DE3715462A1

DE3715462A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung eines stromrichters mit selbsteinstellung von steuerparametern

Info

Publication number: DE3715462A1
Application number: DE19873715462
Authority: DE
Inventors: Noboru Fujimoto; Toshiaki Okuyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-05-09
Filing date: 1987-05-08
Publication date: 1987-11-12
Also published as: JPS62262697A; DE3715462C2; GB2190805B; US4792742A; GB8710575D0; GB2190805A; JP2708408B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Stromrichters, der über eine Vektorsteuerung einen Induktionsmotor speist und insbesondere eine Stromrichtersteuerung, in der sich verschiedene Steuerparameter für die Vektorsteuerung selbst nach Maßgabe von Parametern des durch den Stromrichter gespeisten Induktionsmotors einstellen lassen.

Stromrichtergespeiste Induktionsmotoren werden häufig durch eine sogenannte Vektorsteuerung gesteuert, bei der ein Primärstrom des Induktionsmotors in eine Drehmomentstromkomponente und eine Magnetisierstromkomponente aufgelöst wird, die getrennt und unabhängig voneinander gesteuert werden, so daß eine sehr leistungsfähige Drehzahlsteuerung oder Regelung des Induktionsmotors erreicht werden kann. Bei solchen Vektorsteuerungen müssen verschiedene in einem Vektorsteuergerät einzustellende Steuerparameter nach Maßgabe von Parametern des vom Stromrichter gespeisten Induktionsmotors bestimmt werden.

Bei aus der japanischen OS 59-1 65 982 (veröffentlicht am 19. 9. 1984) und der JP-OS 61-52 176 (veröffentlicht am 3. 3. 1986) bekannten Vektorsteuergeräten werden Motorparameter, wie Primärwiderstand, Primärinduktivität, Verlustinduktivität und Sekundärwiderstand als Steuerparameter zur Berechnung von Bezugssignalen zur Steuerung der Ausgangsspannung eines Stromrichters verwendet.

Üblicherweise werden die Steuerparameter manuell dem Steuergerät aufgrund von Sollwerten der Motorparameter eingegeben. Dieses Verfahren ist jedoch sehr fehlerbehaftet, weil die Steuerparameter im Steuergerät immer dann geändert werden müssen, wenn ein mit dem Steuergerät gesteuerter Induktionsmotor ausgetauscht wird. Außerdem führt das Auseinanderklaffen der Sollwerte und der Istwerte der Motorparameter zu Fehlern, die während der Berechnung der Spannungsbezugssignale auftreten und eine Schwankung des vom Induktionsmotor erzeugten Drehmoments verursachen.

Das aus der japanischen OS 61-92 185 bekannte Steuergerät versucht das zuvor beschriebene Problem zu vermeiden. Danach wird ein Induktionsmotor von einem Stromrichter gespeist, der in Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Bezugssignal für einen Motorstrom arbeitet und eine Motorspannung, d. h. die Ausgangsspannung des Stromrichters wird erfaßt. Verschiedene Motorparameter werden aus der Beziehung zwischen dem vorgegebenen Motorbezugsstrom und der erfaßten Motorspannung ermittelt, und die Steuerparameter des Steuergeräts in Übereinstimmung mit den ermittelten Motorparametern eingestellt.

Dieses bekannte Steuergerät benötigt jedoch eine besondere Spannungserfassungseinrichtung, die nur zur Ermittlung der Motorparameter eingesetzt ist. Außerdem wird die vom Spannungsdetektor erfaßte Motorspannung, weil ihre Signalform normalerweise verzerrt ist, mit einer geringen Genauigkeit erfaßt. Dadurch ist die Genauigkeit der Bestimmung der Steuerparameter ebenfalls gering.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines eine Vektorsteuerung durchführenden Stromrichters eines stromrichterbetriebenen Induktionsmotors anzugeben, die eine genaue Messung der Motorparameter des Induktionsmotors erlaubt, ohne daß ein besonderer Detektor erforderlich ist, indem der Stromrichter unter einer bestimmten Bedingung betrieben wird und die Steuerparameter, die zur Berechnung der Bezugsspannung der Vektorsteuerung nötig sind, automatisch gesetzt oder eingestellt werden.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt anspruchsgemäß.

In einem die obige Aufgabe lösenden erfindungsgemäßen Steuergerät wurden in Übereinstimmung mit einer im Steuergerät zuvor aufgrund eines Magnetisierungsbezugsstroms und eines Drehmomentbezugsstroms eingestellten vorgegebenen Beziehung eine erste und eine zweite Bezugsspannung, die für die Vektorsteuerung des stromrichtergespeisten Induktionsmotors benötigt wird, erzeugt.

Jede der beiden Bezugsspannungen ist in der Form einer Komponente eines Spannungsvektors in einem d-q-Koordinatensystem mit rechtwinkligen Koordinaten, die synchron mit einem Drehmagnetfeld des Induktionsmotors drehen, gegeben, d. h., daß die erste Bezugsspannung eine Komponente in einer Koordinatenachse des d-q-Koordinatensystems und die andere Bezugsspannung eine Komponente in der anderen Koordinatenachse des d-q-Koordinatensystems ist. Auch der Magnetisierungsbezugsstrom ist in Form einer Komponente in der einen Koordinatenachse eines Stromvektors im d-q- Koordinatensystem und der Drehmomentbezugsstrom in Form einer Komponente in der anderen Koordinatenachse des d-q-Koordinatensystems gegeben. Gemäß einem wesentlichen erfindungsgemäßen Merkmal wird ein durch den Induktionsmotor fließender Motorstrom erfaßt, wenn der unter einer bestimmten Bedingung arbeitende Stromrichter dem Induktionsmotor die Spannung zuführt. Der erfaßte Strom wird in zwei Komponenten eines Stromvektors im d-q-Koordinatensystem umgesetzt und die Motorparameter unter Zugrundlegung der für die bestimmte Bedingung gesetzten ersten und zweiten Bezugsspannung und der zwei umgesetzten Komponenten des zur gleichen Zeit erfaßten Motorstroms berechnet, und die Steuerparameter in der im Steuergerät gesetzten vorgegebenen Beziehung in Übereinstimmung mit den berechneten Motorparametern eingestellt.

Die Erfindung wird im folgenden in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Steuergeräts für einen Stromrichter;

Fig. 2 ein die Gesamtschritte des mit dem in Fig. 1 gezeigten Steuergerät durchgeführten Verfahrens erläuterndes Flußdiagramm;

Fig. 3 ein Flußdiagramm, das weitere Einzelheiten eines im Flußdiagramm gemäß Fig. 2 enthaltenen Schritts der Messung von Motorparametern erläutert;

Fig. 4 ein Flußdiagramm, das weitere Einzelheiten des im Flußdiagramm gemäß Fig. 3 gezeigten Verfahrensschritts zur Berechnung von r ₁ + r ₂′ darstellt;

Fig. 5 ein Flußdiagramm eines als Teil des Flußdiagramms in Fig. 3 dargestellten Verfahrensschrittes zur Erzeugung von r ₁ und r ₂′;

Fig. 6 ein Flußdiagramm von Einzelheiten einer Prozedur zur Erzeugung von l ₁ + L ₁ und T ₂, die ein Teil des Flußdiagramms gemäß Fig. 3 ist;

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Anwendungsbeispiels gemäß der Erfindung; und

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines weiteren Anwendungsbeispiels gemäß der Erfindung.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung erläutert. Vor der Beschreibung des Ausführungsbeispiels werden nachstehend die verwendeten Symbole mit ihren Bedeutungen angeführt.

Parameter eines Induktionsmotors

r ₁:Primärwiderstand;l ₁:primäre Verlustinduktivität;L ₁:primäre effektive Induktivität;r ₂, r ₂′:Sekundärwiderstand und derselbe auf die Primärseite bezogen; l ₂, l ₂′:sekundäre Verlustinduktivität und die auf die Primärseite bezogene sekundäre Verlustinduktivität; L ₂, L ₂′:sekundäre effektive Induktivität und die auf die Primärseite bezogene effektive sekundäre Verlustinduktivität; M:Gegeninduktivität; und T ₂:Zeitkonstante für die Sekundärseite

Größen

v _1d*, v _1q*:Primärbezugsspannung dargestellt in Form von Komponenten eines Spannungsvektors in einem d-q-Koordinatensystem, das ein synchron mit einem Drehmagnetfeld eines Induktionsmotors rotierendes rechtwinkliges Koordinatensystem ist; v _1d* ist die Komponente in Richtung der d-Koordinatenachse und v _1q* ist die Komponente in Richtung der q-Koordinatenachse;v _1d, v _1q:Primärspannungen, die in derselben oben beschriebenen Weise dargestellt sind;v ₁, v ₁*:Dreiphasenwechselspannung, die der Stromrichter ausgibt, das ist die Primärspannung des Induktionsmotors und ihre Bezugspannung;
die Bezugsspannung jeder Phase U, V, W wird durch v _U*, v _V* und v _W* dargestellt;i ₁:Dreiphasenwechselstrom, der durch die Primärseite eines Induktionsmotors fließt, der Strom jeder Phase U, V, W wird durch i _U, i _V und i _W dargestellt;i ₁ α, i ₁ β:Primärströme als Komponenten eines Stromvektors in einem stationären rechtwinkligen α-β-Koordinatensystem dargestellt;i _1d*, i _1q*:Primärbezugsströme, in Form von Komponenten eines Stromvektors im d-q-Koordinatensystem dargestellt; i _1d* ist die Komponente in der d-Koordinatenachse und wird gewöhnlich Magnetisierbezugsstrom genannt, und i _1q* ist die Komponente in Richtung der q-Koordinatenachse und heißt Drehmomentbezugsstrom;i _1d, i _1q:Primärströme, die in der gleichen oben erläuterten Weise als Komponenten im d-q-Koordinatensystem dargestellt sind;i _2d, i _2q:Sekundärströme, die als Komponenten in dem d-q-Koordinatensystem dargestellt sind;ω 1, ω 1*:Frequenz der Ausgangsspannung eines Stromrichters und ihre Bezugsfrequenz;ω r′ ω r*:Geschwindigkeitssignal eines Induktionsmotors und ihr Sollwert dargestellt als Winkelfrequenzen; undω s′ ω s*:Schlupffrequenz und ihr Bezugswert.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung wird ein Kurzschlußkäfigläufer-Induktionsmotor 1 von einer von einem Stromrichter 3 als Spannungsquelle erzeugten variablen Wechselspannung mit veränderlicher Frequenz gespeist. Der Stromrichter 3 wird von einem mit der Bezugsziffer 4 bezeichneten Steuergerät mit Hilfe einer Impulsdauermodulationssteuerung (PWM-Steuerung) gesteuert.

In dem Steuergerät 4 erzeugt eine später beschriebene Sollwertrecheneinheit 5 die Spannungsbezugssignale v _1d*, v _1q* und Phasenbezugssignale sinl ₁* · t, cosω ₁* · t. In bekannter Weise führt eine Koordinatentransformationseinheit 7 eine Vektorrotation und eine Zwei/Drei-Phasenumsetzung aus, wodurch die Spannungsbezugswerte v _1d*, v _1q* zuerst in zwei Phasengrößen in dem α-β-Koordinatensystem durch die Vektorrotation und dann die so erhaltenen Zweiphasengrößen in drei Phasenbezugsspannungen v _U*, v _V*, v _W* durch die Zwei/ Drei-Phasenumsetzung unter Verwendung der Phasenbezugssignale sinω ₁* · t, und cosω ₁* · t gewandelt werden. Die Beziehung zwischen den Bezugsspannungen v _1d*, v _1q* und den drei Phasenbezugsspannungen v _U*, v _V*, v _W* wird später im einzelnen beschrieben.

Die drei Phasenbezugsspannungen v _U*, v _V*, v _W* werden in einem Vergleicher 9 mit einer Dreiecks-Trägerschwingung verglichen, die ein Trägerschwingungsgenerator 11 erzeugt und dadurch PWM-Gateimpulse erzeugt, mit denen die Ausgangsspannung v ₁ des Stromrichters 3 mit Hilfe der Impulsdauermodulationssteuerung gesteuert wird. Als Ergebnis ist der Momentanwert der Grundschwingung der Ausgangsspannung des Stromrichters 3 proportional zu den Bezugsspannungen v _U*, v _V*, v _W*.

Die drei Phasenströme i _U, i _V, i _W des Motors 1 werden von einem Stromdetektor 13 erfaßt. Die erfaßten Phasenströme i _U, i _V, i _W werden in Größen i _1d, i _1q im d-q-Koordinatensystem durch eine Koordinatentransformationseinheit 15 auf der Grundlage der Phasenbezugssignale sinω ₁* · t, cosω ₁* · t umgesetzt, die der Koordinatentransformationseinheit 15 eingegeben werden.

Die Koordinatentransformationseinheit 15 führt eine Drei/ Zwei-Phasenumsetzung und die Vektorrotation aus. Obwohl diese Koordinatentransformation bekannt ist, wird die Beziehung zwischen den erfaßten drei Phasenströmen i _U, i _V, i _W und den zwei Phasenströmen i _1d, i _1q nachstehend näher beschrieben.

Die oben beschriebene Anordnung ähnelt einem herkömmlichen Steuergerät, das mittels eines PWM-gesteuerten Stromrichters eine Vektorsteuerung eines Induktionsmotors ausführt. Gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist eine Parameterberechnungseinheit 17 vorgesehen, die verschiedene Parameter des Motors 1, wie Primärwiderstand r ₁, Verlustinduktivität l ₁ + l ₂′, Primärinduktivität l ₁ + L ₁, die Zeitkonstante T ₂ und so weiter berechnet.

In der Parameterberechnungseinheit 17 werden durch Rechnung solche Motorparameter erhalten, in denen die Bezugsspannungen v _1d*, v _1q*, die Bezugsfrequenz ω ₁* der Ausgangsspannung des Stromrichters 3 von der Sollwertrecheneinheit 5 sowie die erfaßten Stromsignale i _1d, i _1q von der Koordinatentransformationseinheit -15 und falls der Motor am Drehzahldetektor 19 angebracht ist, dessen Drehzahlsignal ω _r verwendet werden. Ob das Drehzahlsignal l _r nötig ist, hängt vom Aufbau der Sollwertrecheneinheit 5 ab, weshalb ein Drehzahldetektor 19 nicht in jedem Fall für die Erfindung wesentlich ist.

Obwohl die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform in verschiedenen Funktionsblöcken dargestellt ist, kann das erfindungsgemäße Steuergerät 4 natürlich auch von einem entsprechend programmierten Mikroprozessor realisiert werden, der die den Funktionseinheiten gemäß Fig. 1 entsprechenden Funktionen programmgesteuert ausführt.

Bevor nun der Betrieb des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 näher beschrieben wird, erfolgt eine Beschreibung des Funktionsprinzips.

Zuerst werden in der Sollwertrecheneinheit 5 die Bezugsspannungen v _1d*, v _1q* erzeugt. Der Aufbau dieser Einheit 5 wird später anhand der Fig. 7 und 8 erläutert, die Anwendungsbeispiele der Erfindung darstellen. Kurz gesagt werden die Bezugspannungen in Übereinstimmung mit der in der Sollwertrecheneinheit 5 eingestellten vorgegebenen Beziehung auf der Basis des Magnetisierungsbezugsstroms und des Drehmomentbezugsstroms erzeugt.

Mittels der Phasenbezugssignale sinl ₁* · t, cosω ₁* · t, die die Befehlstransformationseinheit 5 erzeugt, setzt die Koordinatentransformationseinheit -7 die Bezugsspannungen v _1d*, v _1q* in die drei Phasenbezugsspannungen v ₁* (das heißt v _U*, v _V*, v _W*) in Übereinstimmung mit folgenden Gleichungen um:

wobei

Außerdem werden die Primärströme i _1d, i _1q des Motors 1 von der Koordinatentransformationseinheit 15 in Übereinstimmung mit den folgeden Gleichungen auf der Basis der Ströme i _U, i _V, i _W, wie sie der Stromdetektor 13 erfaßt, erzeugt

wobei

sind.

Hier muß bemerkt werden, daß bei dem PWM-gesteuerten Stromrichter der Primärstrom des Motors gering verzerrt ist und fast sinusförmig verläuft, so daß sich die Stromkomponenten i _id, i _1q sehr genau nach Formel (4) berechnen lassen.

Die Spannungsgleichungen eines Induktionsmotors im stationären Zustand lassen sich mittels der Spannungen und Ströme, die als Größen im d-q-Koordinatensystem dargestellt sind, wie folgt angeben:

v _1d = r ₁ · i _1d-ω ₁ (l ₁ + L ₁)i _1q-ω ₁ M · i _2q (5)
v _1q = ω ₁(l ₁ + L ₁) i _1d + r ₁ · i _1q + ω ₁ M · i _2d (6)

Da der Sekundärstrom in einem Kurzschlußkäfigläufer-Induktionsmotor nicht erfaßt werden kann, müssen die Variablen i _2d, i _2q aus den obigen Gleichungen (5) und (6) durch folgende Verarbeitung eliminiert werden. Die Beziehung zwischen dem Primärstrom und dem Sekundärstrom läßt sich auf der Grundlage einer Spannungsbeziehung einer Sekundärschaltung eines Rotors des Motors 1 wie folgt darstellen:

ω _s M · i _1q = r ₂ · i _2d - ω _s(l ₂ + L ₂) i _2q (7)
-ω _s M · i _1d = ω _s (l ₂ + L ₂)i _2d + r ₂ · i _2q (8)

Indem mittels der Gleichungen (7) und (8) die Variablen i _2d und i _2q in den Gleichungen (5) und (6) eliminiert werden, lassen sich v _1d und v _1q wie folgt ausdrücken:

Die verschiedenen Motorparameter erhalten wir mit den oben genannten Gleichungen (9) und (10). Die einzelnen Motorparameter werden wie folgt gemessen:

Messung von r ₁ + r ₂′ und l ₁ + l ₂′

Diese Motorparameter werden wie folgt erzeugt. Die Bezugsspannung v _1d* wird auf einen vorgegebenen Wert gesetzt und die Bezugsspannung v _1q* fest auf Null gesetzt. Der Wert von v _1d* muß zweckmäßig so gewählt werden, daß der Motor 1 nicht zu rotieren beginnt. Jedoch sollte der Wert von v _1d* angesichts der Genauigkeit der Messung der Motorparameter so groß wie möglich eingestellt werden. Er kann beispielsweise auf 20 bis 30% seines Sollwertes eingestellt werden. Die Frequenz der Ausgangsspannung des Stromrichters 3 wird auf einen vorgegebenen Wert ω ₁* gesetzt. Da der Motor 1 im Stillstand gehalten wird, wird der Schlupf des Motors 1 Eins, so daß die Schlupffrequenz ω _s fast gleich ω ₁ ist. Falls der gesetzte Frequenzwert ω ₁* auf einen bestimmten Wert anwächst, z. B. auf die Netzfrequenz, gilt die Beziehung r « ω(l ₂ + L ₂)². Mit dieser Bedingung lassen sich die Gleichungen (9) und (10) wie folgt ausdrücken:

0 ω ₁*(l ₁ + l ₂′)i _1d + (r ₁ + r ₂′)i _1q (12)

Therefore,

Die Gleichungen (13) und (14) bedeuten, daß der Widerstand r ₁ + r ₂′ des Motors 1 mit Hilfe der Bezugsspannung v _1d* in d-Koordinatenachsenrichtung und des erfaßten Stroms i _1d, d. h. der Komponente in d-Koordinatenachsenrichtung berechnet werden kann, und daß die Induktivität l ₁ + l ₂′ des Motors 1 mittels der Bezugsspannung v _1d* in Richtung der d-Koordinatenachse und des erfaßten Stroms i _1q, d. h. der Komponente in Richtung der q-Koordinatenachse berechnet werden kann.

Die oben angeführten Gleichungen zeigen, daß der so erhaltene Widerstand und die so erhaltene Verlustinduktivität jeweils kombinierte Werte der primärseitigen und der auf die Primärseite bezogenen sekundärseitigen Werte sind. Besonders werden hinsichtlich des Widerstandes die getrennten Werte r ₁ und r ₂ benötigt.

Messung von r ₁ und r ₂′

Für diesen Fall wird die Bedingung so eingestellt, daß eine Gleichspannung am Motor 1 liegt, d. h., daß die Frequenz am Ausgang des Stromrichters 3 auf Null gesetzt wird (ω ₁* = 0). Die anderen Bedingungen sind dieselben wie bei der oben beschriebenen Messung von r ₁ + r ₂′ und l ₁ + l ₂′. Bei diesen Bedingungen ist die am Motor 1 angelegte Spannung jeder Phase in Übereinstimmung mit den Formeln (1) bis (3) wie folgt gegeben:

v _U* = v _1d*, v _V* = v _W* = -v _1d*/2
-

Wenn diese Spannungen dem Motor 1 angelegt werden, fließt Strom durch den Motor 1, und der zu dieser Zeit erfaßte Motorstrom ergibt sich aus der Gleichung (4) wie folgt:

i _1d = i _U, i _1q = 0 (16)

Also läßt sich der Primärwiderstand pro Phase in Übereinstimmung mit folgender Gleichung auf der Basis der Bezugsspannung v _1d* und des erfaßten Stroms i _1d erzeugen, die beide Komponenten in Richtung der d-Koordinatenachse sind.

Der Sekundärwiderstand r ₂′ bezogen auf die Primärseite wird durch Substitution des oben durch Gleichung (17) erhaltenen Primärwiderstandes r ₁ von dem Ergebnis der Gleichung (13) berechnet:

Messung von l ₁ + L ₁

Um die Primärinduktivität l ₁ + L ₁ des Motors 1 zu messen, werden folgende Bedingungen gesetzt:

v _1d* = 0, v _1q* = ein vorgegebener Wert proportional zu l ₁* und ω _s = 0. Mit diesen Bedingungen arbeitet der Motor 1 ohne Last, während der Nennwert des sog. Spannungs/Frequenzverhältnisses beibehalten wird. Der Strom i _1q beträgt Null wegen der Lastfreiheit, und deshalb läßt sich die Verlustinduktivität l ₁ + L ₁ aus der Formel (10) wie folgt ermitteln:

Messung von T ₂

Die Zeitkonstante T ₂ der Sekundärseite des Motors 1 ist durch folgende Gleichung gegeben:

In der obigen Gleichung erhält man den auf die Primärseite bezogenen Sekundärwiderstand r ₂′ durch die Gleichungen (13) und (17), und die auf die Primärseite bezogene sekundäre Verlustinduktivität l ₂′ + L ₂′ ist durch folgende Gleichung angegeben:

Dabei lassen sich die primäre Verlustinduktivität l ₁ und die auf die Primärseite bezogene sekundäre Verlustinduktivität l ₂′ nicht getrennt erfassen. Da sie jedoch üblicherweise denselben Wert haben sollen, tritt kein großer Fehler auf auch wenn l ₂′ behandelt wird, als ob des gleich l ₂ wäre. Demgemäß läßt sich die auf die Primärseite bezogene sekundäre Verlustinduktivität l ₂′ + L ₂′ wie folgt angeben:

l ₂′ + L ₂′ = l ₁ + L ₁ (20)

Deshalb erhält man die Zeitkonstante T ₂, indem man das Ergebnis von Gleichung (18) durch r ₂′ teilt.

Vorangehend wurde das Prinzip der Messung der Motorparameter beschrieben. Wie schon erwähnt, können eine Reihe von Verarbeitungsoperationen, das sind die oben genannten Messungen, das Einstellen der Steuerparameter in dem Steuergerät in Übereinstimmung mit dem Meßergebnis und die Verarbeitung für die Vektorsteuerung von einem entsprechend programmierten Mikroprozessor durchgeführt werden. Im folgenden wird deshalb anhand der Fig. 2 bis 6, die Flußdiagramme der Verarbeitungsoperationen zeigen, der Inhalt der vom Mikroprozessor ausgeführten Operationen erläutert.

Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm der von dem als Hauptteil im Steuergerät 4 enthaltenen Mikroprozessor durchgeführten Gesamtoperation. Nach Start der Operation entscheidet ein Schritt 21, ob die Motorparameter schon erzeugt sind oder nicht. Die Messung der Motorparameter braucht nur einmal ausgeführt zu werden, wenn das Steuergerät mit einem bestimmten Motor zusammen betrieben wird. Das Auffrischen der Motorparameter sollte jedoch immer dann erfolgen, wenn dies aufgrund von alterungsbedingten Veränderungen der Motorparameter nötig ist. Sobald die Motorparameter erzeugt sind, werden sie in einem geeigneten Speicher des Mikroprozessors gespeichert und ein Kennzeichen (flag) gesetzt. Sobald deshalb Schritt 21 das gesetzte Kennzeichen erkennt, geht die Verarbeitung mit Schritt 24 weiter, der die Verarbeitung der Vektorsteuerung durchführt. Falls die Motorparameter noch nicht erhalten wurden, fährt die Verarbeitung mit Schritt 22 fort, der die Motorparameter in Übereinstimmung mit dem oben genannten Verarbeitungsprinzip berechnet und in den Speicher speichert. Dieser Schritt ist für die vorliegende Erfindung wichtig und wird deshalb in Einzelheiten anhand der Fig. 3 und folgenden näher erläutert. Mit dem Schritt 23 werden die gespeicherten Motorparameter ausgelesen und die Steuerparameter in das Steuergerät gesetzt oder aufgrund der ausgelesenen Motorparameter eingestellt. Danach wird die Verarbeitung der Vektorsteuerung durch den Schritt 24 ausgeführt. Der Stromrichter 3 und damit der Motor 1 werden aufgrund der Verarbeitungsergebnisse im Schritt 24 gesteuert.

Wie Fig. 3 zeigt, ist der Schritt 22 in Fig. 2, der die Motorkonstanten mißt, in drei Verarbeitungsschritte unterteilt. Der Widerstand r ₁ + r ₂′ und die Verlustinduktivität l ₁ + l ₂′ werden durch Schritt 31, durch Schritt 32 der Primärwiderstand r ₁ und durch Schritt 33 die effektive Primärinduktivität l ₁ + L ₁ berechnet.

Hier muß bemerkt werden, daß es vom Aufbau der Sollwertrecheneinheit 5 abhängt, welche der Motorparameter ermittelt werden sollen, und deshalb wählt die Sollwertrecheneinheit 5 alle oder einen Teil der Schritte in Fig. 3. Die Erläuterung erfolgt jedoch mit der Annahme, daß wegen den später beschriebenen Anwendungsbeispielen der Erfindung, die Sollwertrecheneinheit 5 sämtliche zuvor genannten Motorparameter verwendet. Fig. 4 zeigt Einzelheiten des Schritts 31. Schritt 41 setzt jeweils ω ₁* und v _1d* auf vorgegebene Werte und legt v _1q* fest auf Null. Es ist verständlich, daß diese Bedingung dieselbe ist, wie sie in der Erklärung des Meßprinzips von r ₁ + r ₂′ und l ₁ + l ₂′ beschrieben wurde. Nachdem die Bedingung wie oben gesetzt ist, wird dem Motor 1 vom Stromrichter 3 Spannung angelegt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Motor 1 noch im Stillstand gehalten, so daß die Beziehung ω _s = l ₁ gilt, weil v _1d* klein und deshalb das erzeugte Drehmoment ebenfalls klein ist.

Das Anlegen der Spannung an den Motor 1 mit der oben genannten Bedingung bewirkt, daß durch den Motor Strom fließt, der vom Detektor 13 erfaßt und in Schritt 42 als i _1d, i _1q gelesen wird. Danach werden r ₁ + r ₂′ und l ₁ + l ₂′ berechnet und mit den Formeln (13) und (14) aufgrund der gelesenen i _1d und i _1q und der gesetzten Bezugsspannung v _1d* jeweils in den Schritten 43 und 44 berechnet.

Danach werden r ₁ und r ₂′ durch Schritt 32 ermittelt, dessen Einzelheiten Fig. 5 zeigt. Zuerst werden in Schritt 51 v _1d* auf einen vorgegebenen Wert gesetzt und v _1q* und ω ₁* auf Null festgelegt, und dann wird mit der zuvor genannten Bedingung die Spannung vom Stromrichter 3 dem Motor angelegt. Das Festlegen von ω ₁* auf Null bedeutet, daß der Stromrichter 3 eine Gleichspannung dem Motor 1 anlegt. Von den Komponenten des durch den Motor 1 als Ergebnis des Anlegens der Spannung fließenden Stroms wird nur i _d in Schritt 52 gelesen. Schritt 53 berechnet r ₁ in Übereinstimmung mit Gleichung (17) auf der Basis des gelesenen Wertes i _1d und des gesetzten Bezugsspannungswertes v _1d*, und dann berechnet Schritt 54 r ₂′ in Übereinstimmung mit der Beziehung (r ₁ + r ₂′) - r ₁, unter Verwendung des Ergebnisses der Berechnung (r ₁ + r ₂′) in Schritt 43 von Fig. 4.

Schließlich sind Einzelheiten des in Fig. 3 gezeigten Schrittes 33 in Fig. 6 dargestellt, wo l ₁ + L ₁ und T ₂ berechnet werden. In Schritt 61 wird der Motor 1 mit auf ihre Nennwerte gesetzten Parametern ω ₁* und v _1q* betrieben. Zur Vermeidung des Stoßstroms beim Start des Motors 1 werden ω ₁* und v _1q* erhöht, während für sie ein konstantes Verhältnis beibehalten wird, bis sie ihre Nennwerte erreicht haben. Nachdem ω ₁* und v _1q* ihre Nennwerte erreicht haben, werden im Schritt 62 i _1d und i _1q gelesen. Schritt 63 berechnet in Übereinstimmung mit der Gleichung (18) auf der Basis der gelesenen Stromwerte i _1d und i _1q und der eingestellten Werte ω ₁* und v _1q* den Wert von l ₁ + L ₁ und schließlich berechnet Schritt 64 T ₂ in Übereinstimmung mit Formel (19) auf der Basis des in Schritt 63 berechneten Wertes von l ₁ + L ₁ und des bereits in Schritt 54 in Fig. 5 erhaltenen Wertes von r ₂′.

Die so erhaltenen und in den Speicher eingespeicherten verschiedenen Motorparameter werden zum Einstellen der Steuerparameter in dem Steuergerät in Schritt 23 gemäß Fig. 2 ausgelesen. Nach dem Setzen der Steuerparameter nach Maßgabe der ausgelesenen Motorparameter wird die Verarbeitungsoperation zur Vektorsteuerung in Schritt 24 durchgeführt. Mit den Ergebnissen von Schritt 24 werden der Stromrichter 3 und damit auch der Motor 1 gesteuert.

Nun wird anhand der Fig. 7 ein Anwendungsbeispiel der Erfindung erläutert. Dieselben Bezugsziffern wie in Fig. 1 geben dieselben Einheiten oder Einrichtungen an. Da außerdem das beschriebene Anwendungsbeispiel die Art und Weise betrifft, wie die ermittelten Motorparameter in der Verarbeitung der Vektorsteuerung verwendet werden, ist die Sollwertrecheneinheit 5 besonders im Detail dargestellt.

Der Bezugswert i _1d* des Primärstroms und der Bezugswert ω _r* der Drehzahl werden in der in Fig. 7 dargestellten Sollwertrecheneinheit durch einen Anregungsstrombefehlsgeber 501 und einen Drehzahlbefehlsgeber 503 eingestellt. Der Bezugsstrom i _id* wird so eingestellt, daß der Betrag des Flusses (L ₁ · i _1d*) des Motors 1 einen vorgegebenen Wert annimmt, d. h., daß das vorgegebene Verhältnis der Primärspannung zur Frequenz beibehalten wird. Deshalb wird nachstehend i _1d* Magnetisierungsbezugsstrom genannt. Der Bezugsstrom i _1q* wird durch einen Geschwindigkeitsregler 505 in Übereinstimmung mit der Abweichung zwischen der Bezugsgeschwindigkeit ω _r* und der vom Geschwindigkeitsdetektor 19 erfaßten Motorgeschwindigkeit l _r erzeugt. Deshalb wird i _1q* nachfolgend Drehmomentbezugsstrom genannt.

Aufgrund der so eingestellten oder erzeugten Werte von i _1d* und i _1q*, werden die Bezugsspannungen v _1d* und v _1q* in einem Bezugswertrechner 507 in Übereinstimmung mit folgenden Gleichungen berechnet:

v _1d* = r ₁ · i _1d* - ω ₁* (l ₁ + l ₂′)i _1q* (21)
v _1q* = ω ₁*(l ₁ + L ₁) i _1d* + r ₁ · i _1q* (22)

Als die in den obigen Gleichungen enthaltenen Motorparameter r ₁, l ₁ + l ₂′ und l ₁ + L ₁, werden die von der Parameterberechnungseinheit 17 erzeugten Parameter verwendet. Außerdem wird l ₁* durch einen Addierer 509 als die Summe der Schlupffrequenz ω _s* und des Geschwindigkeitssignals ω _r, das vom Geschwindigkeitsdetektor 19 erfaßt wird, erzeugt. Die Schlupffrequenz ω _s* kann durch einen Schlupffrequenz(ω _s)- Rechner 511 in Übereinstimmung mit der folgenden Formel auf der Grundlage der oben erwähnten Werte von i _1d* und i _1q* berechnet werden:

worin die Zeitkonstante T ₂ der Sekundärseite des Motors 1 durch die Parameterberechnungseinheit 17 angegeben wird.

Die weitere Beschreibung des durch eine gestrichelte Linie eingerahmten Bezugswertrechners 507 kann entfallen, da dieser nur die Formeln (21) und (22) ausführt. Außerdem bewirkt ein in dem Bezugswertrechner 507 enthaltener Stromregler, daß die Stromkomponente i _1d der Stromkomponente i _1d* folgt.

Das Ausgangssignal ω ₁* des Addierers 509 wird einem Oszillator 513 zugeführt, in dem die zwei Phasensignale sinω ₁* · t und cosl ₁* · t auf der Basis des Signals ω ₁* erzeugt werden.

Gemäß der obigen Beschreibung werden die Steuerparameter zur Berechnung der Bezugsspannungen v _1d* und v _1q* für die Vektorsteuerung in der Sollwertrecheneinheit 5 automatisch durch die Parameterrecheneinheit 17 aufgrund der zuvor beschriebenen Verarbeitungsschritte erzeugt.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Anwendungsbeispiel ist der Geschwindigkeitsdetektor weggelassen. Stattdessen wird das Geschwindigkeitssignal ω _r durch Rechnung ermittelt, was in der Fig. 8 durch die Größenbezeichnung _r angegeben ist.

Δω wird zunächst von einem Frequenzregler 515 auf der Basis der Differenz zwischen dem Stromwert i _1q* und dem erfaßten Strom i _1q erhalten. Der so erhaltene Differenzwert Δω hängt von der Schlupffrequenz des Motors 1 ab. Dann wird die Bezugsfrequenz ω ₁* durch Addition von Δω zum gesetzten Geschwindigkeitssignal ω _r* in einem Addierer 519 erzeugt. Das geschätzte Geschwindigkeitssignal _r wird durch Subtraktion der Bezugsfrequenz ω _s*, die der ω _s-Rechner 511 erzeugt, von der Bezugsfrequenz l ₁*, die der Addierer 512 erzeugt, durch einen Subtrahierer 517 erhalten.

In den übrigen Punkten ist das Anwendungsbeispiel der Fig. 8 dasselbe wie das in Fig. 7 gezeigte. Deshalb können die Steuerparameter, die zur Berechnung der Bezugsspannungen v _1d* und v _1q* für die Vektorsteuerung in der Sollwertrecheneinheit 5 verwendet werden, automatisch auf der Basis der durch die Parameterberechnungseinheit 17 durch deren Bereitstellungsoperationen erzeugten Ergebnisse eingestellt werden.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung eines Stromrichters, der einen Induktionsmotor mit einer variablen Wechselspannung variabler Frequenz auf der Basis einer Vektorsteuerung speist, mit folgenden Schritten:

- Erzeugung einer ersten und einer zweiten Bezugsspannung (v _1d*, v _1q*), so daß diese jeweils in Form einer Komponente eines Spannungsvektors in einem rechtwinkligen d-q-Koordinatensystem, das synchron mit einem Drehmagnetfeld des Induktionsmotors rotiert, gegeben sind, von denen die erste Bezugsspannung (v _1d*) eine Komponente in der einen Koordinatenachse (d-Achse) des d-q-Koordinatensystems und die zweite Bezugsspannung eine Komponente in der anderen Achse (q-Achse) des Koordinatensystems ist, in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Beziehung, die zuvor auf der Basis eines Magnetisierungsbezugsstroms (i _1d*), der als Komponente in der einen Koordinatenachse (d-Achse) und auf der Basis eines Drehmomentbezugsstroms (i _1q*), der als Komponente in der anderen Koordinatenachse (q-Achse) gegeben ist, eingestellt ist, und
- Steuerung der Stromrichter-Ausgangsspannung und seiner Frequenz in Übereinstimmung mit den im ersten Schritt erzeugten Bezugsspannungen,

gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Erfassung eines Motorstroms (i _U, i _V, i _W), der durch den Induktionsmotor (1) fließt, sobald Spannung von dem unter einer vorgegebenen Bedingung betriebenen Stromrichter (3) dem Motor (1) anliegt,
- Erzeugen zweier Komponenten (i _1d, i _1q) des erfaßten Motorstroms jeweils in der einen Koordinatenachse (d-Achse) und in der anderen Koordinatenachse (q-Achse) des d-q-Koordinatensystems,
- Berechnung von Motorparametern (r ₁, l ₁ + l ₂′, l ₁ + L ₁, T ₂) auf der Basis der ersten und zweiten Bezugsspannungskomponente (v _1d*, v _1q*) und der erfaßten Stromkomponenten (i _1d, i _1q) und
- Einstellung von Steuerparametern, die in der vorgegebenen zu Erzeugung der Bezugsspannungen gesetzten Beziehung enthalten sind, in Übereinstimmung mit den berechneten Motorparametern.

2. Steuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Motorstrom erfaßt wird, wenn der Stromrichter unter der Bedingung betrieben wird, daß die erste Bezugsspannung (v _1d*) und eine Bezugsfrequenz (l ₁*) der Ausgangsspannung des Stromrichters jeweils auf vorgegebene Werte gesetzt sind, wobei die zweite Bezugsspannung auf Null festgelegt ist, und
daß bei der Berechnung der Motorparameter ein Widerstand des Induktionsmotors auf der Basis der ersten Bezugsspannung (v _1d*) und der erfaßten Stromkomponente (i _1d*) in der einen Koordinatenachse (d-Achse) sowie eine Verlustinduktivität des Induktionsmotors auf der Basis der ersten Bezugsspannung (v _1d*) und der erfaßten Stromkomponente (i _1d) in der anderen Koordinatenachse (q-Achse) berechnet werden.

3. Steuerverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Motorstrom erfaßt wird, wenn der Stromrichter unter der Bedingung betrieben wird, daß die erste Bezugsspannung (v _1d*) auf einen vorgegebenen Wert gesetzt wird und die zweite Bezugsspannung (v _1q*) und die Bezugsfrequenz (ω ₁) auf Null festgelegt sind, und
daß bei der Berechnung der Motorparameter ein primärseitiger Widerstand des Induktionsmotors auf der Basis der ersten Bezugsspannung (v _1d*) und der erfaßten Stromkomponente (i _1d) in der einen Koordinatenachse (d-Achse) sowie ein auf die Primärseite bezogener sekundärseitiger Widerstand des Induktionsmotors als Differenz zwischen dem Widerstand des Induktionsmotors und dessen primärseitigem Widerstand berechnet werden.

4. Steuerverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Motorstrom erfaßt wird, wenn der Stromrichter ohne Last auf der Basis eines vorgegebenen Verhältnisses zwischen der zweiten Bezugsspannung und der Bezugsfrequenz betrieben wird und
bei der Berechnung der Motorparameter eine primärseitige Induktivität des Induktionsmotors in Übereinstimmung mit dem vorgegebenen Verhältnis zwischen der zweiten Bezugsspannung zur Bezugsfrequenz und mit der erfaßten Stromkomponente in der anderen Koordinatenachse berechnet wird.

5. Steuerverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Berechnung der Motorparameter eine sekundärseitige Zeitkonstante (T ₂) des Induktionsmotors aus dessen primärseitiger Induktivität und dessen sekundärseitigem auf die Primärseite bezogenen Widerstand berechnet wird.

6. Steuergerät für einen einen Induktionsmotor (1) mit einer variablen Wechselspannung veränderlicher Frequenz auf der Basis einer Vektorsteuerung speisenden Stromrichter (3), der zur Vektorsteuerung eine erste und zweite Bezugsspannung (v _1d*, v _1q*), die jeweils in Form einer Komponente eines Spannungsvektors in einem rechtwinkligen d-q-Koordinatensystem, das synchron mit einem Drehmagnetfeld des Induktionsmotors rotiert, gegeben sind, von denen die erste Bezugsspannung (v _1d*) eine Komponente in der einen Koordinatenachse (d-Achse) des d-q-Koordinatensystems und die andere Bezugsspannung (v _1q*) eine Komponente in der anderen Koordinatenachse (q-Achse) des d-q-Koordinatensystems ist, in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen in das Steuergerät zuvor gesetzten Beziehung erzeugt, die auf einem Magnetisierungsbezugsstrom (i _1d*), der als Komponente in der einen Koordinatenachse (d-Achse) und auf einem Drehmomentbezugsstroms (i _1q*), der als Komponente in der anderen Koordinatenachse (q-Achse) gegeben ist, beruht, wobei
das Steuergerät die Ausgangsspannung und die Frequenz des Stromrichters (3) in Übereinstimmung mit den so erzeugten Bezugsspannungen steuert, gekennzeichnet durch
eine Stromerfassungseinrichtung (13), die einen Motorstrom (i _U, i _V, i _W), der durch den Induktionsmotor (1) fließt, wenn Spannung dem Induktionsmotor (1) von dem unter einer bestimmten Bedingung betriebenen Stromrichter (3) angelegt wird, erfaßt,
eine Koordinatentransformationseinheit (15), die den erfaßten Motorstrom in zwei Komponenten (i _1d, i _1q) im d-q-Koordinatensystem umsetzt, von denen die erste Komponente eine Komponente in der einen Koordinatenachse (d-Achse) und die andere eine Komponente in der anderen Koordinatenachse (q-Achse) ist, und
eine Parameterberechnungseinheit (17), die Motorparameter (r ₁, l ₁ + l ₂′, l ₁ + L ₁, T ₂) auf der Basis der ersten und zweiten Bezugsspannung (v _1d*, v _1q*) und der Stromkomponenten (i _1d, i _1q) zur Einstellung von Steuerparametern in Übereinstimmung mit den berechneten Motorparametern berechnet, wobei die Steuerparameter in der vorgegebenen in das Steuergerät gesetzten Beziehung zur Erzeugung der Bezugsspannungen (v _1d*, v _1q*) enthalten sind.

7. Steuergerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromerfassungseinrichtung (13) außerdem den Motorstrom erfaßt, wenn der Stromrichter (3) unter der Bedingung betrieben wird, daß die erste Bezugsspannung (v _1d*) und eine Bezugsfrequenz (ω ₁*) der Ausgangsspannung des Stromrichters (3) jeweils auf vorgegebene Werte gesetzt sind, und die zweite Bezugsspannung (v _1q*) auf Null festgelegt ist, und
die Parameterberechnungseinheit (17) einen Widerstand des Induktionsmotors auf der Basis der ersten Bezugsspannung (v _1d*) und der erfaßten Stromkomponente (i _1d) in der einen Koordinatenachse (d-Achse) sowie eine Verlustinduktivität des Induktionsmotors (1) auf der Basis der ersten Bezugsspannung (v _1d*) und der erfaßten Stromkomponente (i _1q) in der anderen Koordinatenachse (q-Achse) berechnet.

8. Steuergerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromerfassungseinrichtung (13) den Motorstrom erfaßt, wenn der Stromrichter (3) unter der Bedingung betrieben wird, daß die erste Bezugsspannung (v _1d*) auf einen vorgegebenen Wert gesetzt ist und die zweite Bezugsspannung (v _1q*) und die Bezugsfrequenz (ω ₁) beide auf Null festgelegt sind, und
die Parameterberechnungseinheit (17) einen primärseitigen Widerstand (r ₁) des Induktionsmotors (1) auf der Basis der ersten Bezugsspannung (v _1d*) und der erfaßten Stromkomponente (i _1d) in der einen Koordinatenachse (d-Achse) sowie einen sekundärseitigen auf die Primärseite bezogenen Widerstand des Induktionsmotors (1) als Differenz zwischen dem Widerstand des Induktionsmotors (1) und dessen primärseitigem Widerstand berechnet.

9. Steuergerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromerfassungseinrichtung (13) den Motorstrom, wenn der Stromrichter (3) unbelastet arbeitet, auf der Basis einer vorgegebenen Beziehung der zweiten Bezugsspannung (v _1q*) zur Bezugsfrequenz erfaßt, und
die konstante Berechnungseinheit (17) eine primärseitige Induktivität des Induktionsmotors (1) in Übereinstimmung mit dem vorgegebenen Verhältnis der zweiten Bezugsspannung (v _1q*) zur Bezugsfrequenz (ω ₁*) und mit der erfaßten Stromkomponente (i _1q) in der anderen Koordinatenachse (q-Achse) berechnet.

10. Steuergerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Parameterberechnungseinheit weiterhin eine sekundärseitige Zeitkonstante (T ₂) des Induktionsmotors (1) aus dessen primärseitiger Induktivität und dessen sekundärseitigem auf die Primärseite bezogenen Widerstand berechnet.