Dieter Gerling Audi-Forum elektrische Kleinantriebe im Fahrzeug Ingolstadt, 05.05.2014
Inhalt Grundlagen Feldorientierte Regelung am Beispiel Asynchronmaschine Feldorientierte Regelung am Beispiel Permanentmagnet-Maschine (Synchron- oder BLDC-Maschine) Direct Torque Control Vergleich: U/f-Regelung, Feldorientierte Regelung, Direct Torque Control Zusammenfassung 2
Grundlagen: Gleichstrommaschine Feldorientierte Regelung Definition der Achsen: d-achse in Richtung des Erregerfeldes q-achse (elektrisch) senkrecht dazu Erregerfeld konstant: bei elektrischer Erregung: große Zeitkonstante bei PM-Erregung: permanente Magnetisierung Drehmomentbildung: Ankerstrom und Erregerfluss sind unabhängig einstellbar Ankerzeitkonstante sehr klein, deswegen hochdynamisch 3
Grundlagen: Darstellung 3-strängiger Maschinen in 2 Komponenten Diese Darstellung in 2 Komponenten kann mit Hilfe von Raumzeigern geschehen. 4
Grundlagen: Drehfeldmaschinen Feldorientierte Regelung Definition der Achsen: d-achse in Richtung des Erregerfeldes q-achse (elektrisch) senkrecht dazu Ziel: Erregerfeld konstant: bei elektrischer Erregung: große Zeitkonstante bei PM-Erregung: permanente Magnetisierung Drehmomentbildung: proportional zum Produkt aus Erregerfluss und Ankerstrom (Achtung: im Gegensatz zur Gleichstrommaschine ist der Ankerstrom jetzt der Strom in den Statorwicklungen) Ankerstrom und Erregerfluss unabhängig einstellbar Gleichstrommaschine: Statorstrom stellt den Erregerfluss Rotorstrom (Ankerstrom) ist dann drehmomentbildend Drehfeldmaschine: eine Komponente des Statorstromes (Ankerstromes) stellt den Erregerfluss die andere Komponente ist drehmomentbildend 5
Feldorientiertes Koordinatensystem am Beispiel Asynchronmaschine Definition der Achsen: d-achse in Richtung des Erregerfeldes q-achse (elektrisch) senkrecht dazu Wahl: läuferflussorientiertes Koordinatensystem Drehmomentberechnung: 3 T t p II,q t i II,d t II,d t i II,q t 2 Ziele: II,q 0 II,d i,d i II,q L L 1h 2 i I,q L i i i 1h II,d,d I,d L2 Dann folgt: T i II,d I,q 6
Feldorientiertes Koordinatensystem am Beispiel Asynchronmaschine (Strukturbild) 7
Feldorientierte Regelung am Beispiel Asynchronmaschine Der Vorteil der Darstellung in feldorientierten Koordinaten ist, dass nun die gleiche Regelstrategie angewendet werden kann wie bei der fremderregten Gleichstrommaschine Die Asynchronmaschine kann dann als hochdynamischer Antrieb verwendet werden Der Magnetisierungsstrom und damit der Läuferfluss sollte entsprechend der Maschinenauslegung auf seinem Nennwert konstant gehalten werden, und Das Drehmoment kann dann allein über die Querstromkomponente eingestellt werden Hierzu müssen die transformierten Ständerströme in Längs- und Querachse unabhängig voneinander regelbar sein. Diese Art der Regelung wurde Ende der 1960er bzw. Anfang der 1970er Jahre unabhängig voneinander von Karl Hasse und Felix Blaschke entwickelt. Notwendige Voraussetzung für diese Art der Regelung sind Leistungssteller mit hoher Schaltfrequenz (bei kleineren Leistungen ca. 20kHz ) und kurze Abtastzeiten für die Regelung (bei kleineren Leistungen für die Stromregelung einige 100μs, für die Drehzahlregelung einige ms ). 8
Feldorientierte Regelung am Beispiel Asynchronmaschine Bei eingeprägten Statorströmen ergibt sich folgendes Strukturbild: 9
Feldorientierte Regelung am Beispiel Asynchronmaschine Für die Regelung ist es erforderlich, die augenblickliche Größe und Winkellage des Rotorflusses zu kennen Die direkte Messung ist nicht möglich, deshalb: Flussmodell Problem: Einfluss des temperaturabhängigen Rotorwiederstandes R 2 über die Zeitkonstante t 2 10
Feldorientierte Regelung am Beispiel Asynchronmaschine Strukturbild des geregelten Antriebssystems insgesamt: 11
Feldorientierte Regelung am Beispiel Asynchronmaschine Vergleich: schneller Hochlauf und Laststoß (Drehmoment-Zeit-Funktion) Betrieb am starren Netz Feldorientierte Regelung 12
Feldorientierte Regelung am Beispiel Asynchronmaschine Vergleich: schneller Hochlauf und Laststoß (Drehzahl-Zeit-Funktion) 13
Feldorientierte Regelung am Beispiel Asynchronmaschine Vergleich: schneller Hochlauf und Laststoß (Strom-Zeit-Funktion) Betrieb am starren Netz Feldorientierte Regelung 14
Feldorientierte Regelung am Beispiel Asynchronmaschine Verhalten bei eingeprägten Statorspannungen Stehen nicht beliebige Spannungen zur Stromeinprägung zur Verfügung, müssen die Spannungsgleichungen berücksichtigt werden: Es existiert eine Kopplung zwischen d- und q-achse! Trick: Da die Kopplung bekannt ist, kann diese durch ein Entkopplungsnetzwerk aufgehoben werden 15
Feldorientierte Regelung am Beispiel Asynchronmaschine Trick: Da die Kopplung bekannt ist, kann diese durch ein Entkopplungsnetzwerk aufgehoben werden 16
Feldorientierte Regelung am Beispiel Asynchronmaschine Strukturbild des geregelten Antriebssystems bei eingeprägten Statorspannungen 17
Feldorientierte Regelung am Beispiel Permanentmagnet-Maschine Strukturbild des geregelten Antriebssystems bei eingeprägten Statorspannungen (Änderungen gegenüber der Regelung einer Asynchronmaschine) a PM 18
Feldorientierte Regelung am Beispiel Permanentmagnet-Maschine Drehmomentregelung: Grenzkennlinien 19
Feldorientierte Regelung am Beispiel Permanentmagnet-Maschine Drehmomentregelung: Kennlinien konstanten Drehmoments Oberflächenmagnete vergrabene Magnete 20
Feldorientierte Regelung am Beispiel Permanentmagnet-Maschine Drehmomentregelung: MTPA (maximum torque per ampere) für kleine Drehzahlen 21
Direct Torque Control (DTC) Feldorientierte Regelung Diagramm und mögliche Spannungsvektoren bei Umrichter-gespeisten Maschinen 22
Direct Torque Control (DTC) Feldorientierte Regelung Strangspannung Spannungs-Raumzeiger 23
Direct Torque Control (DTC) Feldorientierte Regelung Für a(t)=0 wird die Statorflussverkettung zu: mögliche Lagen des Statorfluss-Raumzeigers (falls der Statorspannungs-Raumzeiger nur 1 mal pro Periode geschaltet wird) 24
Direct Torque Control (DTC) Feldorientierte Regelung Drehmomentberechnung (das Drehmoment ist abhängig von den Amplituden von Stator- und Rotorflussverkettung und ihrer Phasenverschiebung) Annahme: Drehzahl und Amplitude der Rotorflussverkettung sind konstant während einer Schaltperiode des Statorspannungs-Raumzeigers Dann werden Statorflussverkettung und Drehmoment direkt durch die Wahl des Statorspannungs- Raumzeigers festgelegt 25
Direct Torque Control (DTC) Feldorientierte Regelung Für die richtige Wahl des Statorspannungs-Raumzeigers müssen die folgenden Schritte durchgeführt werden: Einteilung der a b-ebene in Sektoren Berechnung, in welchem Sektor sich die Statorflussverkettung gerade befindet Berechnung, ob Statorflussverkettung und Drehmoment erhöht oder erniedrigt werden müssen Festlegung des resultierenden Statorspannungs- Raumzeigers 26
Direct Torque Control (DTC) Feldorientierte Regelung Schalttabelle für DTC 27
Direct Torque Control (DTC) Feldorientierte Regelung Block-Diagramm der Umrichter-gespeisten Asynchronmaschine mit Direct Torque Control 28
Vergleich von Feldorientierter Regelung (FOC) und Direct Torque Control (DTC) Wesentliche Vorteile der DTC gegenüber der FOC Der Rechenaufwand im Microcontroller ist viel niedriger, da keine Koordinatentransformationen benötigt werden Fluss und Drehmoment werden durch einfache Hysterese-Regler gestellt, es werden weder Stromregler noch Pulsweitenmodulation (PWM) benötigt; folglich ist die Schaltfrequenz in der Leistungselektronik niedrig Es gibt nur eine geringe Sensitivität gegenüber veränderlichen Rotorparametern, weil nur Fluss- und Drehmomentberechnung benötigt werden Für die Drehmoment- und Fluss-Regelung wird die Drehzahl nicht benötigt; bei der Feldorientierten Regelung wird die Drehzahl zur Ermittlung des Winkels a benötigt Abhängig von der Genauigkeit des Maschinenmodells kann auch für die Drehzahlregelung auf den Drehzahlsensor verzichtet werden Grundsätzlich ist die Drehmomentregelung mit Hilfe der DTC schneller als mit der FOC 29
Vergleich von Feldorientierter Regelung (FOC) und Direct Torque Control (DTC) Wesentliche Nachteile der DTC gegenüber der FOC Wegen der fehlenden Stromregler gibt es keine Möglichkeit, aktiv die Stromkurvenform zu beeinflussen; deshalb existiert in der regel eine deutliche Abweichung von der idealen Sinusfunktion, was zu erhöhten Verlusten in der Maschine führt Bei nicht-sinusförmigen Strömen hängt die Genauigkeit von Fluss- und Drehmoment-Berechnung stark vom Abtastintervall, der Genauigkeit der Strommessung und der Zykluszeit des Controllers ab Drehmomentschwankungen (torque ripple) hängen von der Stromkurvenform und der Breite der Hystereseregler ab; üblicher Weise sind die Drehmomentschwankungen größer als bei der FOC; hieraus resultieren mechanische Belastungen und akustische Geräusche Die Schaltfrequenz der Leistungselektronik ist nicht fest und ändert sich mit der Drehzahl der Maschine; folglich sind auch die Schaltverluste in derb Leistungselektronik drehzahlabhängig 30
U/f-Regelung Basiert auf den Gleichungen für das stationäre Verhalten hochdynamische Vorgänge sind nicht möglich Gut geeignet, wenn Maschine und Last gut bekannt sind und die Dynamik begrenzt ist Beispiel: elektrischer Antrieb für den Kühlerlüfter 31
Zusammenfassung Feldorientierte Regelung Geringe Verluste in der E-Maschine Weniger mechanische Belastungen und akustische Geräusche Direct Torque Control Geringer Rechenaufwand im Microcontroller Schnelle Drehmomentregelung U/f-Regelung Geringe Dynamik Geringe Komplexität 32