Peter Nussbaumer, Markus A. Vogelsberger, Christian Santin, Thomas M. Wolbank

Transkript

1 Entwicklung neuer sensorloser Regelungsstrategien für elektrische Antriebe unter Anwendung eines kombinierten Mess- und Regelungssystems von National Instruments Peter Nussbaumer, Markus A. Vogelsberger, Christian Santin, Thomas M. Wolbank Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe TU Wien

2 Überblick = Entscheidungsprozess Forschungsgebiete Systemanforderungen Implementierung

3 Überblick Forschungsgebiete Systemanforderungen Implementierung

4 Forschungsgebiete Sensorlose Regelung Fehlererkennung

5 Forschungsgebiete Sensorlose Regelung Fehlererkennung

6 Forschungsgebiet Sensorlose Regelung Feldorientierte Regelung Sensorlose Regelung Oversampling Ansatz

7 Feldorientierte Regelung 1 Statorstromeinprägung damit maximales Moment Normalkomponente auf Rotorfluss Rotorfluss: Bei PMSM durch Permanentmagnete Fest verknüpft mit Rotor PMSM-Rotor Stator

8 Feldorientierte Regelung 1 Statorstromeinprägung damit maximales Moment Normalkomponente auf Rotorfluss Rotorfluss: Bei PMSM durch Permanentmagnete Fest verknüpft mit Rotor PMSM-Rotor Stator

9 Feldorientierte Regelung 1 Statorstromeinprägung damit maximales Moment Normalkomponente auf Rotorfluss Rotorfluss: Bei PMSM durch Permanentmagnete Fest verknüpft mit Rotor Lageerfassung des Rotors nötig!!!

10 Feldorientierte Regelung 2 Lageerfassung Lagegeber auf Welle Hallsensoren Maschinenmodell Auswertung von Testimpulsen Sensorlose Verfahren

11 Feldorientierte Regelung 2 Lageerfassung Lagegeber auf Welle Hallsensoren Maschinenmodell Auswertung von Testimpulsen Zusätzlicher Sensor Erhöht Kosten und Ausfallswahrscheinlichkeit

12 Feldorientierte Regelung 2 Lageerfassung Lagegeber auf Welle Hallsensoren Maschinenmodell Auswertung von Testimpulsen 60 Winkelinformation Für Brushless DC Betrieb Erhebliches Momentenrippel

13 Feldorientierte Regelung 2 Lageerfassung Lagegeber auf Welle Hallsensoren Maschinenmodell Auswertung von Testimpulsen Sehr zuverlässig im oberen Drehzahlbereich ab ~10% der Nenndrehzahl

14 Feldorientierte Regelung 2 Lageerfassung Lagegeber auf Welle Hallsensoren Maschinenmodell Auswertung von Testimpulsen Für Regelung ab Stillstand anwendbar INFORM-Verfahren

15 Feldorientierte Regelung 2 Lageerfassung Lagegeber auf Welle Hallsensoren Maschinenmodell Auswertung von Testimpulsen Für Regelung von Stillstand weg anwendbar INFORM-Verfahren Forschungsgebiet Sensorlose Regelung

16 Sensorlose Regelung 1 Maschinenanregung mit Testpulsen (Spannungen) Messungen der Stromanstiege Rückschluss auf Lageinformation möglich

17 Sensorlose Regelung 1 Maschinenanregung mit Testpulsen (Spannungen) Messungen der Stromanstiege Rückschluss auf Lageinformation möglich Problem: Unterbrechung der Maschinenregelung nötig Geräuschentwicklung, Momentenrippel,

18 Sensorlose Regelung 1 Maschinenanregung mit Testpulsen (Spannungen) Messungen der Stromanstiege Rückschluss auf Lageinformation möglich Lösung: Integration in PWM-Anregung der Maschine während Regelung

19 Sensorlose Regelung 2 Integration in PWM-Anregung Messung der Stromanstiege benötigt Mindestdauer der Pulse Wird bei gewissen Arbeitspunkten unterschritten Mindestdauer ~40µs

20 Sensorlose Regelung 3 Gründe für Mindestdauer: Einschwingvorgang nach Schalthandlung Differenz zwischen Messwerten groß genug für Genauigkeit

21 Sensorlose Regelung 3 Gründe für Mindestdauer: Einschwingvorgang nach Schalthandlung Differenz zwischen Messwerten groß genug für Genauigkeit Herkömmlicher Ansatz: Stromanstieg approximiert durch 2 Messwerte Min. Pulsdauer: 40µs

22 Sensorlose Regelung 3 Gründe für Mindestdauer: Einschwingvorgang nach Schalthandlung Differenz zwischen Messwerten groß genug für Genauigkeit Herkömmlicher Ansatz: Stromanstieg approximiert durch 2 Messwerte Min. Pulsdauer: 40µs

23 Sensorlose Regelung 3 Gründe für Mindestdauer: Einschwingvorgang nach Schalthandlung Differenz zwischen Messwerten groß genug für Genauigkeit Herkömmlicher Ansatz: Stromanstieg approximiert durch 2 Messwerte Min. Pulsdauer: 40µs

24 Sensorlose Regelung 3 Gründe für Mindestdauer: Einschwingvorgang nach Schalthandlung Differenz zwischen Messwerten groß genug für Genauigkeit Neuerer Ansatz: Stromanstiegssensoren nur 1 Messwert Min. Pulsdauer: 10-20µs

25 Sensorlose Regelung 3 Gründe für Mindestdauer: Einschwingvorgang nach Schalthandlung Differenz zwischen Messwerten groß genug für Genauigkeit Verbesserter Ansatz: Stromanstiegssensoren nur 1 Messwert Min. Pulsdauer: 10-20µs

26 Sensorlose Regelung 3 Gründe für Mindestdauer: Einschwingvorgang nach Schalthandlung Differenz zwischen Messwerten groß genug für Genauigkeit Verbesserter Ansatz: Stromanstiegssensoren nur 1 Messwert Min. Pulsdauer: 10-20µs Oft noch zu lange!

27 Sensorlose Regelung 3 Gründe für Mindestdauer: Einschwingvorgang nach Schalthandlung Differenz zwischen Messwerten groß genug für Genauigkeit Oversampling Ansatz: Viele Messwerte + Signalverarbeitung Min. Pulsdauer: ~2,5µs

28 Oversampling Ansatz Basiert auf Überabtastung des Stromsignals Prinzipielle Funktion bereits bewiesen Online Anwendung Forschungsthema

29 Oversampling Ansatz Basiert auf Überabtastung des Stromsignals Prinzipielle Funktion bereits bewiesen Online Anwendung Forschungsthema Flexibles Mess- und Regelungssystem notwendig!

30 Überblick Forschungsgebiete Systemanforderungen Implementierung

31 Systemanforderungen Schnelle Digitizer Deterministischer Controller Flexible Messung für Regelung Sonstige Aufgaben

32 Schnelle Digitizer Hochfrequente Abtastung und Datenvorverarbeitung Zur Überprüfung neuer Algorithmen beim Oversampling Ansatz Aufzeichnung für kurze Zeit ~10µs Datenvorverarbeitung in Echtzeit Senden an Regelungseinheit (RT-System) Minimum 3 Kanäle + NI PXIe-7961R FlexRIO NI 5734

33 Deterministischer Controller Stromregelung auf RT Leichte Adaptierbarkeit ohne lange Kompilierzeiten PWM 10kHz 100µs Zykluszeit Herausforderung Determinismus NI PXIe-8133

34 Flexible Messung für Regelung Flexible Wahl des Messzeitpunktes während PWM Messung vieler Kanäle Evtl. Datenvorverarbeitung in Echtzeit Senden an Regelungseinheit (RT-System) + NI PXIe-7962R FlexRIO NI 5711

35 Sonstige Aufgaben Langsame Digitizer z.b. Temperatur DIO für: Umrichteransteuerung Lagegeber (inkremental, absolut) Flexible PWM-Generierung mit Anpassung in Echtzeit NI PXI-7841R

36 Überblick Forschungsgebiete Systemanforderungen Implementierung

37 Implementierung Regelungs- und Messaufbau Aufgabenverteilung Benchmark Communication Communication Benchmark RT-System

38 Regelungs- und Messaufbau Hardware NI-System: Echtzeitcontroller (PXIe-8133) FPGA (PXI-7841R) 2x FlexRIO (7961R R) mit Digitizer ( )

39 Aufgabenverteilung 1 FPGA 7841R Inverter Control: Timing und Berechnung der Schaltzustände (PWM) Triggerung aller anderen Komponenten FlexRIO 7961R mit 5751 Measure: Messungen für klassisches Verfahren (50 MS/s, 14 Bit) FlexRIO 7962R mit 5734 Oversampling: Messungen für neues Verfahren (120 MS/s, 16 Bit) Preprocessing zur Online-Auswertung Oszilloskopmodus

40 Aufgabenverteilung 2 RT-Controller PXIe-8133: Aufteilung mittels Thread Pools Core 3: Regelung (Aufgrund Flexibilität, Challenge: Determinismus in µs) Core 2: Communication Core 1: Data Logging Core 0: System WinHost: User Interface

41 Benchmark Communication FPGA to RT-System: DMA-FIFO: Lesen ab 5 Werten schneller Schreiben ab ~40 Werten Controls schreiben schneller als Indikatoren auslesen Begrenzte Anzahl an DMA-Fifos

42 Communication

43 Benchmark RT-System Benchmark Integrator-VI: Dauer (µs) 1 VI mit Priorität Time Critical 5 2 parallele VIs 21 2 sequentielle VIs 9 2 parallele VIs mit Priorität Subroutine 7 Parallele Time Critical Ausführung: Prioritätenumkehr! Subroutine garantiert unterbrechungsfreie Ausführung

44 Zusammenfassung Forschungsgebiete Fehlererkennung Sensorlose Regelung Oversampling Ansatz Implementierung Sehr gute Aufteilung der Aufgaben auf unterschiedliche Cores Benchmarks DMA vs. Controls/Indikatoren Benchmarks Integrator Parallel oder Seriell

45 DANKE! Donation Persönliche Unterstützung Dipl.-Ing. Günther Stefan Bernd Fasching Bernhard Petri Paul Schmitzberger