Entwurf und Aufbau einer digitalen Strom- und Drehzahlregelung für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine
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Diplomarbeit aus dem Jahr 1998 im Fachbereich Elektrotechnik, Note: 0,7, Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig (Elektrotechnik), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Beinleitung:ei der Konzeption und Auslegung eines elektrischen Antriebssystems müssen im wesentlichen Punkte wie Oberwellengehalt, Pendelmomente, Schaltverluste, Regeldynamik und Verhalten bei nicht-stationärem Betrieb untersucht werden. Diese Arbeit hat auf Basis eines konfigurierbaren Mikrocontrollers die Grundlage hierfür geschaffen. Der elektrische Antrieb ist eine Synchronmaschine mit permanenterre...
Diplomarbeit aus dem Jahr 1998 im Fachbereich Elektrotechnik, Note: 0,7, Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig (Elektrotechnik), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Beinleitung:
ei der Konzeption und Auslegung eines elektrischen Antriebssystems müssen im wesentlichen Punkte wie Oberwellengehalt, Pendelmomente, Schaltverluste, Regeldynamik und Verhalten bei nicht-stationärem Betrieb untersucht werden. Diese Arbeit hat auf Basis eines konfigurierbaren Mikrocontrollers die Grundlage hierfür geschaffen. Der elektrische Antrieb ist eine Synchronmaschine mit permanenterregtem Axialfeld und Ringkernwicklung (SPARK). Um beim verwendeten spannungseinprägenden Zwischenkreisumrichter die bestmögliche Ausnutzung zu erwirken, wird die Raumzeiger-Pulsweitenmodulation verwendet. Die Regelung ist als feldorientierte Regelung in rotorbezogenen (d,q)-Koordinaten realisiert.
Gang der Untersuchung:
Der erste Teil der Arbeit bestand darin, die vorhandenen Hardwarekomponenten an das SAB80C167-Evaluation Board anzupassen. Aus den Phasenströmen (LEM-Module) und der absoluten Rotorlage (Resolver) wurde ein Pulsmuster generiert, das einen 3-phasigen Brückenwechselrichter ansteuert. Die Stromsignale sind sinusförmige Signale und werden über ein Eingangsfilter der Analogeinheit zugeführt.
Im zweiten und umfangreicheren Teil wurden die C-Routinen für die feldorientierte Regelung implementiert und optimiert. Mit Hilfe des Satzes nichtlinearer Differentialgleichungen, die die Synchronmaschine beschreiben, wurde der geschlossene Regelkreis entwickelt. Somit entstand die bekannte kaskadenförmige Reglerstruktur mit PI-Stromregler, I-Drehzahlregler und P-Lageregler. Um für den Stromregelkreis eine Zykluszeit von 400µs erreichen zu können, ist das Zahlenformat durchgängig Integer. Die bezüglich der Verarbeitungsgeschwindigkeit erzielten Ergebnisse sind im Vergleich zu bisherigen DSP-basierende Lösungen recht zufriedenstellend. Benötigte mathematische Funktionen sind als Iterationen bzw. als eine LUT (look-up table) realisiert. Es wurde eine angemessene Skalierung der Größen vorgenommen, damit der sich fortpflanzende Fehler möglichst gering bleibt. Der Mikroprozessor 80C167 besitzt einige Funktionen, die für embedded control Anwendungen von Interesse sind. Hierbei sind beispielsweise die A/D-Wandlung mittels PEC Pipeline, die fast external Interrupts, die on-the-fly einstellbare PWM-Einheit und nicht zuletzt das CAN-Bus Modul zu nennen. Die betriebene Maschine läßt sich in Strom und Drehzahl regeln, bei zu wählender Schaltfrequenz zwischen 1kHz und 14kHz. Der Regelmodus, der Sollwert und die maschinenabhängigen Parameter werden über die serielle Schnittstelle heruntergeladen. Ferner ist ein Steuermodus für eine Asynchronmaschine realisiert, in dem ein Betragszeiger mit einer festen Umlaufgeschwindigkeit eingeprägt wird. Der Betriebsmodus und die Betriebsparameter werden auf einem LCD-Display ausgegeben.
Den Abschluss der Arbeitbildete die Messung der Stromrippel bei unbelasteter und belasteter Maschine, des Stromverlaufs und des Verhaltens beim Reversiervorgang und Sollwertsprung.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung
2.Grundlagen
2.1Maschinenmodell in Pollagekoordinaten3
2.2Transformation der Phasenströme (3 - 2)11
2.3Transformation in Rotorkoordinaten (a,b) - (d,q)11
2.4Transformation in Statorkoordinaten (d,q) -(a,b)12
2.5Das Prinzip der feldorientierten Regelung12
2.6Maschinenparameter13
2.7Mikrorechner für die digitale Regelung13
2.8Realisierung der mathematischen Funktionen15
2.8.1Die Quadratwurzeliteration15
2.8.2Reihenentwicklung der Funktion arctan(x)16
2.8.3Interpolation der Funktion arctan(x)17
2.9Das Shannonsche Abtasttheorem21
2.10Ansätze bei der Reglerauswahl22
2.10.1Beschreibung der zeitdiskret...
ei der Konzeption und Auslegung eines elektrischen Antriebssystems müssen im wesentlichen Punkte wie Oberwellengehalt, Pendelmomente, Schaltverluste, Regeldynamik und Verhalten bei nicht-stationärem Betrieb untersucht werden. Diese Arbeit hat auf Basis eines konfigurierbaren Mikrocontrollers die Grundlage hierfür geschaffen. Der elektrische Antrieb ist eine Synchronmaschine mit permanenterregtem Axialfeld und Ringkernwicklung (SPARK). Um beim verwendeten spannungseinprägenden Zwischenkreisumrichter die bestmögliche Ausnutzung zu erwirken, wird die Raumzeiger-Pulsweitenmodulation verwendet. Die Regelung ist als feldorientierte Regelung in rotorbezogenen (d,q)-Koordinaten realisiert.
Gang der Untersuchung:
Der erste Teil der Arbeit bestand darin, die vorhandenen Hardwarekomponenten an das SAB80C167-Evaluation Board anzupassen. Aus den Phasenströmen (LEM-Module) und der absoluten Rotorlage (Resolver) wurde ein Pulsmuster generiert, das einen 3-phasigen Brückenwechselrichter ansteuert. Die Stromsignale sind sinusförmige Signale und werden über ein Eingangsfilter der Analogeinheit zugeführt.
Im zweiten und umfangreicheren Teil wurden die C-Routinen für die feldorientierte Regelung implementiert und optimiert. Mit Hilfe des Satzes nichtlinearer Differentialgleichungen, die die Synchronmaschine beschreiben, wurde der geschlossene Regelkreis entwickelt. Somit entstand die bekannte kaskadenförmige Reglerstruktur mit PI-Stromregler, I-Drehzahlregler und P-Lageregler. Um für den Stromregelkreis eine Zykluszeit von 400µs erreichen zu können, ist das Zahlenformat durchgängig Integer. Die bezüglich der Verarbeitungsgeschwindigkeit erzielten Ergebnisse sind im Vergleich zu bisherigen DSP-basierende Lösungen recht zufriedenstellend. Benötigte mathematische Funktionen sind als Iterationen bzw. als eine LUT (look-up table) realisiert. Es wurde eine angemessene Skalierung der Größen vorgenommen, damit der sich fortpflanzende Fehler möglichst gering bleibt. Der Mikroprozessor 80C167 besitzt einige Funktionen, die für embedded control Anwendungen von Interesse sind. Hierbei sind beispielsweise die A/D-Wandlung mittels PEC Pipeline, die fast external Interrupts, die on-the-fly einstellbare PWM-Einheit und nicht zuletzt das CAN-Bus Modul zu nennen. Die betriebene Maschine läßt sich in Strom und Drehzahl regeln, bei zu wählender Schaltfrequenz zwischen 1kHz und 14kHz. Der Regelmodus, der Sollwert und die maschinenabhängigen Parameter werden über die serielle Schnittstelle heruntergeladen. Ferner ist ein Steuermodus für eine Asynchronmaschine realisiert, in dem ein Betragszeiger mit einer festen Umlaufgeschwindigkeit eingeprägt wird. Der Betriebsmodus und die Betriebsparameter werden auf einem LCD-Display ausgegeben.
Den Abschluss der Arbeitbildete die Messung der Stromrippel bei unbelasteter und belasteter Maschine, des Stromverlaufs und des Verhaltens beim Reversiervorgang und Sollwertsprung.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung
2.Grundlagen
2.1Maschinenmodell in Pollagekoordinaten3
2.2Transformation der Phasenströme (3 - 2)11
2.3Transformation in Rotorkoordinaten (a,b) - (d,q)11
2.4Transformation in Statorkoordinaten (d,q) -(a,b)12
2.5Das Prinzip der feldorientierten Regelung12
2.6Maschinenparameter13
2.7Mikrorechner für die digitale Regelung13
2.8Realisierung der mathematischen Funktionen15
2.8.1Die Quadratwurzeliteration15
2.8.2Reihenentwicklung der Funktion arctan(x)16
2.8.3Interpolation der Funktion arctan(x)17
2.9Das Shannonsche Abtasttheorem21
2.10Ansätze bei der Reglerauswahl22
2.10.1Beschreibung der zeitdiskret...
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