Entwurf und Aufbau einer digitalen Strom- und Drehzahlregelung für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine

Technische Universität Braunschweig
Institut für Elektrische Maschinen,
Antriebe und Bahnen

Diplomarbeit

Entwurf und Aufbau einer digitalen Strom- und Drehzahlregelung
für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine

Bearbeiter: Rüdiger Kusch

September 1998

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ... ii
Tablellenverzeichnis ... vii
Abbildungsverzeichnis ... ix

1 Einleitung ... 1

2 Grundlagen ... 3
2.1 Maschinenmodell in Pollagekoordinaten ... 3
2.2 Transformation der Phasenströme (3 ! 2) ... 11
2.3 Transformation in Rotorkoordinaten (a,b) ! (d,q) ... 11
2.4 Transformation in Statorkoordinaten (d,q)!(a,b) ... 12
2.5 Das Prinzip der feldorientierten Regelung ... 12
2.6 Maschinenparameter ... 13
2.7 Mikrorechner für die digitale Regelung ... 13
2.8 Realisierung der mathematischen Funktionen ... 14
2.8.1 Die Quadratwurzeliteration ... 14
2.8.2 Reihenentwicklung der Funktion arctan(x) ... 15
2.8.3 Interpolation der Funktion arctan(x) ... 16
2.9 Das Shannonsche Abtasttheorem ... 19
2.10 Ansätze bei der Reglerauswahl ... 19
2.10.1 Beschreibung der zeitdiskreten Regelstruktur ... 19
2.10.2 Auslegung der Regler ... 21
2.10.3 Zeitverhalten der Regelung ... 22
2.11 Verluste im Wechselrichter ... 23

3 Die Hardware ... 24
3.1 Die Architektur des C167 ... 24
3.1.1 Übersicht ... 24
3.1.2 Speicherorganisation ... 25
3.1.3 Das externe Bus-Interface ... 26
3.1.4 Konfiguration des Externen Bus Controllers (EBC) ... 29
3.1.5 Registerbänke ... 32
3.1.6 Speichermodelle ... 33
3.1.7 Anbindung externer Speicherbausteine ... 33
3.2 Das Entwicklungsboard ... 36
3.2.1 Der RAM-Monitor ... 36
3.2.2 Programmdownload ins Flash ... 37
3.2.3 Verwendete Hardware ... 38
3.2.4 Jumperkonfigurationen ... 38
3.2.5 Firmware / Technische Daten ... 42
3.2.6 Speicherverwendung ... 42
3.2.7 Das serielle Interface ... 43
3.2.8 Pinbelegung ... 44
3.2.9 Anbindung externer Hardware ... 44
3.2.10 Verwendung der Timer/Counter für die Positionserfassung und Geschwindigkeitsmessung ... 49
3.2.11 Die Resolver-Gebersignale ... 51
3.2.12 Das Resolverkabel ... 52
3.2.13 Das LCD-Display ... 54
3.2.14 Die Schnittstelle zum Umrichter ... 55

4 Steuerverfahren ... 60
4.1 Einleitung ... 60
4.2 Prinzip der Raumzeigermodulation ... 61

5 Softwarebeschreibung ... 67
5.1 Einleitung ... 67
5.2 Der Keil Compiler V3.11 ... 68
5.2.1 Compiler- und Linkeroptionen ... 68
5.2.2 Die Datentypen ... 69
5.3 Präprozessoranweisungen für das bedingte Übersetzen ... 71
5.4 Modulare Programmierweise ... 73
5.5 PEC Transfers ... 74
5.6 Die A/D-Wandlung ... 77
5.7 Die A/D-Wandlung mit PEC-Kanal 2 ... 78
5.8 Die Pulsweitenmodulation (PWM) ... 79
5.9 Die Verwendung der Timer und Counter ... 80
5.10 Die Geschwindigkeitsmessung ... 82
5.10.1 Vorabbetrachtungen ... 82
5.10.2 Die CAPREL-Einheit ... 83
5.10.3 Fehlerbestimmung ... 91
5.11 Probleme beim bedingten Initialisieren der PEC Transfers ... 92
5.12 Messen der Zwischenkreisspannung ... 92
5.13 Serielles Lesen des Polradwinkels ... 93
5.14 Die Stringausgabe auf die serielle Schnittstelle ... 94
5.15 Zeichenausgabe auf das LCD-Display ... 95
5.16 Die Strommessung ... 97
5.16.1 Synchronisation der Strommessung ... 99
5.17 Die Run-Time-Library ... 99
5.18 Verwendete Funktionen ... 101
5.19 Die serielle Kommunikation (RS232) ... 104
5.19.1 Einstellen der Baudrate ... 104
5.19.2 Ändern der Schaltfrequenz fPWM ... 105
5.19.3 Einstellen des Betriebsmodus’ ... 105
5.19.4 Schnelle Datenanforderung ... 105
5.20 Beschreibung der Betriebsmodi ... 106
5.20.1 Der Monitormodus ... 107
5.20.2 Abgleich der Nullposition Rotorfeld / Statorfeld ... 107
5.20.3 Der Steuermodus ... 109
5.20.4 Der Betrieb mit/ohne Wicklungsdrossel ... 113
5.20.5 Der Stromregelmodus ... 113
5.20.6 Der Drehzahlregelmodus ... 119
5.20.7 Der Fehlermodus ... 122
5.21 Systemparameter ... 123
5.22 Realisierung der Regler ... 125
5.22.1 Der I-Regler ... 126
5.22.2 Der PI-Regler ... 127
5.22.3 Der P-Regler ... 127
5.23 Wahl der Skalierungsfaktoren ... 128
5.23.1 Skalierungsfaktoren bei der Multiplikation von Zahlen im long-Format ... 133
5.24 Überstrom-Schutzmaßnahmen ... 133
5.24.1 Diskrete Realisierung der Überstromabschaltung ... 135
5.25 Probleme während der Erprobung ... 135

6 Meßergebnisse ... 138
6.1 Die Phasenströme ... 138

7 Zusammenfassung ... 148
7.1 Ausblick ... 149

A Sourcecode und Platinenlayout ... 151
A.1 Liste erstellter Dateien ... 151
A.2 Input-Platine ... 154
A.2.1 Bestückungsplan ... 154
A.2.2 Layout Bestückungsseite ... 155
A.2.3 Layout Lötseite ... 156
A.2.4 Teileliste ... 157
A.3 Das LCD-Display ... 158
A.3.1 Bestückungsplan ... 158
A.3.2 Layout Bestückungsseite ... 159
A.3.3 Layout Lötseite ... 160
A.3.4 Teilelisten ... 161
A.4 Phytec kitCON-167 - Platine ... 161
A.4.1 Verwendete Signale ... 161
A.5 GAL-Gleichungen ... 163
A.6 Sourcecode ... 165
A.6.1 Datei: C167SPAR.C ... 165
A.6.2 Datei: C167SPAR.H ... 188
A.6.3 Datei: C167UT.C ... 191
A.6.4 Datei: C167UT.H ... 225
A.6.5 Datei: C167SER.C ... 234
A.6.6 Datei: C167SER.H ... 259
A.6.7 Datei: C167DIS.MSG ... 261
A.7 Datenblätter ... 263
A.7.1 AD2S90, Low Cost, Complete 12-Bit Resolver-to-Digital Converter ... 263
A.7.2 AD2S99, Programmable Oscillator ... 270
A.7.3 IR2130/IR2132, 3-phase bridge driver ... 275

Literaturverzeichnis ... 288

Kapitel 1
Einleitung
Für Anwendungen in der Antriebstechnik werden in fast allen Fällen Drehfeldmaschinen im Vergleich zu Gleichstrommaschinen betrachtet. In Zusammenhang mit Drehfeldmaschinen, verwendet als drehzalverstellbare Antriebe, müssen stets mögliche Umrichterkonzepte betrachtet werden. Drehzalverstellbare Antriebe werden meist mit einem spannungs- oder stromeinprägenden Zwischekreisumrichter ausgerüstet. Bei einem spannungseinprägenden Umrichter steht eine mit Kondensatoren stabilisierte konstante Zwischenkreisspannung zur Verfügung. Durch blockweises Schalten der Zwischenkreisspannung auf die Motorwicklungen kommt es zu einem momentbildenden Strom. Die Ansteuerung der Ventile erfolgt über die Pulsweitenmodulation (PWM).

Durch die rasante Entwicklung auf dem Gebiet der Mikroprozessor- und Signalprozessor- Technologie, sind diese auch in der Antriebstechnik nicht mehr wegzudenken. Die Bereiche Maschinenentwicklung, Leistungselektronik und Signalverarbeitung in der Antriebstechnik sind untrennbar miteinander verbunden. Immer schnellere Mikroprozessoren lassen eine weitreichende Verlagerung der Prozesse auf die digitale Seite zu. Neben einfachen Steuerungsaufgaben können ganze Regelkaskaden und Modellsysteme in dem diskreten Mirkrorechner oder Signalprozessor realisiert werden. Neueste Entwicklungen gehen dahin, eine Maschine vollkommen geberlos zu regeln. Hierzu sind leistungsfähige Signalprozessoren im Einsatz, die das Modell Maschine genauestens nachbilden. Im Rahmen dieser Arbeit ist die feldorientierte Regelung einer Synchronmaschine basierend auf dem C167 realisiert. Das Prinzip ist in der Literatur ausführlich beschrieben[1], [5]. Durch die aufwendige Regelstruktur und einer zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften berücksichtigten netzwerkartigen Entkopplung, ist die Wahl dieses schnellen 16 Bit Mikroprozessors gefallen. Während der Ausführung des Regelalgorithmus’ soll ferner zu jeder Zeit die serielle Kommunikation mit den Mikrocontroller möglich sein.

Die Idee der feldorientierten Regelung, speziell für die Asynchronmaschine, ist nicht neu. Auf dem Gebiet der Steuerung und Regelung von Antrieben mit spannungseinprägenden Umrichtern wird seit vielen Jahren geforscht. Durch die Vielzahl der veränderbaren Parameter in dem System bestehend aus Ansteuerung, Umrichter und Maschine, ergeben sich viele Ansätze einer Optimierung. Bezüglich Oberwellengehalt, Pendelmomente, Schaltverluste, Regeldynamik und Verhalten bei nichtstationärem Betrieb gibt es noch keine allumfassenden Erkenntnisse.

In dieser Arbeit soll die Grundlage geschaffen werden, an den oben genannten Punkten Untersuchungen anzustellen. Eine Synchonmaschine mit permanenterregtem Axialfeld und Ringkernwicklung (SPARK) soll mit einem spannungseingeprägten Umrichter in Moment und Drehzahl geregelt werden. Die Schaltfrequenz soll in möglichst weiten Grenzen einstellbar sein und für eine Asynchronmaschine soll eine U/f-Kennliniensteuerung möglich sein.

Kapitel 2
Grundlagen
Synchronmaschinen werden für Aufgaben eingesetzt, bei denen hohe Kraft- und Leistungsdichten benötigt werden. Die Rotordrehzahl ist fest mit der Ständerfrequenz verbunden. Die Steuerung einer Synchronmaschine erfordert daher einen in weiten Grenzen verstellbaren frequenzvariablen Umrichter. Läßt der Umrichter den Energiefluß in beide Richtungen zu und ist ferner eine Feldsteuerung vorgesehen, so kann die Synchronmaschine in allen vier Quadranten gefahren werden. Mögliche Steuerverfahren sind der Direktumrichter, der Stromrichtermotor und der Pulswechselrichter. Charakterisierend für den Direktumrichter ist, daß die Energie direkt vom Netz ohne Pufferung in einem Zwischenkreis an die Maschine übertragen wird. Kennzeichnend für den Stromrichtermotor ist der entkoppelnde Zwischenkreis und der maschinengeführte Stromrichter.

2.1 Maschinenmodell in Pollagekoordinaten
Die Regelung einer Drehfeldmaschine kann grundsätzlich sowohl in Stator- als auch in Rotorkoordinaten geschehen. Die Regelung der permanenterregten Synchronmaschine geschieht vorzüglich in den Rotorkoordinaten der Maschine. Bei der permanenterrregten Synchronmaschine ist das Erregerfeld fest mit dem Rotor verbunden. Die Rotorflußachse ist gleichzeitig die Rotor-Nullachse. Die Messung der absoluten Rotorposition liefert damit direkt die Lage des Erregerfeldes. Die ferner für die Regelung nötigen Meßgrößen, die Strangströme, werden im statorfesten Koordinatensystem gemessen und im Mikroprozessor in rotorfeste Größen transformiert. Der Winkelbezug zwischen Stator-Nullage und Rotor-Nullage muß bekannt sein und dem Regelalgorithmus mitgeteilt werden. In Abb. 2.1 ist das einphasige Ersatzschaltbild der Synchronmaschine gezeigt, das durch Gleichung (2.3) beschrieben ist. Die Stromregler sind somit in rotorfesten (d,q)-Koordinaten realisiert.

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