„Regelung“(Spezialthemen)

Referenten:Prof. Dr.‐Ing. Hans‐Georg Herzog

(hg.herzog@tum.de)Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel

(ralph.kennel@tum.de)Technische Universität München

Arcisstraße 2180333 München

„Regelung“

Feldorientierte Regelung

DC and AC Machines

DC machine

asynchronous machine

EC motor/BLDC motorsynchronous machine

Control Schemes

- --

Drehzahl-regelung

Drehmoment-/StromRegelung

M3~

i

Lageregelung

Lagegeber

Tacho

Kommutierungssignale

s*

s

n* i*

n

position controllerspeed

controller

torque/currentcontroller

commutation signals

tacho generator

position encoder

servomotor

cascaded control with 3 control loops

-

Feldschwächung

- -

-

M-Regler Strom-Regler

Feld-Regler

Ma-schinen-modell

ej

e-j

e-j

M3~

i

u

Encoder

n* i*q

i*d*

for asynchronousmachines

field weakening field controller

speedcontroller

currentcontrollers

machine

model

for synchronousmachines

AC Drive Control

„Regelung“

dq0-Transformation

Feldorientierung… man „sitzt“ quasi – wie das feldorientierte Koordinatensystem –

auf dem Rotor und rotiert mitsamt dem magnetischen Feld

B

If

B

… dann kann man die gleichen Gleichungenwie bei der Gleichstrommaschine verwenden

e.g. Induction motor stator – steady state -

3 phases, alternating current, alternating flux

rotating field

Simplest representation = 2 coils with dc current

rotating with field

This is exactly what a phasor diagram does –

magnitude and angle, synchronously rotating

FeldorientierungPark‘sche Gleichungen

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

3:2 Phase Transformation

The , coils need to mimic the mmfs from the a,b,c coils – assume same turns

in , coils as in a,b,c and first harmonic only:-

cbcba

cbacba

i2

3i

2

3)150cos(i)30cos(i)90cos(ii

i2

1i

2

1i)240cos(i)120cos(i)0cos(ii

i C i

i

i

i

i

i

old new

a

b

c

1 12

12

03

2

3

2

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

Clarke

Rotating to Fixed Axes Transformation

e.g. Synchronous or Induction machine needs

first 3:2:- then rotating to fixed:-

i

i

i

i

v

v

v

v

d

q

d

q

cos sin

sin cos

cos sin

sin cos

Note that [C]t*=[C]-1 for this transformation

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

Park

Rkq

d

Xaq

XlIq Ra

Vq

Xkq

q axis

Sieht dem elektrischen Ersatzschaltbild

der Gleichstrommaschine sehr ähnlich

die Synchronmaschine lässt sich in Feldkoordinaten

wie eine Gleichstrommaschine regeln

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

Sensorless control for PMSM

PMSM and Field oriented control

Model of PMSM

Clark Transformation

Park Transformation

Institute for Electrical Drive Systems & Power Electronics Student Jiangtao Lu, Technische Universität München

12

Feldorientierte RegelungStromregelung in Feldkoordinaten

Feldorientierte RegelungStromregelung in Statorkoordinaten

„Regelung“(Spezialthemen)

Geberlose Regelung

Konzepte für elektrische Antriebe mit geberloser Regelung

werden seit einigen Jahr(zehnt)en untersuch

und auf Fachkonferenzen sowie in Fachzeitschriften veröffentlicht

- die Akzeptanz in der Industrie ist jedoch eher verhalten

Warum ?neue Konzepte sind für Industrieanwendungen nur dann interessant,

wenn sie nicht mit höheren Kosten oder höherem Aufwand verbunden sind !!

Was bedeutet dasfür Industrial-Antriebe mit geberloser Regelung ?

keine zusätzlichen oder leistungsfähigeren Prozessoren / Mikrocontroller

keine zusätzliche Hardware oder zusätzliche Sensoren (z. B. Spannungssensoren)

kein erhöhter Inbetriebnahmeaufwand durch Parameter-Einstellungen

aktuell haben sich die Erwartungen/Anforderungen der Industrie leicht gewandelt !

Was wird heute erwartet

von sensor-/geberlosen Regelungen für elektrische Antriebe ?

durchgängiges Konzept für den kompletten Drehzahlregelbereich

geringe bzw. gar keine Zusatzgeräusche

einzustellende Parameter werden nicht mehr als großes Problem betrachtet !

Konzepte für elektrische Antriebe mit geberloser Regelung

werden seit einigen Jahr(zehnt)en untersuch

und auf Fachkonferenzen sowie in Fachzeitschriften veröffentlicht

- die Akzeptanz in der Industrie ist jedoch eher verhalten

Warum ?

geberlose Regelverfahren

Grundwellenmodelle Modelle, die auf Anisotropien basieren

EMK-Modell,

-Beobachter

dq-Induktivitäten ...Sättigung(Hauptfeld)

... Rotornut

Effekte

Modulation des

magn. Flusses

Page 19

fundamental model based

position estimation

when knowing voltage

as well as current

it is possible to

estimate rotor speed

and rotor position

Folie 20

Eigenschaften von geberlosen Regelungskonzepten

Page 21

Resolver

Statorue

RotoruR

Statoru2

Statoru1

R1

R2

S1 S3

S4

S2

u2(

0

u1(

0

Tamagawa

Einspeisung von

stationären (sinusoörmigen)

Hochfrequenzsignalen

zweidimensionale Erfassung

stationärer (sinusförmiger)

Antwortsignale

… das gleiche Prinzip kann man auchbei der elektrischen Maschine selbst anwenden

Folie 22

Injektion von hochfrequenten rotierenden Zeigern

Rotierender Spannungsraumzeiger uc Elliptische Stromantwort ic

… das gleiche Prinzip kann man auchbei der elektrischen Maschine selbst anwenden

Folie 23

Lageinformation in hochfrequenten rotierenden Zeigern

• Maschine reagiert auf

rotierenden Spannungszeiger mit

elliptischer Stromantwort

• Ellipse ist mit der Rotoranisotropie

oder

mit der Sättigungsanisotropie

korreliert

• Lageinformation bzgl. des Rotors

ist im hochfrequenten Strom

enthalten Elliptische Stromantwort ic (rotierend)

B

Lageinformation in hochfrequenten rotierenden Zeigern

was wird gemessen,

wenn die Synchronmaschine

keine geometrische Anisotropie hat ?

die durch magnetische Sättigung

erzeugte Anisotropie !!

Achtung ! … diese ist nicht mit dem Läufer,

sondern mit dem Hauptfluss gekoppelt

Frage : … gibt es dann unter Last

eine Ankerrückwirkung ?

eigentlich ja !!!

Folie 25

Vergleich des geschätzten Winkels

mit dem gemessenen Referenzwinkel

ohne Belastung

Vergleich des geschätzten Winkels

mit dem gemessenen Referenzwinkel

bei Bemessungslast

warum ist die

„Ankerrückwirkung“

so gering ???

Genauigkeit der Winkelschätzung

Folie 26

Genauigkeit der Winkelschätzung(bei Synchron-/Servomotoren mit oberflächenmontierten Selten-Erd-Magneten)

warum ist die

„Ankerrückwirkung“

so gering ???

weil die bei Servomotoren üblichen Rotorkonstruktionen

ein lastabhängiges Verdrehen des Hauptfeldes kaum zulassen

Betrieb im geschlossenen Regelkreis (bei Nennlast)

Betrieb bei geringer Drehzahl an vorgegebenen Positionen

Betrieb im geschlossenen Regelkreis (bei Nennlast)

Betrieb bei geringer Drehzahl an vorgegebenen Positionen

Page 29

Conclusion

• The sensorless control scheme presented here

does not need additional voltage measurement devices

- neither on the machine/motor side nor on the line side

no additional or more powerful processors / controllers

no additional hardware or additional sensors (e. g. voltage sensors)

no increased installation effort with respect to parameter adjustments

• The proposed estimation method is simple

and therefore suitable for usual microcontrollers

• The phase tracking method

is very robust to variations of the system parameters

„Regelung“(Spezialthemen)

MTPA-Regelung ("Maximum Torque per Ampere“)

Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine

Grunddrehzahl-bereich

Feldschwäch-bereich

… das MTPA-Konzept lässt sich allerdings besseram Beispiel der Asynchronmaschine odereiner elektrisch erregten Synchronmaschine erklären

… bei permanentmagneterregten Maschinenlässt sich eine Feldschwächung

durch Phasenverschiebung der Strömegegenüber der Rotorposition erreichen

Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine

Grunddrehzahl-bereich

Feldschwäch-bereich

… oberhalb der Bemessungsdrehzahlwird der Motor mit maximaler Spannung betrieben

… unterhalb der Bemessungsdrehzahlwird der Motor mit konstantem Feldstrom betrieben

MTPA-Regelung

… unterhalb der Bemessungsdrehzahlwird der Motor mit konstantem Feldstrom betrieben

… im Teillastbereich wird klar : der volle Feldstrom wäre nicht notwendig

… das gleiche Drehmomentkönnte auch mit einem Bruchteil des Feldstroms

eingestellt werden

… bei geringerem Gesamtstrom höherer Wirkungsgrad

Nachteile

• geringerer Feldstrom

geringere Dynamik

• optimaler Feldstrom

stark arbeitspunktabhängig

MTPA-Regelung„optimaler Strom“ in Abhängigkeit von Feldstrom und Last

MTPA-Regelung„optimaler Feldstrom“ in Abhängigkeit von der Last

Vergleich der Strömebei unterschiedlichen Verhältnissen

zwischen d- und q-Strom

08.12.2016 37

Maximum Torque per AmpèreMTPA bei Synchronmaschinen

Grenzlinie/Bereichdes maximalen Stroms

Grenzlinien/Bereicheder maximalen Spannung

(abhängig von Drehzahl)

Kennlinienkonstanten Drehmoments

Kennlinie des maximalenDrehmoment/Strom-Verhältnisses

08.12.2016 38

Read ωe

and iq

ωe< ω’eB?

MTPA

control

yes

max.

current

control

iq > i’q?no

yes

min. field

weakening

or MTPA

no

Maximum Torque per AmpèreMTPA bei Synchronmaschinen

Maximum Torque per Ampère„Fahrplan“ beim Beschleunigung von Synchronmaschinen

Beschleunigung im „Grunddrehzahlbereich“auf MTPA-Kennlinie

Beschleunigung im „Feldschwächbereich“Maximalstrom-Kennlinie

Leerlauf im „Feldschwächbereich“(„ohne“ Strom)