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Geberlose Synchronmaschine

Software ersetzt Drehgeber beim Regeln von Synchronmotoren

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Die 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 Bild 3 links im Zeigerdiagramm und rechts im zeitlichen Verlauf dargestellt.

Bildergalerie

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

YΔαα~α0–Δiß1–Δiα2+Δiß3

YΔαß~Δiß0+Δiα1–Δiß2–Δiα3

YΔαα und YΔαß 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 Mikrocontrollern 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 [2] [3].

Neuere Methoden, die keine kontinuierlichen Filterstrukturen besitzen, benötigen minimal acht Multiplikationen bzw. zusätzlich mindestens zwei weitere rechenintesive Operationen [4] [5]. Eine Unterbrechung der Grundwellenregelung ist für das Verfahren der Quadratinjektion nicht notwendig, was deshalb und aufgrund der filterfreien Strutur zu einer sehr dynamischen Winkelbestimmung führt.

Wesentliche Eigenschaften der Software dynAIMx

Das Softwarepaket dynAIMx ist eine vorkompilierte C-Bibliothek, welche im gesamten Drehzahlbereich mit hoher Dynamik die Rotorposition zurückmeldet. Aufgrund der einfachen Schnittstellen kann dynAIMx vom Kunden selbst in seine bestehende Hardware eingebunden werden und ist nach kurzer Zeit funktionsfähig. Die Software kann neben typischen Inkremental- und Resolveranwendungen auch für kostensensitve Hallgeberanwendungen eingesetzt werden, da in der Regel keine zusätzlichen Kosten für die Hardware anfallen und lediglich geringe Anforderungen an die Ressourcen des Mikrocontrollers gestellt werden.

Dieser Beitrag ist zuerst auf dem Portal unserer Schwesternmarke ELEKTRONIKPRAXIS erschienen.

Verweise, Literatur und Links zum Thema

[1] Nanotec Electronic GmbH und Co. KG, „BLDC Motoren“, http://de.nanotec.com/support/technik-wiki/bldc-motoren/.

[2] 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.

[3] 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.

[4] F. De Belie, T. Vyncke und J. Melkebeek, „Parameterless Rotor Position Estima-tion in a Direct-Torque Controlled Salient-Pole PMSM without Using Additional Test Signal,“ IEEE Conf. ICEM, pp. 1-6, 2010.

[5] S. Kim, Y.-C. Kwon, S.-K. Sul, J. Park und S.-M. Kim, „Position Sensorless Op-eration of IPMSM with Near PWM Switching Frequency Signal Injection,“ IEEE Conf. ICPE - ECCE Asia, pp. 1660-1665, 2011.

[6] Praxisforum Elektrische Antriebstechnik, 4. bis 6. April 2017 in Würzburg, www.praxisforum-antriebstechnik.de.

* Dirk Paulus Mitgründer der Firma Bitflux, die aus einem Wissenschaftlerteam der TU München hervorgegangen ist.

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