Cluster Mechatronik & Automation

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09.08.2016

Geberlose Synchronmaschine mit dynAIMx®

Ersatz des Winkelsensors durch ein Softwarepaket

Hintergrund
Abbildung 1: SynchronmotorDie steigende Bedeutung von Energiekosten und Treibhausgasemissionen treibt massive Veränderungen im Bereich der Antriebstechnik voran. Am Netz betriebene ineffiziente Asynchron-Maschinen (ASM) werden bedingt durch die Einführung von verpflichtenden Effizienznormen perspektivisch auf umrichtergespeiste Synchronmaschinen (SM) umgestellt. Diese Umstellung erfordert allerdings den Einsatz eines Drehgebers, da für die effiziente Regelung einer SM deren Rotorwinkel gemessen werden muss.

 

Sei es Kostenreduktion, Platzeinsparung, Senkung der Ausfallwahrscheinlichkeit oder Steigerung der Robustheit – die Abschaffung dieses Lagegebers zur Regelung von SMs hätte Vorteile für fast jede Anwendung. Besonders in kostensensitiven und sicherheitskritischen Anwendungen sowie unter rauen Umgebungsbedingungen sollte die teure und anfällige mechanische Sensorik gemieden werden.


Bekannte Verfahren geberloser Regelung führen jedoch wegen ihres technologischen Anspruchs zu hohen Entwicklungskosten und -risiken und weisen Nachteile gegenüber der geberbehafteten Regelung auf. Beispiele hierfür sind die erforderliche Dynamikreduktion, Geräuschentwicklung bei Stillstand, Parameterabhängigkeit, Probleme im Übergang zwischen niedriger und hoher Drehzahl und mangelnde Eignung für Motoren mit Zahnspulwicklung.
Insbesondere die Reluktanz-Synchronmaschine (RSM) würde von der geberlosen Regelung profitieren. Die RSM, die ohne kostenintensive Permanentmagneten (PM) auskommt, besitzt einen ähnlich hohen Wirkungsgrad wie die PMSM und könnte ohne Geber zu vergleichbar niedrigen Systemkosten führen wie die ASM.

Zielsetzung
Um also möglichst viele Anwendungen mit erhöhtem Anspruch an Effizienz und Performance auch ohne Geber realisieren und dadurch die Systemkosten und -ausfallwahrscheinlichkeit senken zu können, müssen die oben genannten Probleme geberloser Regelung überwunden werden. Es müssen also die einhergehenden die Entwicklungskosten reduziert und die Verfahren hinsichtlich Dynamik, Geräuschentwicklung, Stabilität, Parameterabhängigkeit und Anwendbarkeit verbessert werden.

 

Lösung mit dynAIMx®
Ein Team aus Wissenschaftlern der Technischen Universität München konnte diese und weitere Probleme im Rahmen seiner Forschung lösen und ermöglicht damit heute geberlose Anwendungen, die bislang nur mit Lagegeber realisierbar waren. Ihr Spin-Off Unternehmen Bitflux stellt das Softwarepaket dynAIMx® zur Verfügung, das als Add-on Bibliothek zum bereits vorhandenen Antriebsregler aufgespielt wird und i.d.R. keine zusätzliche Hardwarekosten verursacht. Nach Einbindung der Bibliothek in die Antriebssoftware können Motoren schnell und unkompliziert geberlos in Betrieb genommen werden. Expertenwissen wird nicht benötigt, denn die Notwendigkeit, Tuningparameter einzustellen, entfällt.


Die Expertise von Bitflux beruht auf 20 Personenjahren Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der geberlosen Regelung, in denen über die Validierung sämtlicher Verfahren der Literatur hinaus durch eigene Weiterentwicklungen signifikante Verbesserungen erzielt werden konnten. Im Folgenden werden die Kernthemen kurz erläutert.

Dynamik
Abbildung 2: Drehzahlsprung bei geberloser Regelung im Vergleich zu geberbehafteter Regelung mit 1024 Strich InkrementalgeberDie Literatur empfiehlt eine Auswertung der gegeninduzierten Spannung (EMF) im oberen und der Induktivitätsdifferenz (magnetische Anisotropie) der SM im unteren Drehzahlbereich. Bitflux nutzt zu jeder Zeit beide Informationen und erlaubt damit insbesondere im unteren Drehzahlbereich eine Vervielfachung der erreichbaren Dynamik. Durch zusätzliche Berücksichtigung parasitärer Effekte ist es Bitflux möglich, geberlos mehr Reglerbandbreite zu erreichen als mit einem 1024 Strich Inkrementalgeber.


In Abbildung 2 ist eine Drehzahlregelung mit dynAIMx (schwarz) und einem Inkrementalgeber (rot) dargestellt. Aufgrund der hohen Drehzahlverstärkung sind insbesondere im geberbehafeteten Fall deutliche Schwingungen im Drehmoment zu erkennen. Darüber hinaus gibt es mangels Umschaltung bei Bitflux auch kein Stabilitätsproblem im Übergang zwischen kleinen und hohen Drehzahlen.

Geräusch & Verluste
Die Ermittlung der Rotorlage um Drehzahl Null erfordert die Vermessung der Induktivität der Maschine (Anisotropie basierte Verfahren). Hierzu ist es erforderlich, hochfrequente Signale auf die Ausgangsspannung des Stromreglers zu addieren. Aufgrund oben genannter Vereinigung beider physikalischen Quellen zur Positionsbestimmung und einer intelligenten Auswertung der Stromsensorik ermöglicht es dynAIMx®, die Injektionsamplitude im unteren Drehzahlbereich im Vergleich zu anderen Verfahren über 10-fach abzusenken. Damit sind die einhergehenden Injektionsgeräusche und -verluste minimal. Bezüglich der intelligenten Stromauswertung bietet Bitflux mehrere Konzepte, die sich für verschiedene Hardwaretopologien eignen.

 

Rotorlagebestimmung um Drehzahl Null
Ein Großteil des Rechenbedarfs geberloser Verfahren wird üblicherweise im unteren Drehzahlbereich durch Anisotropie basierte Verfahren hervorgerufen. Bekannte Verfahren benötigen zur Gewinnung der Lageinformation aus der Induktivität einen mehrstufigen Prozess mit Transformationen oder Matrix-Inversion.


Unter Verwendung eines Quadrat-förmigen Injektionsmusters, welches auf die Stromregler-Ausgangsspannung addiert wird, konnte Bitflux diesen Rechenbedarf um ein Vielfaches reduzieren. Die Addition des Injektionssignals ist mit übertriebener Amplitude in Abbildung 3 links im Zeigerdiagramm und rechts im zeitlichen Verlauf dargestellt.


Abbildung 3: Injektionsmuster und überlagerte Stromreglerspannung bei Quadratinjektion


Die Identifikation der Anisotropie bei Quadrat-förmiger Injektion ist in nur einem Rechenschritt mittels zweier Differenzengleichungen möglich, nämlich



YΔαα und YΔαβ symbolisieren hierbei die Admittanzdifferenzen in den orthogonalen statorfesten Achsen. Die Admittanz entspricht – mit der Zeit verrechnet – näherungsweise dem Kehrwert der Induktivität. Die Induktivitätsdifferenz in den orthogonalen Achsen der Maschine dient als Informationsquelle für Anisotropie-basierte Verfahren.


Damit fällt der Anisotropie Rechenbedarf selbst bei günstigen Microcontrollern in den unteren einstelligen Prozentbereich. Der Winkel basierend auf der Anisotropie Information ergibt sich damit in einer Zeile:



Aus der letzten Gleichung geht hervor, dass unter Verwendung der arctan Funktion und der Stromdifferenzen, welche in jedem Abtastintervall entstehen, die komplette Berechnung des Anisotropiewinkels möglich ist. Etablierte Verfahren der Literatur verwenden hierfür rechenintensive Filterstrukturen [1] [2]. Neuere Methoden, welche keine kontinuierlichen Filterstrukturen besitzten, benötigen minimal acht Multiplikationen bzw. zusätzlich mindestens zwei weitere rechenintesive Operationen [3] [4]. Eine Unterbrechung der Grundwellenregelung ist für das Verfahren der Quadratinjektion nicht notwendig, was deshalb und aufgrund der filterfreien Strukur zu einer sehr dynamischen Winkelbestimmung führt.

Verweise
[1] Linke, Kennel and Holtz, "Sensorless speed and position control of synchronous machines using alternating carrier injection," in IEEE Int. Electric Machines and Drives Conf. vo.2, 2003.
[2] Lorenz and Jansen, "Transducerless position and velocity estimation in induction and salient ac machines," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 31, no. 2, pp. 240-247, 1995.
[3] F. De Belie, T. Vyncke und J. Melkebeek, „Parameterless Rotor Position Estimation in a Direct-Torque Controlled Salient-Pole PMSM without Using Additional Test Signal,“ IEEE Conf. ICEM, pp. 1-6, 2010.
[4] S. Kim, Y.-C. Kwon, S.-K. Sul, J. Park und S.-M. Kim, „Position Sensorless Operation of IPMSM with Near PWM Switching Frequency Signal Injection,“ IEEE Conf. ICPE - ECCE Asia, pp. 1660-1665, 2011.

 

Autor
Dr.-Ing. Dirk Paulus


Kontakt
Bitflux GmbH
c/o TUM/EAL
Arcisstr.21
80333 München

www.bitflux.eu

Email: dirk.paulus@tum.de



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