was gleichbedeutend damit ist, dass das die Synchronmaschine 11 beschreibenden Koordinatensystem nicht richtig ausgerichtet ist. Das Vorzeichen des Wertes des Integrals bzw. des Fehlersignals p(T) zeigt dabei die Richtung an, in welcher die Korrektur zu erfolgen hat.
• Wie dargestellt, kann der Drehwinkel dann durch ein Ändern des Rotorwinkels auf Basis einer Integration aus einer Frequenz angepasst werden S4. Es kann somit über die Gleichung $$\phi ={\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}ƒ\left(t\right)dt}$$

  

  der gewünschte Rotorwinkel φ ermittelt werden, wobei f(t) die Frequenz zum Zeitpunkt t ist. Die Frequenz kann dabei ihrerseits durch Integration aus einer Beschleunigung erzeugt werden.
• Für den Fall, dass zur Beschreibung ein ständerfestes Koordinatensystem herangezogen wird, kann die Änderung des Rotorwinkels auf Basis einer Arcustangensbildung aus einer eine α-Komponente und eine β-Komponente der gemessenen Kenngröße des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes ermittelt werden.
• Das Anpassen S4 des Rotorwinkels φ kann dabei vorteilhaft über einen in 1 nicht gezeigten Beobachter, das heißt einen Filter zweiter Ordnung, erfolgen. Wird in Folge des Schrittes des Ermittelns S3 eines Fehlersignals p(T) eine Korrelation erkannt, werden die Faktoren, auf welchen die Funktion des Beobachters basiert, insbesondere eine Beschleunigung und eine Frequenz, kurzzeitig wie obenstehend geändert, um eine Änderung des Rotorwinkels zu erzeugen. Abschließend endet das Verfahren und kann neu gestartet werden.
• 2 zeigt eine Vorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• Zu erkennen ist dabei eine fremderregte, umrichtergesteuerte Synchronmaschine 11 sowie eine Motorsteuerung zur Anregung der Synchronmaschine 11. Die Motorsteuerung wird hierbei durch die mit Bezugszeichen 12 versehene strichlierte Linie symbolisiert und umfasst einen Stromsollwertbildner 13, einen Erregungsstromregler 14, einen qd-Stromregler 15 sowie Transformatoren 16,17 zur Strom- und Spannungskorrektur.
• Wie 2 weiter zeigt, weist die Vorrichtung 10 zudem einen Testsignalgenerator 18 zum Erzeugen eines Testsignals M, einen Korrelator 19 zum Erzeugen eines Fehlersignals p(T) und einen Beobachter 20 zum Anpassen eines Rotorwinkels φ als Reaktion auf das Fehlersignal p(T) auf.
• Im Ausführungsbeispiel der 2 wird zur Beschreibung der Synchronmaschine 11 ein dq-Koordinatensystem herangezogen, welches ein rotorfestes Koordinatensystem darstellt. Die Achsen des dq-Koordinatensystems werden hierbei durch die mit Bezugszeichen 34 und 35 symbolisierten Pfeile gekennzeichnet. Gemäß einer zweiten, nicht dargestellten Ausführungsform des Verfahrens kann ferner auch ein αβ-Koordinatensystem, welches ein ständerfestes Koordinatensystem darstellt, herangezogen werden.
• Bei dem Testsignalgenerator 18 der 2 handelt es sich um einen PRBS-Testsignalgenerator 21.
• Wie zu erkennen ist, weist die dargestellte Synchronmaschine 11 eine Erregerwicklung 26 sowie Ständerwicklungen 22 auf, welche mit Drehstrom gespeist werden. Damit die Synchronmaschine 11 arbeiten kann, ist ein Erregerfeld im Läuferkreis notwendig. Dazu ist hier eine konventionelle Regelung vorgesehen.
• Über den Stromsollwertbildner 13 wird hierbei ein Sollwert für einen Erregungsstrom If an den Erregungsstromregler 14 abgegeben sowie Sollwerte für eine d-Achsen-Stromkomponente Id sowie für eine q-Achsen-Stromkomponente Iq an den dq-Stromregler abgegeben, was durch die mit Bezugszeichen versehenen Pfeile 23,24,25 symbolisiert wird.
• Über den Erregungsstromerreger 14 wird die Erregerwicklung 26 mit einer Reglerausgangsspannung Uf beaufschlagt, was durch den Pfeil 27 symbolisiert wird. Der qd-Stromregler 15 ist weiter mit dem Spannungskorrekturtransformator 16 gekoppelt, was durch die Pfeile 28 symbolisiert wird.
• Wie 2 weiter zeigt, wird über den Testsignalgenerator 18 zudem ein Testsignal M auf den Erregungsstrom If eingespeist, was durch den Pfeil 29 symbolisiert wird. Wie durch den Pfeil 30 symbolisiert, ist der Testsignalgenerator 18 weiter mit dem Korrelator 19 gekoppelt, welcher zudem, wie durch den Pfeil 31 symbolisiert, Werte über eine gemessene Kenngröße x des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes einer Messeinheit, das heißt im gezeigten Ausführungsbeispiel über eine q-Achsen-Stromkomponente I vom Stromkorrekturtransformator 17, erhält und seinerseits durch Korrelation aus einem um die Zeit T verzögerten Testsignal m sowie einer gemessenen Kenngröße ein Fehlersignal ρ (T) ermittelt. Wie durch den Pfeil 32 symbolisiert, ist der Korrelator 19 seinerseits mit dem Beobachter 20 gekoppelt und leitet das Fehlersignal ρ (T) an diesen weiter. Der Beobachter 20 wiederum ermittelt als Reaktion auf das Fehlersignal p(T) einen Rotorwinkel φ und leitet diesen, wie durch den Pfeil 33 symbolisiert, an den Stromkorrekturtransformator 17 sowie an den Spannungskorrekturtransformator 16 weiter, um die Ständerspannungen und somit eine Rotorposition entsprechend dem gewünschten Rotorwinkel φ einstellen zu können.
• Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung.
• Bezugszeichenliste

1

Verfahren

S1,S2,S3,S4

Verfahrensschritte

10

Vorrichtung

11

Synchronmaschine

12

Motorsteuerung

13

Stromsollwertbildner

14

Erregungsstromregler

15

q- und d-Stromregler

16

Spannungstransformator

17

Stromtransformator

18

Testsignalgenerator

19

Korrelator

20

Beobachter

21

PRBS-Testsignalgenerator

22

Ständerwicklungen

23,24,25

Kopplungen

26

Erregerwicklung

27,28,29,30,31,32,33

Kopplungen

34,35

dq-Koordinatensystem

M

Testsignal

φ

gewünschter Rotorwinkel

ρ (T)

Fehlersignal

K

Korrelationskoeffizient

x

Kenngröße eines den Rotor antreibenden elektrischen Stromes

m

um die Zeit T verzögertes Testsignal

f

Frequenz

If

Sollwert für Erregungsstrom

Iq

Sollwert für q-Achsen-Stromkomponente

Id

Sollwert für d-Achsen-Stromkomponente

I

q_Achsen-Stromkomponente

Claims (9)

1. Verfahren (1) zur sensorlosen Regelung einer fremderregten Synchronmaschine (11), welche einen Rotor aufweist, wobei das Verfahren (1) folgende Schritte umfasst: - Einspeisen (S1) eines Testsignals (M) auf eine Kenngröße (x) eines den Rotor antreibenden elektrischen Stromes; - Messen (S2) der Kenngröße (x) des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes auf einer Achse eines die Synchronmaschine (11) beschreibenden Koordinatensystems; - Ermitteln (S3) eines Fehlersignals (ρ (T)) durch Korrelieren der gemessenen Kenngröße (x) des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes mit einem zeitlich verzögerten Testsignal (m), welches aus dem eingespeisten Testsignal (M) ermittelt wird; - Anpassen (S4) eines Rotorwinkels (φ) als Reaktion auf das Fehlersignal (ρ (T)), falls das Fehlersignal (ρ (T)) einen Wert ungleich Null aufweist, wobei das Ermitteln (S3) des Fehlersignals (ρ (T)) vorgesehen wird durch ein kontinuierliches Multiplizieren und Integrieren der gemessenen Kenngröße (x) des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes mit dem um die Zeit (T) zeitlich verzögerten Testsignal (m).
2. Verfahren (1) nach Anspruch 1, wobei das Testsignal (M) ein PRBS-Signal ist.
3. Verfahren (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das die Synchronmaschine (11) beschreibende Koordinatensystem ein dq-Koordinatensystem ist, welches ein rotorfestes Koordinatensystem darstellt.
4. Verfahren (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das die Synchronmaschine (11) beschreibende Koordinatensystem ein αβ-Koordinatensystem ist, welches ein ständerfestes Koordinatensystem darstellt.
5. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit Anpassen (S4) des Rotorwinkels (φ) auf Basis einer Integration aus einer Frequenz.
6. Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit Anpassen (S4) des Rotorwinkels (φ) auf Basis eines Arcustangens aus einer α- Komponente und einer β- Komponente der gemessenen Kenngröße (x) des den Rotor antreibenden elektrischen Stroms.
7. Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens (1) zur sensorlosen Regelung einer fremderregten Synchronmaschine (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vorrichtung (10) • einen Testsignalgenerator (18) zum Erzeugen (S1) eines Testsignals (M), • eine Messeinheit (17) zum Messen (S2) der Kenngröße (x) des den Rotor antreibenden elektrischen Stromes auf einer Achse eines die Synchronmaschine (11) beschreibenden Koordinatensystems, • einen Korrelator (19) zum Ermitteln (S3) eines Fehlersignals (ρ (T)) und • einen Beobachter (20) zum Anpassen (S4) eines gewünschten Rotorwinkels (φ) als Reaktion auf das Fehlersignal (ρ (T)) umfasst.
8. Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, wobei der Testsignalgenerator (18) ein Signalgenerator (21) zum Erzeugen eines PRBS-Signals ist.
9. Fahrzeug, umfassend eine Vorrichtung (10) nach Anspruch 7 oder 8.

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