WO1996017180A1 - Verfahren zur kompensation von periodischen rüttelkräften in einer elektrischen drehfeldmaschine - Google Patents

Verfahren zur kompensation von periodischen rüttelkräften in einer elektrischen drehfeldmaschine Download PDF

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WO1996017180A1
WO1996017180A1 PCT/IB1995/000020 IB9500020W WO9617180A1 WO 1996017180 A1 WO1996017180 A1 WO 1996017180A1 IB 9500020 W IB9500020 W IB 9500020W WO 9617180 A1 WO9617180 A1 WO 9617180A1
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rotor
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drive flow
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PCT/IB1995/000020
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Reto Schöb
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Sulzer Electronics Ag
Lust Antriebstechnik Gmbh
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0444Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0451Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
    • F16C32/0453Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control for controlling two axes, i.e. combined control of x-axis and y-axis

Definitions

  • the invention relates to a method for compensating for periodic vibrating forces in an electric induction machine with a special winding for the combined generation of a torque and a lateral force in the same, the lateral force F acting perpendicularly on the rotor and being adjustable in magnitude and direction as desired, and wherein
  • control winding is fed with a control current i ⁇ 2 independent of the drive current igj of the drive winding
  • control current -S2 2 necessary for a desired shear force F, which is considered in the p2 plane, is determined in a coordinate system (T) rotating with the angle ⁇ ⁇ ,
  • This control method takes into account all the shear forces occurring in an idealized machine (without taking into account the slot harmonics and winding harmonics, geometric and electrical asymmetries in the flux circuit, the anisotropy of the magnetic train, the material saturation and the unbalance forces acting on the rotor), and allows idealized conditions for each operating state Machine the precise control of the shear force vector.
  • the above-mentioned periodic vibrating forces are compensated for by a pilot control which depends on the flow angle, the mechanical rotor angle, the flow angle speed and the mechanical rotor angular speed and which acts on the desired force (at the input of the control method) or on the control current.
  • Linear and non-linear errors in the control of the shear force vector are also compensated by a rotational stretching of the control current vector which is dependent on the flow vector.
  • the correction signal can be applied at the force control input of the control current calculation block as pilot force, at the output of the control current calculation block as pilot current in stator coordinates or within the control current calculation block, before the rotary transformation as pilot current in the coordinate system circulating with the drive flow.
  • the periodic vibrating forces can now have different causes, some of these vibrating forces are periodically linked to the geometric drive flow angle and another Periodically linked part with the mechanical rotor angle. If the geometric drive flow angle is itself rigidly coupled to the mechanical rotor angle, which is the case for synchronous machines (which also includes reluctance and stepper motors), the periodicity of the aforementioned vibratory force components coincide. They can thus be corrected together using a single pilot control signal linked to the mechanical rotor angle or the (possibly out of phase) geometric drive flow angle.
  • a further idea of the invention corresponds to the idea of determining the vibrating forces in a measurement run for each transverse force motor individually by direct measurement or from other measurement parameters such as the rotor position. Since some of the vibrating forces (e.g. unbalance forces) are dependent on the speed, it is necessary to carry out the measurements for different speeds. Likewise, with variable drive flow (e.g. when operating in the field weakening area), it is necessary to carry out the measurements for different drive flow amounts. By averaging over several revolutions, all disturbances that are not correlated with the measurement angle can be filtered out of the measurement signal. Some of the vibratory forces are not speed-dependent. In the event that a lateral force controller or a position controller with an integral component is superimposed on the machine. For example, the controller signals can be recorded for one revolution or averaged over several revolutions over the geometric drive flow angle in a measurement run at a very low drive flow angle speed and then used in operation as a pilot control signal.
  • the simplest case (constant flow amount without taking Lorentz interference forces into account) is shown here, in which the control current j S2 ' P: is directly proportional to the desired force vector E *.
  • Fig. 2 The possible entry points for pilot control signals to compensate for periodic vibrating forces in the signal flow diagram of the control process.
  • Fig. 3 feedforward control on the power control input (E *) with the feedforward force F in the event that the geometric drive flow angle is rigidly coupled to the mechanical rotor angle (synchronous machine).
  • Fig. 5 pilot control on the control current 1 S2 in the stator coordinate system (S) with the pilot current ig for the case that the geometric drive flow angle is rigidly coupled to the mechanical rotor angle (synchronous machine).
  • Fig. 6 feedforward control on the force control input (E *) with the feedforward force F coupled to the geometrical drive flow angle and that to the mechanical one
  • Rotor angle coupled pilot force F in the event that the geometric drive flow angle is not rigidly coupled to the mechanical rotor angle (induction machine).
  • Fig. 7 feedforward to the control current i S2 'P2 in the rotating with the drive flux coordinate system (T) with the coupled to the geometrical drive flux angle pre-control current i S2' P: and coupled to the mechanical rotor angle
  • the core of this control method is shown in FIG. 1.
  • the control current required for a desired force effect which is represented in the figure by the vector components i S2d ' P2 ⁇ and -s q , is in a coordinate system (T) rotating with the flow vector and additionally rotated by a fixed angle. certainly.
  • the control current target vector calculated in this way is transformed into the stator coordinate system by rotation by the angle p P (17).
  • Transformation angle p P2 P Q + Ys w * rc - ongoing from the im
  • Stator coordinate system in the p- plane measured argument of the flux vector ⁇ s ' and a fixed angle of rotation P Q , which takes into account the twist of the two winding systems with respect to one another and with respect to the geometric x-axis.
  • REPLACEMENT SHEET (RULE 25) Taking into account the Lorentz disruptive forces and variable flow amount taking into account the Lorentz disruptive forces) are shown in the main patent.
  • the control process is based on an ideal machine. The prerequisites for this are: sinusoidal drive and control flow distribution, constant permeability of iron, geometric and electrical symmetry in the flow circuit, isotropy of the magnetic train and no unbalance forces.
  • the following deviations from the ideal model occur in the real machine: slot and winding harmonics, geometric and electrical asymmetries in the flux circuit, an anisotropy of the magnetic train when the rotor is deflected from the center, material saturation and imbalance.
  • These non-idealities of the machine lead to deviations between the desired shear force and the shear force actually acting on the rotor, in particular to periodic shaking forces. These vibrating forces are to be compensated for by feeding in periodic correction signals in said control method.
  • the correction signals can be fed to the following
  • Control current calculation block (10) as pilot control force F with the vector components F ⁇ and F y , at the output of the control current calculation block (10) as pilot control current ig 2 with the vector components is 2d and is g in stator coordinates or within the control current calculation block (10), before the rotational transformation as pilot control current is 2 'with
  • the vibrating forces are linked to the drive flow angle or a multiple thereof or to the mechanical rotor angle.
  • the former include all forces that arise due to non-idealities in the drive and control flow distribution.
  • the reasons for this are in particular: slot and winding harmonics with pairings of the form (p +) ⁇ (see “The windings of electrical machines” by Th. Bödefeld and H. Sequence, Springer-Verlag Vienna.
  • ERSATZBL JT (RULE 26) If the geometric drive flow angle is rigidly coupled to the mechanical rotor angle, which is the case for synchronous machines (which also include reluctance and stepper motors), the periodicity of the vibrating force components mentioned falls ziisairimen. They can thus be corrected together using a single pilot control signal linked to the mechanical rotor angle or the (possibly out of phase) geometric drive flow angle.
  • FIG. 3 The signal flow diagram for such compensation is shown in FIG. 3 for a pilot control on the force control input (E *) with the pilot control force F, in FIG. 4 for a pilot control on the control current i S2 ' P2 in the coordinate system (T) circulating with the drive flow with the
  • FIG. 7 shows the same case for a feedforward control to the control current
  • ERSATZBLAH (RULE 26) Drive flow rotating coordinate system (T). In this case, one of the mechanical
  • FIG. 8 shows the case of a feedforward control on the control current is i stator coordinate system (S). It is carried out analogously to the above-mentioned compensation in the stator coordinate system (S) instead of in the coordinate system (T) rotating with the drive flow.
  • REPLACEMENT SHEET (RULE 2f - become very time consuming. Since the vibrating forces associated with the mechanical rotor angle are dominated by an unbalance force rotating with the mechanical rotor frequency, it is possible to separate this unbalance force from the vibrating forces associated with the drive flow angle using a narrow-band filter that is matched to the mechanical rotor frequency.
  • the vibrating forces determined according to the above-mentioned method are stored in a memory chip as base values of a two-dimensional function table (as a function of the mechanical rotor angle and the mechanical rotor angle speed or as a function of the drive flow angle and the drive flow angle speed).
  • Writable, non-volatile memories such as NOVRAMs and EPROMs, in particular flash EPROMs, EEPROMs, are particularly suitable for this.
  • NOVRAMs and EPROMs in particular flash EPROMs, EEPROMs
  • EEPROMs electrically erasable programmable read-only memory
  • the current drive flow angle, the drive flow angle speed, the mechanical rotor angle and the rotor angle speed must always be known. Depending on these parameters, the base values of the two closest speeds are read out for each angle value.
  • the current values of the vibrating force vector are then determined component by component by interpolation between the spans. With knowledge of the vibratory force vector (separated according to the drive flow angle and the mechanical rotor angle), the pilot control signals necessary for compensation are then calculated.
  • the vibrating force vector can be directly negatively applied to the force setpoint.
  • the pilot control currents are then known with the knowledge of the current mechanical rotor angle and the rotor angular speed (for the case of the synchronous machine) and with additional knowledge of the drive flow angle and the drive flow angle speed (in the case of the
  • ERS ⁇ ZBL ⁇ T (RULE 26) Induction machine) determined directly by interpolation between two base values from the table. Analogously, offline calculation is also possible for current pre-control in the rotating coordinate system (T) and for force pre-control.
  • a better adaptation of the pilot control signals to the change in drive flow is achieved by adapting the extension factor as a function of the drive flow amount.
  • the corresponding function is determined in the measurement run and shown in a table with the help of reference points.
  • the parameter ⁇ is only varied at nominal speed and at exactly one angle value.
  • pilot control signals can be achieved by using the amount of drive flow ⁇ as an additional parameter in a three-dimensional pilot control function (F " ( ⁇ s , ⁇ , ⁇ s ), i ' ⁇ ' P2 coupled with the drive flow angle ) ( ⁇ s , r ', ⁇ s ) and i ' s ' ' P2) ( ⁇ s , ⁇ , ⁇ s ))
  • the pilot control functions can be carried out as described above in a measuring run using the direct or indirect measurement of the vibrating forces with the difference that now not only the speed but also the drive flow amount is varied, although the expansion described precisely adjusts the feedforward control to the amount of the drive flow, but the memory requirement for displaying the three-dimensional function increases a multiple, even if only ten bases are used to represent the dependency on the flow amount (which, for example represents the minimum), the storage requirement increases tenfold (approximately 52,000 supporting values of 8 bits). Since there are enough large
  • Example denotes the cross component of the drive current vector in
  • K_ Lorentz- interference constant K s " ⁇ '
  • Control current vector shown in the p plane ig2d Direct component of the control current vector shown in the p 2 plane is 2 Cross component of the control current vector in p 2 - Plane shown
  • Example: ig-) denotes the control current vector in stator coordinates, shown in the pj plane
  • Example: i_ 2 denotes the control current vector in a coordinate system rotating with the angle p P , shown in the p] plane
  • REPLACEMENT SHEET (RULE 2 X, Y axes of the geometric coordinate system (indices) x, y deflection of the rotor in the x, y direction
  • Example: i S2 ' P2 denotes the setpoint of the control current vector in
  • Example: isf ' P) denotes the pilot current vector in stator coordinates, shown in the p 2 plane "pilot variables coupled with the mechanical rotor angle
  • i S2 ' P2 ( ⁇ m , Cö m ) denotes the pilot current vector coupled with the mechanical rotor angle in stator coordinates, shown in the p 2 plane'"pilot variables coupled with the drive flow angle
  • i S2 ( ⁇ s , 0 s ) denotes the one coupled with the drive flow angle
  • Pilot current vector in stator coordinates shown in the p 2 plane E 'pilot force vector
  • REPLACEMENT SHEET REGE L 2 r -. ' ⁇ F y y component of the portion of the coupled with the mechanical rotor angle
  • F ⁇ f ( ⁇ m , ⁇ m ) means F ⁇ is a function of the quantities ⁇ m and ⁇ m ig2 pilot current vector (pilot control on the stator current of the control winding (S 2 ) with the number of pole pairs p 2 ig2d direct component of the pilot current vector
  • Pilot current vector (without specifying the reference coordinate system) ⁇ m mechanical rotor angle ⁇ s Argument of the drive flow vector (without specifying the reference system)
  • REPLACEMENT SHEET (REG ⁇ E ⁇ L o Orf ⁇

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Kompensation von periodischen Rüttelkräften in einer elektrischen Drehfeldmaschine mit Spezialwicklung zur kombinierten Erzeugung eines Drehmoments und einer Querkraft in derselben angegeben. Das erfindungsgemässe Verfahren geht aus von einem Steuerverfahren (10b), bei dem die auf den Rotor wirkende Querkraft über den Strom einer Steuerwicklung der Drehfeldmaschine gesteuert wird, indem der Sollwert des Steuerstromvektors in einem mit dem Maschinenfluss mitdrehenden Koordinatensystem bestimmt und hernach durch Vektordrehung (17) um den Flusswinkel (14) und einen konstanten Winkel ins Ständerkoordinatensystem der Steuerwicklung transformiert wird. Es geht aus von einem idealisierten Maschinenmodell. Beim Betrieb einer realen Maschine treten daher Abweichungen zwischen der gewünschten Querkraft und der real auf den Rotor wirkenden Querkraft auf. Insbesondere wirken auf den Rotor periodische Rüttelkräfte. Diese sollen nun beim erfindungsgemässen Verfahren durch eine vom mechanischen Rotorwinkel, von der Flusswinkelgeschwindigkeit und von der Rotorwinkelgeschwindigkeit abhängige Vorsteuerung auf die Sollkraft (F'x und F'y), auf den Steuerstrom im mitdrehenden Koordinatensystem (T) (a) und (b) oder auf den Steuerstrom im ständerfesten Koordinatensystem (S) (c) und (d) kompensiert werden.

Description

Verfahren zur Kompensation von periodischen Rüttelkräften in einer elektrischen Drehfeldmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von periodischen Rüttelkräften in einer elektrischen Drehfeldmaschine mit einer Spezialwicklung zur kombinierten Erzeugung eines Drehmomentes und einer Querkraft in derselben, wobei die Querkraft F senkrecht auf den Rotor wirkt und in Betrag und Richtung beliebig eingestellt werden kann und wobei
- die Ständerwicklung eine Antriebswicklung mit der Polpaarzahl p, und eine Steuer¬ wicklung mit der Polpaarzahl (p2 = P] ± 1), umfasst,
- die Steuerwicklung mit einem Steuerstrom i§2 unabhängig vom Antriebsstrom igj der Antriebswicklung gespeist wird,
- das in der p\ -Ebene dargestellte Argument des Antriebsflusses ys p ' bestimmt wird,
- der für eine gewünschte Querkraft F notwendige, in der p2-Ebene betrachtete Steuerstrom -S2 2 ) in einem mit dem Winkel γ^ umlaufenden Koordinatensystem (T) bestimmt wird,
- dieser Steuerstrom is ( 7 'P2 durch eine Koordinatendrehung um den Winkel p P2> _ p(P2> + γ() in ein ständerfestes Koordinatensystem (S) transformiert wird, und wobei durch den konstanten Winkel
Figure imgf000003_0001
' eine allfällige Verdrehung der Steuerwicklung und der Antriebswicklung im Ständer berücksichtigt wird.
Im schweizerischen Patentgesuch Nr. 00 056/94-7 ist ein Verfahren zur unabhängigen Steuerung des Drehmoments und einer auf den Rotor wirkenden Querkraft F in einer Drehfeldmaschine mit einer pj -polpaarigen und einer (p2 = P] ± 1) -polpaarigen Wicklung beschrieben. Dieses Steuerverfahren berücksichtigt alle in einer idealisierten Maschine (ohne Berücksichtigung der Nutoberwellen und Wicklungsoberwellen, von geometrischen und elektrischen Asymmetrien im Flusskreis, der Anisotropie des magnetischen Zugs, der Materialsättigung sowie der auf den Rotor wirkenden Unwuchtkräfte) auftretenden Querkräfte, und erlaubt für jeden Betriebszustand einer idealisierten Maschine die exakte Steuerung des Querkraftvektors.
Beim Betrieb an einer realen Maschine treten aufgrund der oben genannten Nichtidealitäten der Maschine Abweichungen zwischen der gewünschten Querkraft und der real auf den Rotor wirkenden Querkraft auf. Insbesondere wirken auf den Rotor periodische Rüttelkräfte die ihre Ursache in den oben genannten Nichtidealitäten der Maschine haben, was sich bei den bis jetzt bekannten Steuerverfahren als nachteilig erweist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Abweichungen zwischen der gewünschten Querkraft und der real auf den Rotor wirkenden Querkraft, insbesondere die periodisch auftretenden Rüttelkräfte durch zusätzliche Steuereingriffe zu kompensieren und damit die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird bei einem Steuerverfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch eine vom Flusswinkel, vom mechanischen Rotorwinkel, von der Flusswinkelgeschwindigkeit und von der mechanischen Rotorwinkelgeschwindigkeit abhängige Vorsteuerung, die auf die Sollkraft (am Eingang des Steuerverfahrens) oder auf den Steuerstrom wirkt, werden die oben genannten periodischen Rüttelkräfte kompensiert. Durch eine vom Flussvektor abhängige Drehstreckung des Steuerstromvektors werden zudem lineare und nichtlineare Fehler in der Steuerung des Querkraftvektors, wie sie aufgrund von Nut- und Wicklungsoberwellen und der Materialsättigung zustande kommen kompensiert.
Es werden also systeminhärente, periodische und damit vorhersehbare "Störkräfte", durch das Aufschalten entsprechender in der Gegenrichtung wirkender magnetischer Kräfte kompensiert. Die Aufschaltung des Korrektursignals kann am Kraftsteuereingang des Steuerstrom¬ berechnungsblocks als Vorsteuerkraft, am Ausgang des Steuerstromberechnungsblocks als Vorsteuerstrom in Ständerkoordinaten oder innerhalb des Steuerstromberechnungsblocks, vor der Drehtransformation als Vorsteuerstrom in dem mit dem Antriebsfluss umlaufenden Koordinatensystem erfolgen.
Da nun die periodischen Rüttelkräfte verschiedene Ursachen haben können, ist ein Teil dieser Rüttelkräfte mit dem geometrischen Antriebsflusswinkel periodisch verknüpft und ein anderer Teil mit dem mechanischen Rotorwinkel periodisch verknüpft. Ist der geometrische Antriebsflusswinkel seinerseits starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt, was für Synchronmaschinen (wozu ebenfalls Reluktanz- und Schrittmotoren zu rechnen sind) der Fall ist, so fällt die Periodizität der zuvor genannten Rüttelkraftanteile zusammen. Sie können somit gemeinsam durch ein einziges, mit dem mechanischen Rotorwinkel oder dem (allenfalls phasenverschobenen) geometrischen Antriebsflusswinkel verknüpftes Vorsteuersignal korrigiert werden. Ist der geometrische Antriebsflusswinkel jedoch nicht starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt, was für Induktionsmaschinen der Fall ist, so müssen die mit dem geometrischen Antriebsflusswinkel verknüpften Rüttelkräfte und die mit dem mechanischen Rotoπvinkel verknüpften Rüttelkräfte durch getrennte Vorsteuersignale kompensiert werden.
Es wäre nun denkbar, die periodischen Rüttelkräfte rechnerisch aufgrund der Abweichungen eines mit den genannten Nichtidealitäten ergänzten Modells für die Querkraftbildung von dem im schweizerischen Patentgesuch Nr. 00 056/94-7 beschriebenen idealen Modell zu bestimmen und anschliessend die zur Kompensation dieser Rüttelkräfte notwendigen Vorsteuersignale zu ermitteln. Dies ist allerdings nur möglich mit Nichtidealitäten, die bekannt sind (Nutung, Wicklungsoberwellen, ev. Materialsättigung). Viele Nichtidealitäten wie geometrische oder elektrische Asymmetrien, oder Unwuchten sind hingegen durch Fertigungstoleranzen bedingt und sind daher nicht im voraus bekannt.
Einem weiterfuhrenden Erfindungsgedanken entspricht die Idee, die Rüttelkräfte in einem Messlauf für jeden Querkraftmotor individuell durch direkte Messung oder aus anderen Messgrössen wie beispielsweise der Rotorposition zu bestimmen. Da ein Teil der Rüttelkräfte (beispielsweise Unwuchtkräfte) von der Drehzahl abhängig sind, ist es notwendig die Messungen für verschiedene Drehzahlen durchzuführen. Ebenso ist es bei variablem Antriebsfluss (z.B. Beim Betrieb im Feldschwächungsbereich) notwendig, die Messungen für verschiedene Antriebsflussbeträge durchzufuhren. Durch eine Mittelung über mehrere Umdrehungen können alle nicht mit dem Messwinkel korrelierte Störungen aus dem Messsignal herausgefiltert werden. Ein Teil der Rüttelkräfte ist nicht geschwindigkeitsabhängig. Für den Fall, dass der Maschine ein Querkraftregler oder ein Positionsregler mit Integralanteil überlagert ist. können in einem Messlauf bei sehr kleiner Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit die Reglersignale für einen Umlauf oder gemittelt über mehrere Umläufe über dem geometrischen Antriebsflusswinkel aufgezeichnet werden und anschliessend im Betrieb als Vorsteuersignal verwendet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausfuhrungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.
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ERSATZSLAT7 (REGEL 26) Es zeigen:
Fig.1 Den Signalflussplan des Kerns eines im schweizerischen Patentgesuch Nr. 00 056/94-7 näher beschriebenen Verfahrens zur unabhängigen Steuerung des Drehmoments und einer auf den Rotor wirkenden Querkraft in einer Drehfeldmaschine mit einer pr polpaarigen und einer (p = Pi ± l)-polpaarigen Wicklung. Dargestellt ist hier der einfachste Fall (konstanten Flussbetrags ohne Berücksichtigung der Lorentzstörkräfte) bei dem der Steuerstrom jS2 'P: direkt proportional zum gewünschten Kraftvektor E* ist.
Fig.2 Die möglichen Einspeisepunkte für Vorsteuersignale zur Kompensation von periodischen Rüttelkräften im Signalflussplan des Steuerverfahrens.
Fig. 3 Vorsteuerung auf den Kraftsteuereingang (E*) mit der Vorsteuerkraft F für den Fall, dass der geometrische Antriebsflusswinkel starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt ist (Synchronmaschine).
Fig. 4 Vorsteuerung auf den Steuerstrom iS2 ,P2 im mit dem Antriebsfluss umlaufenden
« YT n ^
Koordinatensystem (T) mit dem Vorsteuerstrom ig2 für den Fall, dass der geometrische Antriebsflusswinkel starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt ist (Synchronmaschine).
Fig. 5 Vorsteuerung auf den Steuerstrom 1S2 im Ständerkoordinatensystem (S) mit dem Vorsteuerstrom ig für den Fall, dass der geometrische Antriebsflusswinkel starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt ist (Synchronmaschine).
Fig. 6 Vorsteuerung auf den Kraftsteuereingang (E*) mit der an den geometrischen Antriebsflusswinkel gekoppelten Vorsteuerkraft F und der an den mechanischen
Rotorwinkel gekoppelten Vorsteuerkraft F für den Fall, dass der geometrische Antriebsflusswinkel nicht starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt ist (Induktionsmaschine).
Fig. 7 Vorsteuerung auf den Steuerstrom iS2 'P2 im mit dem Antriebsfluss umlaufenden Koordinatensystem (T) mit dem an den geometrischen Antriebsflusswinkel gekoppelten Vorsteuerstrom iS2 'P: und dem an den mechanischen Rotorwinkel gekoppelten
- 4 -
ERSÄΓZBLAΓT (REGEL 26) Vorsteuerstrom iS2 für den Fall, dass der geometrische Antriebsflusswinkel nicht starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt ist (Induktionsmaschine).
Fig. 8 Vorsteuerung auf den Steuerstrom iS2 'P: im Ständerkoordinatensystem (S) mit dem an den geometrischen Antriebsflusswinkel gekoppelten Vorsteuerstrom iS2 ,P2 und dem an den mechanischen Rotorwinkel gekoppelten Vorsteuerstrom ΪS2 für den Fall, dass der geometrische Antriebsflusswinkel nicht starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt ist (Induktionsmaschine).
(Die verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.)
Im schweizerischen Patentgesuch Nr. 00 056/94-7 wird -wie schon vorangehend beschrieben¬ em Verfahren zur unabhängigen Steuerung des Drehmoments und einer auf den Rotor wirkenden Querkraft in einer Drehfeldmaschine mit einer pj -polpaarigen und einer (p2 = Pj ± l)-pol- paarigen Wicklung offenbart.
Der Kern dieses Steuerverfahrens ist in Figur 1 dargestellt. In einem ersten Schritt wird der für eine gewünschte Kraftwirkung notwendige Steuerstrom, der in der Figur durch die Vektorkomponenten iS2d'P2^und -s q dargestellt ist, in einem mit dem Flussvektor umlaufenden und zusätzlich um einen festen Winkel gedrehten Koordinatensystem (T). bestimmt. In einem zweiten Schritt wird der so berechnete Steuerstromsollvektor durch Drehung um den Winkel p P ins Statorkoordinatensystem transformiert (17). Der
Transformationswinkel p P2 = PQ + Ys w*rc- laufend aus dem im
Statorkoordinatensystem, in der p- -Ebene gemessenen Argument des Flussvektors γs ' und einem festen Drehwinkel PQ , der die Verdrehung der beiden Wicklungssysteme zu einander und gegenüber der geometrischen x-Achse berücksichtigt, gebildet. Der konstante Anteil des Drehwinkels, p0 P2 ) ist durch die Beziehung pQ P ) = α0 + I0(.1)2 definiert, wobei α0 einer allfälligen Verdrehung der d-Achse der Antriebswicklung gegenüber der x-Achse des geometrischen Koordinatensystems und (Xi 2 einer allfälligen Verdrehung der d- Achsen von
Antriebs- und Steuerwicklung untereinander entspricht. Die Bestimmung des Steuerstroms im Koordinatensystem (T). aufgrund der gewünschten Querkraft ist auf vielfältige Weise denkbar. Verschiedene Möglichkeiten zur Ermittlung der Steuerströme im Koordinatensystem (T) (konstanter Flussbetrag ohne Berücksichtigung der Lorentzstörkräfte, variabler Flussbetrag ohne
ERSATZBLATT (REGEL 25) Berücksichtigung der Lorentzstörkräfte und variabler Flussbetrag mit Berücksichtigung der Lorentzstörkräfte) sind im Hauptpatent dargestellt. Das Steuerverfahren geht von einer idealen Maschine aus. Die Voraussetzungen hierfür sind: sinusförmige Antriebs- und Steuerflussverteilung, konstante Permeabilität des Eisens, geometrische und elektrische Symmetrie im Flusskreis, Isotropie des magnetischen Zugs und keine Unwuchtkräfte. In der realen Maschine treten die folgenden Abweichungen vom idealen Modell auf: Nut- und Wicklungsoberwellen, geometrische und elektrische Asymmetrien im Flusskreis, eine Anisotropie des magnetischen Zugs bei einer Auslenkung des Rotors aus dem Zentrum, Materialsättigung und Unwuchten. Diese Nichtidealitäten der Maschine fuhren zu Abweichungen zwischen der gewünschten Querkraft und der real auf den Rotor wirkenden Querkraft insbesondere zu periodischen Rüttelkräfte. Durch die Einspeisung von ebenfalls periodischen Korrektursignalen im besagten Steuerverfahren sollen diese Rüttelkräfte kompensiert werden.
Wie in Figur 2 gezeigt wird, kann die Einspeisung der Korrektursignale an den folgenden
* *
Punkten erfolgen: am Kraftsteuereingang (E* mit den Komponenten Fx und Fy ) des
Steuerstromberechnungsblocks (10) als Vorsteuerkraft F mit den Vektorkomponenten Fχ und Fy, am Ausgang des Steuerstromberechnungsblocks (10) als Vorsteuerstrom ig2 mit den Vektorkomponenten is2d und i-s g in Ständerkoordinaten oder innerhalb des Steuerstromberechnungsblocks (10), vor der Drehtransformation als Vorsteuerstrom is2' mit
YT n "ϊ YX n ^ den Vektorkomponenten ig2d unc^ -S2α *n <**em m't c*em Antriebsfluss umlaufenden Koordinatensystem (T).
Je nach Ursache sind die Rüttelkräfte mit dem Antriebsflusswinkel beziehungsweise einem Mehrfachen davon oder mit dem mechanischen Rotorwinkel verknüpft. Zu den ersteren gehören alle Kräfte die aufgrund von Nichtidealitäten in der Antriebs- und Steuerflussverteilung zu stand kommen. Ursachen hierfür sind insbesondere: Nut- und Wicklungsoberwellen mit Paarungen von der Form (p + )± (siehe hierzu "Die Wicklungen elektrischer Maschinen" von Th. Bödefeld und H. Sequenz, Springer-Verlag Wien. 1962), geometrische und elektrische Asymmetrien, Feldverzerrungen aufgrund der Materialsättigung und die Anisotropie der magnetischen Zugkraft im Falle einer Verschiebung des Rotors aus dem Zentrum, die insbesondere für den Fall einer zweipoligen Antriebsflussverteilung besonders stark wird (siehe hierzu "Finite Element Analysis of the Magnetic Forces Acting on an Eccentric Rotor of a High- Speed Induction Motor" von A. Arkkio und O. Lindgren, Proceedings of the Fourth International Symposium on Magnetic Bearings, ETH Zürich. August 1994). Zu den zweiteren gehören vor allem Unwuchtkräfte.
6 -
ERSATZBL JT (REGEL 26) Ist der geometrische Antriebsflusswinkel starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt, was für Synchronmaschinen (wozu ebenfalls Reluktanz- und Schrittmotoren zu rechnen sind) der Fall ist, so fällt die Periodizität der genannten Rüttelkraftanteile ziisairimen. Sie können somit gemeinsam durch ein einziges, mit dem mechanischen Rotorwinkel oder dem (allenfalls phasenverschobenen) geometrischen Antriebsflusswinkel verknüpftes Vorsteuersignal korrigiert werden.
Das Signalflussdiagramm für eine solche Kompensation ist in Figur 3 für eine Vorsteuerung auf den Kraftsteuereingang (E*) mit der Vorsteuerkraft F , in Figur 4 für eine Vorsteuerung auf den Steuerstrom iS2 'P2 im mit dem Antriebsfluss umlaufenden Koordinatensystem (T) mit dem
Vorsteuerstrom ! *'§(2T,p2 ) und in Figur 5 für eine Vorsteuerung auf den Steuerstrom iS •(S,p2) im Ständerkoordinatensystem (S) mit dem Vorsteuerstrom i§2 dargestellt. Da die Rüttelkräfte mit der Drehzahl variieren, müssen die Vorsteuersignale ebenfalls an die Drehzahl angepasst werden. Die Vorsteuerkraft und die Vorsteuerströme sind im oben genannten Fall somit Funktionen des mechanischen Rotorwinkels und der mechanischen Rotorwinkelfrequenz.
Es gilt: F
Figure imgf000009_0001
i f) mit
Figure imgf000009_0002
: *S'(2Sd'P2 ) - f(Ymm ) und i *gS2qj>> = f(γmm ).
Ist der geometrische Antriebsflusswinkel nicht starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt, was für Induktionsmaschinen der Fall ist, so müssen die mit dem geometrischen Antriebsflusswinkel verknüpften Rüttelkräfte und die mit dem mechanischen Rotorwinkel verknüpften Rüttelkräfte durch getrennte Vorsteuersignale kompensiert werden. Das Signalflussdiagramm für eine solche Kompensation ist in Figur 6 für eine Vorsteuerung auf den Kraftsteuereingang (E*) dargestellt. Es ist sowohl eine mit dem geometrischen
Antriebsflusswinkel gekoppelte Vorsteuerkraft F mit den Vektorkomponenten
Figure imgf000009_0003
Fx = f(γss) und F., = f(γss) als auch eine mit dem mechanischen Rotorwinkel
gekoppelte Vorsteuerkraft F = mit den Vektorkomponenten Fλ = f(γmm ) und
Figure imgf000009_0004
Fy = f(γ mm ) notwendig um Rüttelkräfte verschiedener Ursache zu kompensieren. Figur 7 zeigt den selben Fall für eine Vorsteuerung auf den Steuerstrom |S2 'P2 im mit dem
ERSATZBLAH (REGEL 26) Antriebsfluss umlaufenden Koordinatensystem (T). In diesem Fall wird ein vom mechanischen
Rotorwinkel und von der Rotorwinkelgeschwindigkeit abhängiger Vorsteuerstrom
Figure imgf000010_0001
Figure imgf000010_0002
= f(ym* ωm ) aufgeschaltet um die mit dem mechanischen Rotorwinkel verknüpften Rüttelkräfte zu kompensieren und ein vom geometrischen Antriebsflusswinkel und von der
Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit abhängiger Vorsteuerstrom 1S (T,P2 ) _
Figure imgf000010_0003
Vektorkomponenten ig = f(yss) und iS2q = f(γs, 0s) aufgeschaltet um periodische mit dem geometrischen Antriebsflusswinkel verknüpfte Rüttelkräfte zu kompensieren. Figur 8 zeigt den Fall einer Vorsteuerung auf den Steuerstrom is i Ständerkoordinatensystem (S). Sie wird analog der oben genannten Kompensation im Ständerkoordinatensystem (S) anstatt im mit dem Antriebsfluss umlaufenden Koordinatensystem (T) durchgeführt.
Das Hauptproblem in der Realisierung der beschriebenen Kompensation von periodischen Rüttelkräften besteht nun in der Ermittlung der hierzu notwendigen Vorsteuersignale. Bei genauer Kenntnis aller Nichtidealitäten welche zu den Rüttelkräften führen, wäre es prinzipiell denkbar, diese rechnerisch zu ermitteln. Leider sind viele der oben genannten Nichtidealitäten nicht im voraus bekannt. Anstatt diese Nichtidealitäten für jeden Querkraftmotor individuell (messtechnisch) zu bestimmen, ist es einfacher direkt die Rüttelkräfte zu ermitteln. Dies ist in jedem Fall durch direkte Messung der (über ein Lager) auf den Rotor wirkenden Kräfte in einem Messtand möglich. Viel einfacher geht dies natürlich, in Applikationen bei denen Sensoren für eine Querkraftregelung im System vorhanden sind. Häufiger dürften allerdings Anwendungen mit einer Rotorpositionsregelung sein wie beispielsweise alle Anwendungen des lagerlosen Elektromotors mit freischwebendem, positionsgeregeltem Rotor. Hier ist es möglich, die Rüttelkräfte auf aufgrund der regeltechnisch eingestellten Lagersteifigkeit und der Rotorauslenkung zu bestimmen. Da ein Teil der Rüttelkräfte (beispielsweise Unwuchtkräfte) von der Drehzahl abhängig ist, ist es notwendig, die Messungen für verschiedene Drehzahlen durchzuführen. Durch eine Mittelung über mehrere Umdrehungen können alle nicht mit dem Messwinkel korrelierte Störungen aus dem Messsignal herausgefiltert werden. Durch diese Massnahme ist es auch möglich, für den Fall der Induktionsmaschinen, die mit dem mechanischen Rotorwinkel verknüpften Rüttelkräfte von den mit dem Antriebsflusswinkel verknüpften Rüttelkräften zu trennen. Da die mechanische Rotorwinkelfrequenz und die Antriebsflusswinkelfrequenz bei der Induktionsmaschine sehr nahe beieinander liegen, ist eine Mittelung über sehr viele Umdrehungen notwendig um eine gute Trennung zu erhalten. In der Praxis sind für eine Drehzahl mehrere tausend Umläufe notwendig. Dadurch kann der Messlauf
- 8 -
ERSATZBLATT (REGEL 2f - sehr zeitraubend werden. Da die mit dem mechanischen Rotorwinkel verknüpften Rüttelkräfte durch eine mit der mechanischen Rotorfrequenz umlaufende Unwuchtkraft dominiert werden, ist es möglich, durch ein auf die mechanische Rotorfrequenz abgestimmtes, schmalbandigs Filter, diese Unwuchtkraft von den mit dem Antriebsflusswinkel verknüpften Rüttelkräften zu trennen. Die nach obgenannte Methode ermittelten Rüttelkräfte werden als Stützwerte einer zweidimensionalen Funktionstabelle (als Funktion des mechanischen Rotorwinkels und der mechanischen Rotorwinkelgschwindigkeit oder als Funktion des Antriebsflusswinkels und der Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit) in einem Speicherchip abgelegt. Hierfür eignen sich vor allem beschreibbare, nichtflüchtige Speicher wie NOVRAMs und EPROMs, insbesondere Flash -EPROMs, EEPROMs. Um einerseits den notwendigen Speicherbedarf klein zu halten und andererseits den Zeitbedarf für den Messlauf zu beschränken, werden nur eine beschränkte Anzahl von Stützwerten abgespeichert. In der Praxis reichen 128 Winkelwerte bei ca. 10 verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten, also 2560 Stützwerte (für die Darstellung beider Vektorkomponenten) für den Fall der Synchronmaschine und 5120 Stützwerte für den Fall der Induktionsmaschine.
Zur Ausführungszeit muss immer der aktuelle Antriebsflusswinkel, die Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit, der mechanische Rotorwinkel und die Rotorwinkelgeschwindigkeit bekannt sein. Abhängig von diesen Parametern werden für jeden Winkelwert die Stützwerte der beiden am nächsten liegenden Geschwindigkeiten ausgelesen. Der aktuelle Werte des Rüttelkraftvektors (getrennt nach Abhängigkeit vom Antriebsflusswinkel und vom mechanischen Rotorwinkel) wird dann Komponentenweise durch Interpolation zwischen den Stützweiten ermittelt. Mit Kenntnis des Rüttelkraftvektors (getrennt nach Abhängigkeit vom Antriebsflusswinkel und vom mechanischen Rotorwinkel) werden hiernach die zur Kompensation notwendigen Vorsteuersignale berechnet. Für den Fall der Kraftvorsteuerung kann der Rüttelkraftvektor (getrennt nach Abhängigkeit vom Antriebsflusswinkel und vom mechanischen Rotorwinkel) direkt negativ auf den Kraftsollwert aufgeschaltet werden. Für den Fall der Stromvorsteuerung im umlaufenden Koordinatensystem (T) ist bei konstantem Betrag des Antriebsflusses zusätzlich eine Multiplikation mit einem konstanten Faktor notwendig. Für den Fall der Stromvorsteuerung im ständerfesten Koordinatensystem (S) ist zusätzlich eine Drehtransformation vom Koordinatensystem (T) ins Koordinatensystem (S) notwendig. Aufgrund dieses Zusatzaufwands macht diese Variante in der Praxis wenig Sinn. Besser ist es hier, die Berechnung der Vorsteuerströme is2 (Ym* ωm ) beziehungsweise is- 'P2ss) und iS2 2mm ) aus den entsprechenden Rüttelkräften offline, während oder anschliessend an den Messlauf durchzuführen und diese Vorsteuerströme durch Stützwerte in Tabellenform abzuspeichern. Zur Ausfuhrungszeit (im Betrieb) werden die Vorsteuerströme dann mit Kenntnis des aktuellen mechanischen Rotorwinkels und der Rotorwinkelgeschwindigkeit (für den Fall der Synchronmaschine) und mit zusätzlicher Kenntnis des Antriebsflusswinkels und der Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit (im Fall der
- 9 -
ERSÄΓZBLÄΓT (REGEL 26) Induktionsmaschine) direkt durch Interpolation zwischen zwei Stützwerten aus der Tabelle bestimmt. Analog ist eine offline Berechnung auch für die Stomvorsteuerung im umlaufenden Koordinatensystem (T) und für eine Kraftvorsteuerung möglich.
In den bisherigen Ausführungen wurde von einem konstanten Antriebsflussbetrag Ψ ausgegangen. Diese Annahme ist für viele praktische Anwendungen zulässig, da der Antriebsflussbetrag nach dem im Patentgesuch Nr. 00 056/94-7 beschriebenen Verfahren geregelt wird und diese Regelung vielfach auf einen konstanten Werte erfolgt. Wird nun aber der Flussbetrag (beispielsweise im Feldschwächbetrieb) variiert, so hat dies insbesondere auf den mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelten Anteil der Rüttelkräfte einen Einfluss. Dieser Einfluss muss ebenfalls in der Kraftvorsteuerung berücksichtigt werden. Da der mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelte Anteil der Rüttelkräfte sich nahezu proportional zum Antriebsflussbetrag ändert, wird eine gute Anpassung schon dadurch erreicht, dass das mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelte Kraftvorsteuersignal direkt proportional mit dem Antriebsflussbetrag gestreckt wird. Für eine Stromvorsteuerung ist keine Anpassung an die Antriebsflussänderung notwendig.
Eine bessere Anpassung der Vorsteuersignale an die Antriebsflussänderung wird dadurch erreicht, dass der Streckungsfaktor als Funktion des Antriebsflussbetrags angepasst wird. Die entsprechende Funktion wird im Messlauf ermittelt und mit Hilfe von Stützstellen in einer Tabelle dargestellt. Der Parameter Ψ wird dabei nur bei Nenndrehzahl und bei genau einem Winkelwert variiert. Eine noch bessere Anpassung der Vorsteuersignale an die Antriebsflussänderung kann dadurch erreicht werden, dass der Betrag des Antriebsflusses Ψ als zusätzlicher Parameter in eine dreidimensionale, mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelte Vorsteuerfunktion ( F "s,ψ,ωs) , i' τ 'P2)s, r',ωs) und i' s ' 'P2)s,Ψ,ωs) ) eingeführt wird. Die Vorsteuerftinktionen lassen sich wie oben beschrieben in einem Messlauf über die direkte oder indirekte Messung der Rüttelkräfte ermitteln, mit dem Unterschied, dass nun zusätzlich nicht nur die Geschwindigkeit sondern auch der Antriebsflussbetrag variiert wird. Durch die beschriebene Erweiterung ist zwar eine exakte Anpassung der Vorsteuerung an den Betrag des Antriebsflusses gegeben, der notwendige Speicherbedarf für die Darstellung der dreidimensionalen Funktion steigt allerdings um ein Vielfaches. Wenn auch nur zehn Stützpunkte für die Darstellung der Abhängigkeit vom Flussbetrag gebraucht werden (was etwa das Minimum darstellt), so verzehnfacht sich der Speicherbedarf (Etwa 52O00 Stützwerte a 8 Bit). Da heute genügend grosse und kostengünstige Speicherchips zur Verfügung stehen, ist dieser Nachteil nicht allzu schwerwiegend. Der Zeitbedarf für den Messlauf (der sich ebenfalls verzehnfacht), könnte allerdings bei gewissen Anwendungen gegen die oben erwähnte Variante zur Ermittlung der Vorsteuersignale sprechen.
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ERSATZBLÄTT (REGEL 26) Bezugszeichenliste
1 Antriebswicklungsgrösse (Indizes)
2 Steuerwicklungsgrösse (Indizes)
3 Drehfeldmaschine mit einer pj -polpaarigen Antriebswicklung und einer (p2 = Pj ± 1) -polpaarigen Steuerwicklung
3a Asynchronmaschine zur Querkraft- und Drehmomentbildung
3b Synchronmaschine zur Querkraft- und Drehmomentbildung
4 Steuerwicklung
5 Antriebswicklung
6 Rotor
7 Flussmesssonden
9 Steuergerät
10 Steuerstromberechnung
10a Steuerstromberechnung mit vollständiger Entkopplung
10b Steuerstromberechnung mit teil weiser Entkopplung
11 Stromspeisegerät für Steuerwicklung
12 zweite Mittel
13 Flussberechnung- und Transformation
14 Antriebsgrössen
15 erste Mittel
16a vollständige Entkopplung
16b teilweise Entkopplung
17 Koordinatentransformation (T->S)
d Direkt-Komponente (dq-Darstellung)
E Querkraftvektor
Fx x-Komponente des Querkraftvektors
Fy y-Komponente des Querkraftvektors
(F) Antriebsflussorientiertes Koordinatensystem
Beispiel:
Figure imgf000013_0001
bezeichnet die Quer-Komponente des Antriebsstromvektors in
Antriebsflusskoordinaten in der p« -Ebene dargestellt KL Lorentz-Nutzkraftraftkonstante: für Synchronmaschine KL = 2r^, , für Asynchronmaschine KL = 0 KM Maxwell-Kraftkonstante: KM = 4^,^-
K_ Lorentz- Störkraftkonstante Ks = "^ '
- 1 1 -
ERSAΓZBLATT (REGEL 26Ϊ Kpx Kraftkonstante in x-Richtung
Kpy Kraftkonstante in y-Richtung
K§x Störkraftkonstante in x-Richtung
Ksy Störkraftkonstante in y-Richtung i gPl Antriebsstromvektor in der p • -Ebene dargestellt igP]j Direkt-Komponente des Antriebsstromvektors in der p- -Ebene dargestellt
-&lq Quer-Komponente des Antriebsstromvektors in der p- -Ebene dargestellt ij22 Steuerstromvektor in der p -Ebene dargestellt ig2d Direkt-Komponente des Steuerstromvektors in der p2 -Ebene dargestellt is 2 Quer-Komponente des Steuerstromvektors in der p2-Ebene dargestellt
1 Länge des Rotors
L* Hauptinduktivität der Antriebswicklung
L* Hauptinduktivität der Steuerwicklung m Phasenzahl, Strangzahl mg Masse des Rotors
M Drehmoment
Mj inneres Maschinendrehmoment
ML Lastdrehmoment p Polpaarzahl
Pl Polpaarzahl der Antriebswicklung p2 Polpaarzahl der Steuerwicklung
(pj) Abbildungsebene mit der Poplaarzahl pj
(p->) Abbildungsebene mit der Poplaarzahl p2 q Quer-Komponente (dq-Darstellung)
R Rotor r Radius des Rotors
S Stator
(S) Statororientiertes Koordinatensystem
Beispiel: ig-) bezeichnet den Steuerstromvektor in Statorkoordinaten, in der pj -Ebene dargestellt
(T) mit dem Winkel p umlaufendes Koordinatensystem
Beispiel: i_2 bezeichnet den Steuerstromvektor in einem mit dem Winkel p P umlaufenden Koordinatensystem, in der p] -Ebene dargestellt
| Windungszahl der Antriebswicklung w2 Windungszahl der Steuerwicklung
- 12 -
Λ
ERSATZBLATT (REGEL 2 X,Y Achsen des geometrischen Koorninatensystems (Indizes) x,y Auslenkung des Rotors in x,y-Richtung
* Sollgrössen, Steuergrössen
Beispiel: iS2 'P2 bezeichnet den Sollwert des Steuerstromvektors in
Statorkoordinaten, in der pj -Ebene dargestellt dg Verdrehung der d-Achse der Antriebswicklung gegenüber der x-Achse des geometrischen Koordinatensystems (Xi 2 Verdrehung der d-Achsen von Antriebs- und Steuerwicklung γm mechanischer Rotorwinkel γ 5 Argument des Antriebsflussvektors, in der p j -Ebene dargestellt μ0 magnetische Feldkonstannte im Vakuum π Kreiskonstannte
Ψi Betrag des Antriebsflusses
Ψ] ' Antriebsflussvektor in der p < -Ebene dargestellt p P: Verdrehung des zur Berechnung des Steuerstromsollvektors verwendeten
Koordinatensystems (T) gegenüber dem Statorkoordinatensystem in der p -Ebene gemessen P 2 Zeitinvarianter Anteil von p P2 ωm mechanische Drehfrequenz
CDR Rotor-Drehfrequenz (Schlupffrequenz)
' Vorsteuergrössen, Kompensationsgrössen
Beispiel: isf'P ) bezeichnet den Vorsteuerstromvektor in Statorkoordinaten, in der p2-Ebene dargestellt " mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelte Vorsteuergrössen
Beispiel: iS2 'P2m ,Cöm ) bezeichnet den mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelten Vorsteuerstromvektor in Statorkoordinaten, in der p2-Ebene dargestellt '" mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelte Vorsteuergrössen
Beispiel: iS2s, 0s) bezeichnet den mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelten
Vorsteuerstromvektor in Statorkoordinaten, in der p2-Ebene dargestellt E' Vorsteuerkraftvektor
Fx x-Komponente des Vorsteuerkraftvektors
Fy y-Komponente des Vorsteuerkraftvektors
E" Mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelter Anteil des Vorsteuerkraftvektors
Fx x-Komponente des mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerkraftvektors
- 13
***r
ERSATZBLATT (REGE L 2r-.'\ Fy y-Komponente des mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerkraftvektors
E1" Mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelter Anteil des Vorsteuerkraftvektors
Fx x-Komponente des mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerkraftvektors
Fy y-Komponente des mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerkraftvektors f(a,b) Funktion von a und b
Beispiel: Fχ = f(γmm ) heisst Fχ ist eine Funktion der Grossen γm und ωm ig2 Vorsteuerstromvektor (Vorsteuerung auf den Ständerstrom der Steuerwicklung (S2) mit der Polpaarzahl p2 ig2d Direkt-Komponente des Vorsteuerstromvektors
-S2q Quer-Komponente des Vorsteuerstromvektors
Js2 Mit *^em mechanischen Rotorwinkel gekoppelter Anteil des Vorsteuerstromvektors
(ohne Angabe des Bezugskoordinatensystems) i«52d Direkt-Komponente des mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerstromvektors (ohne Angabe des Bezugskoordinatensystems)
-S2q Quer-Komponente des mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerstromvektors (ohne Angabe des Bezugskoordinatensystems)
•'"(D )
!S2 Mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelter Anteil des Vorsteuerstromvektors (ohne
Angabe des Bezugskoordinatensystems)
-S2d Direkt-Komponente des mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerstromvektors (ohne Angabe des Bezugskoordinatensystems) *S2q Quer-Komponente des mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerstromvektors (ohne Angabe des Bezugskoordinatensystems) γm mechanischer Rotorwinkel γ s Argument des Antriebsflussvektors (ohne Angabe des Bezugssystems)
Ψi Betrag des Antriebsflusses ωm mechanische Rotorwinkelfrequenz (identisch mit mechanischer Drehfrequenz) ωs Antriebsflusswinkelfrequenz
14 -
ERSATZBLATT (REG τEιL o Orf \

Claims

P A T E N T A N S P R U E C H E
1. Verfahren zur Kompensation von periodischen Rüttelkräften in einer elektrischen Drehfeldmaschine mit einer Spezialwicklung zur kombinierten Erzeugung eines Drehmomentes und einer Querkraft in derselben, wobei die Querkraft F senkrecht auf den Rotor wirkt und in Betrag und Richtung beliebig eingestellt werden kann und wobei
- die Ständerwicklung eine Antriebswicklung mit der Polpaarzahl pj und eine Steuer¬ wicklung mit der Polpaarzahl p = pj ± umfasst,
- die Steuerwicklung mit einem Steuerstrom is2 unabhängig vom Antriebsstrom ig ] der Antriebswicklung gespeist wird,
- das in der p j -Ebene dargestellte Argument des Antriebsflusses γ !.P| bestimmt wird,
- der für eine gewünschte Querkraft F* notwendige, in der p -Ebene betrachtete Steuerstrom iS2 'P ^ in einem mit dem Winkel Y^ ' umlaufenden Koordinatensystem (T) bestimmt wird,
- dieser Steuerstrom iS2 'P2 -1 durch eine Koordinatendrehung um den Winkel p 2> _ p(F 2) + γ() jn ein ständerfestes Koordinatensystem (S) transformiert wird, wobei durch den konstanten Winkel pQ P2 eine allfällige Verdrehung der Steuerwick¬ lung und der Antriebswicklung im Ständer berücksichtigt wird,
- 15
ERSATZBLATT (REGEL 25) dadurch gekennzeichne , dass
- auf den Rotor wirkende Rüttelkräfte die periodisch mit dem geometrischen
Antriebsflusswinkel oder dem mechanischen Rotorwinkel verknüpft sind, durch eine vom Antriebsfluss (Winkel und Betrag), von der Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit und/oder vom mechanischen Rotorwinkel sowie von der mechanischen Rotorwinkel¬ geschwindigkeit abhängige Vorsteuerung des Querkraftsollwertes oder des Steuer¬ stroms kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Kompensation erfolgt, indem bei einer Synchronmaschine oder einer Reluktanzmaschine zu den Komponenten Fx und Fy des Kraftsollwertes E* eine vom mechanischen Rotorwinkel und von der Rotorwinkelgeschwindigkeit abhängige
Vorsteuerkraft F = mit den Vektorkomponenten Fx = f(γmm) und
Figure imgf000018_0001
Fy = f (γ m , ω m ) hinzu addiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne , dass
- die Kompensation erfolgt, indem bei einer Induktionsmaschine zu den Komponenten * *
Fχ und F. des Kraftsollwertes E erstens eine vom geometrischen
Antriebsflusswinkel und von der Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit abhängige
Vorsteuerkraft F = und
Figure imgf000018_0002
F. = f (γ s , ω s ) und zweitens eine vom mechanischen Rotorwinkel und von der Rotorwinkelgeschwindigkeit ftf\ abhängige Vorsteuerkraft F = mit den Vektorkomponenten Fλ = f(γmm) und F., = f (γ m , ω m ) hinzu addiert wird.
16-
ERSATZBLATT fRECEL 26^ 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichne , dass in einem Messlauf für verschiedene Drehzahlen die auf den Rotor wirkende Rüttelkraft in Abhängigkeit vom mechanischen Rotorwinkel messtechnisch oder rechnerisch aus anderen Grossen wie aus der Rotorposition bestimmt und über mehrere Perioden des mechanischen Rotorwinkels gemittelt als Funktionstabelle in Abhängigkeit von der Rotorposition und von der Drehzahl abgespeichert wird, anschliessend im Betrieb die Werte der Funktionstabelle abhängig vom mechanischen Rotorwinkel und von der mechanischen Drehzahl wieder ausgelesen werden, falls notwendig zwischen zwei Tabellenwerten interpoliert wird und die so erhaltene Kraft
nach einem Vorzeichenwechsel als Vorsteuerkraft F mit den
Figure imgf000019_0001
Vektorkomponenten Fx = f(γmm) und Fy = f(γmm) zum Kraftsollwert E*
* * mit den Komponenten Fχ und Fv hinzu addiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Messlauf für verschiedene Antriebsflusswinkelgeschwindigkeiten die auf den Rotor wirkende Rüttelkraft in Abhängigkeit vom Antriebsflusswinkel messtechnisch oder rechnerisch aus andren Grossen wie aus der Rotorposition bestimmt und über sehr viele Perioden des geometrischen Antriebsflusswinkels gemittelt und nach einem Vorzeichenwechsel als Funktionstabelle in Abhängigkeit vom geometrischen Antriebsflusswinkel und der Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit als Vorsteuerkraft
mit den Vektorkomponenten Fx =f(γss) und Εy =f(γss)
Figure imgf000019_0002
abgespeichert wird,
im gleichen Messlauf für verschiedene Rotorwinkelgeschwindigkeiten die auf den Rotor wirkende Rüttelkraft in Abhängigkeit vom Rotorwinkel messtechnisch oder rechnerisch aus andren Grossen wie aus der Rotorposition bestimmt und über sehr viele Perioden des Rotorwinkels gemittelt und nach einem Vorzeichenwechsel als Funktionstabelle in Abhängigkeit vom Rotorwinkel und der
Rotorwinkelgeschwindigkeit als Vorsteuerkraft F mit den
Figure imgf000020_0001
Vektorkomponenten Fx = f(γmm ) und Fy = f(γmm ) abgespeichert wird,
- anschliessend im Betrieb die Werte der Funktionstabelle abhängig vom mechanischen Rotorwinkel, vom geometrischen Antriebsflusswinkel, von der mechanischen Drehzahl und von der Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit wieder ausgelesen werden, falls notwendig zwischen zwei Tabellenwerten inteφoliert wird und die so erhaltenen Vorsteuerkräfte E und E " zum Kraftsollwert E* hinzu addiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- der Maschine ein Querkraftregler oder ein Positionsregler mit Integralanteil überlagert ist,
- in einem Messlauf bei sehr kleiner Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit die Reglersignale für einen Umlauf oder gemittelt über mehrere Umläufe über dem geometrischen Antriebsflusswinkel in einer Tabelle abgespeichert werden und anschliessend im Betrieb die Tabellenwerte abhängig vom geometrischen Antriebsflusswinkel wieder ausgelesen und als Vorsteuerkraft E " zum Kraftsollwert
E* hinzu addiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- die auf den Rotor einer Synchronmaschine oder einer Reluktanzmaschine wirkenden Rüttelkräfte kompensiert werden, indem zu dem nach dem schweizerischen Patentgesuch Nr.00056/94-7, im Koordinatensystem (T) als Vektor bestimmten
Figure imgf000021_0001
Rotorwinkelgeschwindigkeit abhängiger Vorsteuerstroms is2 mit den
Figure imgf000021_0002
Vektorkomponenten
Figure imgf000021_0003
= f (γ m , ω m ) und
Figure imgf000021_0004
= f (γ m , ω m ) hinzu addiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- die auf den Rotor einer Induktionsmaschine wirkenden Rüttelkräfte kompensiert werden, indem nach Patentgesuch Nr.00056/94-7, im Koordinatensystem (T) als
Vektor bestimmten Steuerstrom jS2 'P2'
Figure imgf000021_0005
erstens ein vom mechanischen Rotorwinkel und von der Rotorwinkelgeschwindigkeit
abhängiger Vorsteuerstrom "(T.PΪ) _ iS2 mit den Vektorkomponenten
Figure imgf000021_0006
*S2d =f(γmm) und is q = f(Ym*ωm) h*11211 addiert wird um die mit dem mechanischen Rotorwinkel verknüpften, auf den Rotor wirkenden periodischen Rüttelkräfte zu kompensieren und zweitens ein vom geometrischen Antriebsflusswinkel und von der
Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit abhängiger Vorsteuerstrom iS2 (T,P2) _
Figure imgf000021_0007
mit den Vektorkomponenten is2d'P2) = f(Ys»ωs) *S2q'P2 ^( s*ωs) hinzu addiert wird um periodische mit dem geometrischen Antriebsflusswinkel verknüpfte, auf den Rotor wirkende Rüttelkräfte zu kompensieren.
- 1
ERSATZBL T (REGEL 26) Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, d a ~ = f L(γ1 mm ^,ωτnnι ) des
Figure imgf000022_0001
-S2q = f(Ys*ωs) des Vorsteuerstroms als
Figure imgf000022_0002
zweidimensionale Funktionen, durch Stützwerte dargestellt, in Tabellenform in einem Halbleiterspeicher abgelegt werden und nachfolgend
Figure imgf000022_0003
und S2 2 in Abhängigkeit vom geometrischen Antriebsflusswinkel und der Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit beziehungsweise vom mechanischen Rotorwinkel und von der mechanischen Rotorwinkelgeschwindigkeit aus der Tabelle ausgelesen werden, wobei für Parameterwerte, die nicht als Stützwerte in der Tabelle vorhanden sind, zwischen zwei benachbarten Werten inteφoliert wird und zum nach Patentgesuch Nr. 00 056/94-7. im Koordinatensystem (T) als Vektor
bestimmten Steuerstrom iS2 'P2 = addiert werden.
Figure imgf000022_0004
10. Verfahren nach Anspruch 7 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- bei einer Synchronmaschine und der Reluktanzmaschine in einem Messlauf für verschiedene Drehzahlen die auf den Rotor wirkende Rüttelkraft in Abhängigkeit vom mechanischen Rotorwinkel messtechnisch oder rechnerisch aus andren Grossen wie aus der Rotoφosition bestimmt und über mehrere Perioden des mechanischen Rotorwinkels gemittelt als Funktionstabelle in Abhängigkeit von der Rotoφosition und von der Drehzahl abgespeichert wird, und daraus anschliessend zur Ausführungszeit (während
dem Betrieb) der Vorsteuerstrom ig2 ' so berechnet wird, dass er
Figure imgf000022_0005
eine der Rüttelkraft entgegengesetzte Kompensationskraft bewirkt. 11. Verfahren nach Anspruch 7 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- bei einer Induktionsmaschine in einem Messlauf für verschiedene Antriebsflusswinkelgeschwindigkeiten die auf den Rotor wirkende Rüttelkraft in Abhängigkeit vom geometrischen Antriebsflusswinkel messtechnisch oder rechnerisch aus andren Grossen wie aus der Rotorposition bestimmt und über sehr viele Perioden des Antriebsflusswinkels gemittelt wird, und dann als Funktionstabelle in Abhängigkeit vom geometrischen Antriebsflusswinkel und der Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit abgespeichert wird, im selben Messlauf
- für verschiedene Rotorwinkelgeschwindigkeiten die auf den Rotor wirkende Rüttelkraft in Abhängigkeit vom mechanischen Rotorwinkel messtechnisch oder rechnerisch aus andren Grossen wie aus der Rotoφosition bestimmt und über sehr viele Perioden des
Rotorwinkels gemittelt und als Funktionstabelle in Abhängigkeit vom Rotorwinkel und der Rotorwinkelgeschwindigkeit abgespeichert wird, zur Ausführungszeit (während dem Betrieb) aus den beiden Funktionstabellen durch Inteφolation zwischen den Stützwerten und Vorzeichenwechsel der mit dem
Antriebsflusswinkel verknüpfte Vorsteuerstrom iS2 = so bestimmt
Figure imgf000023_0001
wird, dass er eine dem mit dem Maschinenfluss verbundenen Anteil der Rüttelkraft entgegengesetzte Kompensationskraft bewirkt und der mit dem mechanischen
Rotorwinkel verknüpfte Vorsteuerstrom i so bestimmt wird, dass
Figure imgf000023_0002
er eine dem mit dem mechanischen Rotorwinkel verbundenen Anteil der Rüttelkraft (Unwuchtkräfte) entgegengesetzte Kompensationskraft bewirkt.
ERSATZBLATT (REGEL ΣCi 12. Verfahren nach Anspruch 7 bis 11, dadurch gekennzeichne , dass
- die angegebenen Korrekturmassnahmen nicht in dem mit dem Winkel γ ^ umlaufenden Koordinatensystem (T) sondern im ständerfesten Koordinatensystem
(S) durchgeführt werden.
13. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- bei der Ermittlung der Vorsteuersignale zusätzlich die Abhängigkeit der Rüttelkräfte vom Betrag des Antriebsflusses (Ψ) berücksichtigt wird.
">">
ERSATZBLATT (P.EGEL 2.
PCT/IB1995/000020 1994-12-02 1995-01-10 Verfahren zur kompensation von periodischen rüttelkräften in einer elektrischen drehfeldmaschine WO1996017180A1 (de)

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EP95903894A EP0792420B1 (de) 1994-12-02 1995-01-10 Verfahren zur kompensation von periodischen rüttelkräften in einer elektrischen drehfeldmaschine
DE59502927T DE59502927D1 (de) 1994-12-02 1995-01-10 Verfahren zur kompensation von periodischen rüttelkräften in einer elektrischen drehfeldmaschine

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