Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Korrektur eines vorgesteuerten Flußsollwertes für eine feldorientierte Regelung, bestehend aus einem Stromsollwert-Modell und/oder einem Span¬ nungssollwert-Modell, einer umrichtergespeisten, mehrphasigen Maschine mit einer Drehzahlerfassungseinrichtung und auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der Zeitschrift "Automatisierungstechnische Praxis atp", 29. Jahrgang, Heft 2, 1987, Seiten 83 bis 88, ist eine umrich¬ tergespeiste, mehrpolige Maschine, insbesondere eine Drehstrom- asynchronmaschine mit einer feldorientierten Regelung bekannt, wobei die Regelung ein Stromsollwert-Modell und ein Spannungs¬ sollwert-Modell enthält. Bei diesem Antrieb ist der gesamte Drehzahlstellbereich in drei Abschnitte gemäß. Figur 1 einge¬ teilt. Ausg ~ehend von Drehzahl Null bis zur Nenndrehzahl nn _Λ ist im Grunddrehzahlbereich konstantes Drehmoment M gefordert. Dem¬ entsprechend nimmt die Leistung P proportional zur Drehzahl n zu, es ergeben sich gleichbleibende Werte für die flußbildende Stromkomponente I*,, da die Maschine mit NennflußΥ betrieben wird. Im Feldschwächbereich I (Drehzahlbereich n„n bis 2n„n) wird nun bei konstanter Leistung P die Spannung U vom Nennwert U proportional fr? bis auf ihren Maximalwert angehoben, was einer

Reduzierung der Magnetisierung umgekehrt proportional zu t entspricht. Die momentenbildende Stromkomponente I ₂ nimmt im g ~leichen Maße ab. Ab der zweifachen Nenndrehzahl im Feld- Schwächbereich II bleibt die Spannung U am Ausgang des Umrich¬ ters konstant. Ihr Wert liegt um etwa 3 % unter der maximal mög¬ lichen Ausgangsspannung des Umrichters bei Vollblockbetrieb und einer vorbestimmten Zwischenkreisspannung, um geringe Spitzeπ- ströme für den Wechselrichter zu erhalten. Bei gleichbleibender Leistung P ändert die momentenbildende Stromkomponente I ₂ ihren Wert nicht, während die flußbildende Stromkomponente I, jetzt umgekehrt proportional zur Drehzahl n zurückgeht. Durch diese Antriebsauslegung ist im Feldschwächbereich vom Moment M her

genügend Abstand zum Kippmoment zu halten. Erreicht wird dies durch einen streuungsarmen Maschinenentwurf und durch die Span¬ nungsanhebung.

Wird nun die mehrphasige Maschine bei hohen Drehzahlen stärker belastet, so erzeugt die feldorientierte Regelung einen Span- nuπgssollwert als Stellgröße des Umrichters, der größer ist als der maximale Umrichterausgang-Spannungswert, der in Abhängigkeit einer Zwischenkreisspannung und bei Vollblockbetrieb erzeugt werden kann. D.h. die Regelung erzeugt eine Stellgröße für den Umrichter, der der Umrichter nicht folgen kann, da ein entspre¬ chender Ausgangsspannungswert größer sein müßte als der maximale Umrichterausgang-Spannungswert. Dadurch stimmt der Flußistwert mit dem Flußsollwert nicht mehr überein, wodurch der feldorien- tierte Bereich verlassen wird. Es entsteht Fehlorientierung.

Wird beim Regelungskonzept eine unterlagerte Stromregelung be¬ nutzt, so ergibt sich eine zusätzliche Problematik. Durch die falsche Flußwertvorgabe entsteht eine falsche Magnetisierungs- stromvorgabe, da die flußbildende Stromkomponente I, gleich dem Quotient aus Fluß Υ und Hauptfeldinduktivität L. der Maschine ist. Zur Einprägung dieses Stromsollwertes wird eine Umrichter¬ spannung benötigt, die nicht mittels des Zwischenkreises reali¬ siert werden kann. Damit ist der Stromkreis außer Funktion. Es entsteht auch hier Fehlorientierung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Schaltungsanordnung zur Korrektur eines vorgesteuer¬ ten Flußsollwertes einer feldorientierten Regelung einer mehr- phasigen Maschine anzugeben, wobei keine Fehlorientierung der feldorientierten Regelung mehr auftreten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mittels eines Vergleichs eines als Stellgröße für den Umrichter dienen- der Spannungssollwert mit einem vorbestimmten, maximalen Umrich- terausgang-Spanπungswert eine Spannungsregeldifferenz erzeugt wird, aus der mittels eines Flußkorrekturreglers eine Flußregel¬ größe erzeugt wird, die den vorgesteuerten Flußsollwert solange

reduziert bis der Spannungssollwert für den ^' Umrichter wieder kleiner oder gleich dem vorbestimmten maximalen Umrichteraus¬ gang-Spannungswert ist.

Durch dieses Verfahren wird der vorgesteuerte Flußsollwert immer so korrigiert, daß der als Stellgröße dienende Spannungs¬ sollwert für den Umrichter immer kleiner oder gleich ist dem maximalen Stromrichterausgang-Spannungswert, wodurch der Flu߬ istwert und der Flußsollwert übereinstimmen und die Regelung nicht den feldorientierten Bereich verlassen kann. Außerdem wird erreicht, daß bei einem Regelungskonzept mit unterlagerter Stromregelung die flußbildende Stromkomponente I, mittels eines Stromsollwert-Modells immer richtig gebildet wird.

Bei einer erfiπdungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Regelung, bestehend aus einem Strom¬ sollwert-Modell und/oder einem Spannungssollwert-Modell, einer umrichtergespeisten, mehrphasigen Maschine mit einer Drehzahl¬ erfassungseinrichtung, wobei dem Stromsollwert-Modell bzw. dem Spannungssollwert-Modell ein Drehzahlregler und ein Kennlinien¬ geber vorgeschaltet sind, ist der erzeugte Spannungssollwert einem zweiten Differeπzbildner zugeführt, an dessen ersten Ein¬ gang ein maximaler Umrichterausgang-Spannungswert ansteht, des¬ sen Ausgang mit einem nachgeschalteten Flußkorrekturregler ver- bunden ist, der einseitig begrenzt ist, und ist der Flußkorrek¬ turregler ausgangsseitig mittels eines ersten Differenzbildners mit einem Ausgang des Kennliniengebers verbunden, wobei der Aus¬ gang des ersten Differenzbildners mit einem Eingang des Strom¬ sollwert-Modells bzw. des Spannungssollwert-Modells verknüpft ist.

Mit dieser Schaltungsanordnung wird in einfacher Weise der Flußsollwert für eine feldorientierte Regelung, bestehend aus einem Stromsollwert-Modell und/oder einem Spannungssollwert- Modell, in Abhängigkeit des Verhältnisses Spannungssollwert des Umrichters zum Umrichterausgang-Spannungswert jederzeit korri¬ giert, wodurch der die mehrphasige Maschine speisende Umrichter maximal ausgenutzt werden kann.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel der Schaltungs¬ anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßeπ Verfahrens zur Korrektur eines Flußsollwertes schematisch veranschaulicht ist.

Figur 1 zeigt die Verläufe spezifischer Maschinenwerte, die in einem Diagramm über der Drehzahl n dargestellt sind, in Figur 2 ist ein Zeigerdiagramm einer Asynchronmaschine für feld- orientierten Betrieb veranschaulicht,

Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild einer feldorientierten Rege¬ lung mit unterlagerter Spannungssteuerung und mit der erfindungsgemäßen Flußsollwertkorrekturschaltung für eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine und Figur 4 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer feldorientier¬ ten Regelung mit unterlagerter Stromregelung und mit der erfindungsgemäßen Flußsollwertkorrektur für eine umrich¬ tergespeiste Asynchronmaschine.

Die Figur 2 zeigt ein Zeigerdiamm einer Asynchronmaschine für feldorientierten Betrieb. Zur Vereinfachung wird von einer zwei¬ poligen Maschine ausgegangen. Im stationären Betrieb laufen die Raumzeiger der Ständerspannung U, des Ständerstroms I und des Läuferflusses Υ gegenüber der Ständerachse S mit der Ständer- frequenz f, = y> um. Der Läufer der Maschine dreht sich gegen¬ über der Ständerachse L mit der Drehzahl n = /*\. _s . Die Differenz¬ frequenz, mit der sich die Läuferachse L gegenüber der Läufer- flußachse 1 bewegt, ist die Schlupffrequenz f _ς = ^ _{ι *} Betrachtet man den Ständerstrom I von der Läuferflußachse 1 aus, so ergeben sich zwei konstante Komponenten. Die Stromkomponente I, verläuft parallel zur Läuferflußachse 1 und die Stromkomponente I ₂ senk¬ recht zur Läuferflußachse 1.

Feldorientierter Betrieb bedeutet nun, den Ständerstrom I bzw. die Ständerspannung U der Maschine so vorzugeben, daß die dreh¬ momentbildende Stromkomponente I„ und die flußbildende Strom¬ komponente I, getrennt voneinander verstellt werden können. Wird die Stromkomponente I, konstant gehalten, ergibt sich ein

konstanter L uferfluß'V. Das mechanische Drehmoment M ist das Produkt aus Der für feldorientierten Betrieb erforderliche Strang bzw. Spannungsvektor wird aus Sollwerten berechnet. Dazu werden die Drehzahl, der Rotorlagewinkel λ - und die Maschinen- parameter, beispielsweise Hauptfeldreaktanz X. , Ständerstreu¬ reaktanz X_ , Läufεrstreureaktanz X. und Ständerwiderstand R_, benötigt. Die Regelung basiert auf zwei verschiedene Teilstruk¬ turen, dem Stromsollwert-Modell und dem Spannungssollwert-Modell. Um die Vorteile beider Systeme zu nutzen, können diese, wie bereits aus "Automatisierungstechnische Praxis atp", 29. Jahr¬ gang, Heft 2, 1987, Seiten 83 bis 88, bekannt ist, miteinander verknüpft werden.

Die Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild einer feldorientierten Regelung mit unterlagerter Spannungssteuerung und mit der er¬ findungsgemäßen Flußsollwertkorrekturschaltung 3 für eine Dreh¬ stromasynchronmaschine 4 mit einem Tachogenerator 6 als Drεh- zahlerfassungseinrichtung. Der Tachogenerator 6 liefert einen Drehzahlistwert n , der einem Vergleicher 8, einem Kennlinien- geber 10 für den Flußsollwert Υ W und einem Integrator 12 zuge- führt wird, wobei der Integrator 12 aus der Drehzahl n einen

Rotorlagewinkel λ _s erzeugt. Am ersten Eingang des Vergleichers

8 steht ein Drehzahlsollwert nw an', der mittels des Verg -leichers

8 mit dem Drehzahlistwert n verglichen wird. Am Ausgang dieses Vergleichers 8 steht ein Drehzahldifferenzwert n an, der einem Drehzahlregler 14 zugeführt wird, an dessen Ausgang ein Momenten¬ sollwert mw ansteht. Dieser Momentensollwert m,w, wird einem er- sten Eingang eines Spannungssollwert-Modells 16 zugeführt. Am zweiten Eingang dieses Spannungssollwert-Modells 16 steht ein korrigierter Flußsollwert an, der am Ausgang eines ersten Differenzbildners 18 ansteht. Dieser Differenzbildner 18 ist eingangsseitig einerseits mit dem Ausgang des Flußreglers 10 und andererseits mit einem Ausgang einer Flußsollwertkorrektur¬ schaltung 3 verknüpft. Einem dritten Eingang des Spannungssoll- wert-Modells 16 ist ein Rotorlagewinkelsignal λc zugeführt, das mittels des Integrators 12 aus dem Drehzahlistwert n erzeugt ist. Ausgangsseitig ist das Spannungssollwert-Modell 16 über eine Koordinatenwandleranordnung 20 mit nachgeschaltetem

Steuersatz 22 mit einem die Drεhstro asynchronmaschine 4 spei¬ senden Umrichter 24 verbunden.

Das Spannungssollwert-Modell 16 enthält eingangsseitig zwei Quotientenbildner 26 und 28 und einen Addierer 30. Außerdem enthält dieses Spannungssollwert-Modell 16 eine Recheneinheit 32, einen K/P-Wandler 34 (kartesisch/polar) , einen Multiplizie¬ rer 36, einen weiteren Quotientenbildner 38 und einen Integra¬ tor 40. Dem Eingang x des ersten Quotientenbildners 26 ist der Momentensollwert m W des Drehzahlreglers 14 und dem Eingang y ist der korrigierte Flußsollwert -ψ , der außerdem am Eingang x des zweiten Quotientenbildners 28 ansteht, zugeführt. Dem Ein¬ gang y des zweiten Quotientenbildners 28 ist ein Hauptfeldiπ- duktivitätswert L. zugeführt. Infolge der Quotientenbildung der Eingangssignale erscheinen am Ausgang des ersten Quotientenbild¬ ners 26 die momentenbildende Stromsollwertkomponente l_ und am Ausgang des zweiten Quotientenbildners 28 die flußbildende Stromsollwertkomponente I _1u/ . Diese ermittelten Stromsollwert- komponenten I X, und I- _C τi sind einer Recheneinheit 32 zugeführt, der außerdem der Drehzahlistwert n zugeführt ist. In einem Speicher dieser Recheneinheit 32 sind Maschinenparameterwerte, beispielsweise der Streuinduktivitäten Xg_, und X,- , der Haupt¬ feldreaktanz X. und des Ständerwiderstandes R _s , abgespeichert. Mit Hilfe dieser abgespeicherten Werte und der anstehenden Si- gnale werden die Spannungssollwertkomponenten D _Λ und U _ω gemäß folgender Gleichungen

U, = Il ^x -T ^{+ I} 2 ^R S ⁺ Υ n-ψ *:L

mit Streureaktanz

^X S6 Ständerstreureaktanz Läuferstreureaktanz

^X L ^X h Hauptfeldreaktanz Streukoeffizient

«L ^f l Ständerfrequenz ⁿ x Drehzahlistwert Lw Schlupffrequenzsollwert

berechnet. Diese Spannungssollwertkomponenten U, und U _2w , die rechtwinklig zueinander sind, werden mittels des K/P-Wandlers 34 in einen Betrag des Spannungssollwerts |U | und einem Winkel ctf _ς -,, der den Winkel zwischen der Ständerspanπung U und der Läu¬ ferflußachse 1 gemäß Figur 2 angibt, umgewandelt.

Die erzeugte Stromsollwertkomponente I ₂ wird außerdem einem

Eingang x des Multiplizierers 36 zugeführt, an dessen Eingang y der Läuferwiderstandswert R, ansteht. Der Ausgang des Multipli¬ zierers 36 ist mit dem Eingang x des Quotientenbildners 38 ver¬ bunden, wobei der Eingang y mit dem Ausgang des ersten Diffe¬ renzbildners 18 bzw. jeweils mit dem Eingang x der beiden Quo¬ tientenbildner 26 und 28 verbunden ist. Ausgangsseitig steht der Schlupffrequenzsollwert Y. an, der mittels des Integrators 40, in den Lastwinkelsollwert V, gewandelt wird. Zu diesem Lastwinkelsollwert Y. wird der Rotorlagewinkelwert _s addiert, so daß sich der Winkelwert / _ς ergibt, der den Winkel zwischen der Läuferflußachse 1 und der Ständerachse S nach Figur 2 an¬ gibt. Dieser Winkel y _s wird zum Winkel cC _ςj β mittels eines wei¬ teren Addierers 42 addiert, wobei sich am Ausgang dieses Addie¬ rers 42 ein Winkelwert c _ss einstellt, der den Winkel zwischen der Ständerspannung U und der Ständerachse S nach Figur 2 an¬ gibt.

Mittels der Koordinatenwandleranordnung 20, bestehend aus einem P/K-Wandler 44 und einem Koordinatenwandler 46, wird der Betrag des Spannungssollwertes |U | bzw. Zeigerbetrag |u | und der Win- kel tf ₃ - in drei Stellgrößen u _R , u _s und u _τ gewandelt. Mittels des Steuersatzes 22 und des Umrichters 24 werden aus den Stell¬ größen u _R , u_ und u _τ Phasenspannungssollwertes gebildet.

Die Flußsollwertkorrekturschaltung 3, die ausgangsseitig mit dem ersten Differenzbildner 18 und eingangsseitig mit dem Be¬ tragsausgang des Spannungsollwert-Modells 16 verbunden ist, be¬ steht aus einem einseitig begrenzten Flußkorrekturregler 48 und einen zweiten Differεnzbildner 50. Dieser Differεnzbildner 50 vergleicht den Betrag des gebildeten Spannungssollwertes |U I mit einεm vorbestimmten maximalen Umrichterausgang-Spannungswert U _ωr--V , wobei einε entstandenε Spannungsregeldifferenz U_ dem Flußkorrekturregler 48 zugeführt ist. Dieser Flußkorrekturreg- 1er 48 erzeugt einen Flußkorrekturwert , der dem zweiten Ein¬ gang des ersten Differenzbildnεrs 18 zugeführt ist. Sobald der Bεtrag des als Stellgröße für den Umrichter 24 dienenden Span- nungssollwεrtεs |U I größer wird als der vorgegebene maximale Umrichterausgang-Spannungswert U , wird eine Spannungsregel- differenz U gebildet, so daß der Flußkorrεkturrεglεr 48 zum

Einsatz kommt. D.h., dεr εrzεugtε Flußkorrekturwert 'ψ reduziert den vorgesteuerten Flußsollwert V solange, bis der Betrag des

Spannungssollwertεs |u | wieder kleiner oder glεich dem maxi- malεn Umrichterausgang-Spannungswerts U _ω __ _v ist. Durch die ein- seitige Begrenzung des Flußkorrεkturrεglers 48 kann der vorge¬ steuerte Flußsollwert'V' W nur reduziert werden.

Durch dieses Verfahren bzw. Schaltungsanordnung stimmen immer die Flußsollwerte mit den Flußistwerten der Drehstromasynchron- maschine 4 überεin, wodurch nie der feldorientiertε Bereich ver¬ lassen wird. Dies gilt insbesondere bei hohen Drehzahlen einer belasteten Drehstromasynchronmaschine 4.

In Figur 4 ist ein Blockschaltbild einer feldorientierten Rege- lung mit einem Stromsollwert-Modell 52 und der erfindungsgemäßen Flußsollwertkorrekturschaltung 3 veranschaulicht. Gegenüber der feldorientierten Regelung gemäß Figur 3 ist das Stromsollwert- Modell 52 einfacher aufgebaut, da keine Recheneinheit 32 vor¬ handen ist. Da sich das Blockschaltbild gemäß Figur 3 gegεnüber dem Blockschaltbild nach Figur 4 nur geringfügig unterscheidet, bezeichnen gleiche Bezugszeichen dieselben Blöcke. Zwei der drei mittels des Stromsollwert-Modells 52 und der Koordinatenwandler¬ anordnung erzeugten Stellgrößen i _R , i_ und i_ werden mittels

zweier Phasenstromregler 54 und 56 im Steuersatz 22 eingeprägt. Die drei Eingangsgrößen u _R , u _ς und u _τ des Steuersatzes 22 werden mittels eines Koordinatenwandlers 58 mit einem nachge¬ schalteten K/P-Wandler 60 in einem Betrag des Spannungssollwer- tes |U | gewandelt und der Flußsollwertkorrekturschaltung 3 zugeführt. Durch die Korrektur des vorgesteuerten Flußsollwer- tesγ wird außerdem keine falsche flußbildende Stromsollwert- ko ponente I, mehr vorgegeben.