Bei 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 Synchonmaschine 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.
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 Reglerstrucktur mit PI-Stromregler, I-Drehzahlregeler 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 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 Arbeit bildete die Messung der Stromrippel bei unbelasteter und belasteter Maschine, des Stromverlaufs und des Verhaltens beim Reversiervorgang und Sollwertsprung.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Maschinenmodell in Pollagekoordinaten
2.2 Transformation der Phasenströme (3 → 2)
2.3 Transformation in Rotorkoordinaten (a,b) → (d,q)
2.4 Transformation in Statorkoordinaten (d,q)→(a,b)
2.5 Das Prinzip der feldorientierten Regelung
2.6 Maschinenparameter
2.7 Mikrorechner für die digitale Regelung
2.8 Realisierung der mathematischen Funktionen
2.8.1 Die Quadratwurzeliteration
2.8.2 Reihenentwicklung der Funktion arctan(x)
2.8.3 Interpolation der Funktion arctan(x)
2.9 Das Shannonsche Abtasttheorem
2.10 Ansätze bei der Reglerauswahl
2.10.1 Beschreibung der zeitdiskreten Regelstruktur
2.10.2 Auslegung der Regler
2.10.3 Zeitverhalten der Regelung
2.11 Verluste im Wechselrichter
3 Die Hardware
3.1 Die Architektur des C167
3.1.1 Übersicht
3.1.2 Speicherorganisation
3.1.3 Das externe Bus-Interface
3.1.4 Konfiguration des Externen Bus Controllers (EBC)
3.1.5 Registerbänke
3.1.6 Speichermodelle
3.1.7 Anbindung externer Speicherbausteine
3.2 Das Entwicklungsboard
3.2.1 Der RAM-Monitor
3.2.2 Programmdownload ins Flash
3.2.3 Verwendete Hardware
3.2.4 Jumperkonfigurationen
3.2.5 Firmware / Technische Daten
3.2.6 Speicherverwendung
3.2.7 Das serielle Interface
3.2.8 Pinbelegung
3.2.9 Anbindung externer Hardware
3.2.10 Verwendung der Timer/Counter für die Positionserfassung und Geschwindigkeitsmessung
3.2.11 Die Resolver-Gebersignale
3.2.12 Das Resolverkabel
3.2.13 Das LCD-Display
3.2.14 Die Schnittstelle zum Umrichter
4 Steuerverfahren
4.1 Einleitung
4.2 Prinzip der Raumzeigermodulation
5 Softwarebeschreibung
5.1 Einleitung
5.2 Der Keil Compiler V3.11
5.2.1 Compiler- und Linkeroptionen
5.2.2 Die Datentypen
5.3 Präprozessoranweisungen für das bedingte Übersetzen
5.4 Modulare Programmierweise
5.5 PEC Transfers
5.6 Die A/D-Wandlung
5.7 Die A/D-Wandlung mit PEC-Kanal 2
5.8 Die Pulsweitenmodulation (PWM)
5.9 Die Verwendung der Timer und Counter
5.10 Die Geschwindigkeitsmessung
5.10.1 Vorabbetrachtungen
5.10.2 Die CAPREL-Einheit
5.10.3 Fehlerbestimmung
5.11 Probleme beim bedingten Initialisieren der PEC Transfers
5.12 Messen der Zwischenkreisspannung
5.13 Serielles Lesen des Polradwinkels
5.14 Die Stringausgabe auf die serielle Schnittstelle
5.15 Zeichenausgabe auf das LCD-Display
5.16 Die Strommessung
5.16.1 Synchronisation der Strommessung
5.17 Die Run-Time-Library
5.18 Verwendete Funktionen
5.19 Die serielle Kommunikation (RS232)
5.19.1 Einstellen der Baudrate
5.19.2 Ändern der Schaltfrequenz fPWM
5.19.3 Einstellen des Betriebsmodus’
5.19.4 Schnelle Datenanforderung
5.20 Beschreibung der Betriebsmodi
5.20.1 Der Monitormodus
5.20.2 Abgleich der Nullposition Rotorfeld / Statorfeld
5.20.3 Der Steuermodus
5.20.4 Der Betrieb mit/ohne Wicklungsdrossel
5.20.5 Der Stromregelmodus
5.20.6 Der Drehzahlregelmodus
5.20.7 Der Fehlermodus
5.21 Systemparameter
5.22 Realisierung der Regler
5.22.1 Der I-Regler
5.22.2 Der PI-Regler
5.22.3 Der P-Regler
5.23 Wahl der Skalierungsfaktoren
5.23.1 Skalierungsfaktoren bei der Multiplikation von Zahlen im long-Format
5.24 Überstrom-Schutzmaßnahmen
5.24.1 Diskrete Realisierung der Überstromabschaltung
5.25 Probleme während der Erprobung
6 Meßergebnisse
7 Zusammenfassung
A Sourcecode und Platinenlayout
A.1 Liste erstellter Dateien
A.2 Input-Platine
A.2.1 Bestückungsplan
A.2.2 Layout Bestückungsseite
A.2.3 Layout Lötseite
A.2.4 Teileliste
A.3 Das LCD-Display
A.3.1 Bestückungsplan
A.3.2 Teilelisten
A.4 Phytec kitCON-167 - Platine
A.4.1 Verwendete Signale
A.5 GAL-Gleichungen
A.6 Sourcecode
A.6.1 Datei: C167SPAR.C
A.6.2 Datei: C167SPAR.H
A.6.3 Datei: C167UT.C
A.6.4 Datei: C167UT.H
A.6.5 Datei: C167SER.C
A.6.6 Datei: C167SER.H
A.6.7 Datei: C167DIS.MSG
Zielsetzung und Themen
Die Arbeit befasst sich mit der Konzeption und dem Aufbau einer digitalen Strom- und Drehzahlregelung für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine unter Verwendung eines 16-Bit-Mikrocontrollers vom Typ C167. Das primäre Ziel besteht darin, durch eine leistungsfähige Signalverarbeitung und feldorientierte Regelung die dynamischen Eigenschaften der Maschine zu optimieren und Grundlagen für weiterführende Untersuchungen im Bereich der Antriebstechnik zu schaffen.
- Implementierung der feldorientierten Regelung mittels C167-Mikrocontroller
- Optimierung von Reglerstrukturen und Entkoppelnetzwerken für Synchronmaschinen
- Entwicklung und Konfiguration einer hardwarenahen Softwarearchitektur für Echtzeitanwendungen
- Realisierung schneller mathematischer Funktionen und Signalverarbeitung (z.B. A/D-Wandlung, Geschwindigkeitsmessung)
Auszug aus dem Buch
Die Pulsweitenmodulation (PWM)
Der C167 verfügt über vier unabhängige PWM Kanäle, die in verschiedenen Modi betrieben werden können. Detaillierte Beschreibungen sind in [13] zu finden. Für die PWM zur Wechselrichteransteuerung eignet sich gut die symmetrische Pulsweitenmodulation, wie sie vom C167 unterstützt wird. Im Kern besteht die PWM-Einheit aus vier unabhängigen 16 Bit PWM Timern (PTx), je einem Komparator, vier Shadow-Registern, vier Periodenregistern (PPx) und den zugehörigen Werteregistern (PWx). Der Wert in dem Werteregister PWx, welches die aktuelle Pulsweite enthält, wird in das Shadow-Register geladen und mit dem aktuellen Counterstand (PTx) verglichen. Wenn der Counterstand einen Wert erreicht hat, der gleich oder größer dem des Shadow-Registers ist, so wird der entsprechende Ausgangspin auf ’High’ gesetzt.
Ähnlich ist die Arbeitsweise für die Einstellung der Zyklusperiode. Der im Periodenregister (PPx) abgelegte Wert wird ebenfalls in ein Shadow-Register geladen. Stellt der Comparator eine Gleichheit zwischen diesem Wert und dem aktuellen Counterstand fest, so wird in diesem Modus die Zählrichtung des Counters ungedreht. Nachteilig ist, daß für kleine Schaltfrequenzen die Auflösung kleiner wird.
Zusammenfassung der Kapitel
Einleitung: Einführung in die Problematik der Antriebstechnik und die Motivation für den Einsatz digitaler Mikrocontroller bei Synchronmaschinen.
Grundlagen: Mathematische Herleitung des Maschinenmodells, Transformationen zwischen Koordinatensystemen und Grundlagen der feldorientierten Regelung.
Die Hardware: Detaillierte Beschreibung des C167-Mikrocontrollers sowie des verwendeten Entwicklungsboards und der Peripherie-Schaltungen zur Signalaufbereitung.
Steuerverfahren: Erläuterung der Raumzeigermodulation als Verfahren zur Ansteuerung von Umrichtern.
Softwarebeschreibung: Detaillierte Darstellung der Softwarearchitektur, Implementierung der Regelalgorithmen, Fehlerbehandlungsroutinen und Systemparameter.
Meßergebnisse: Präsentation der experimentell ermittelten Stromverläufe und Reversierverhalten unter verschiedenen Betriebsbedingungen.
Zusammenfassung: Fazit der Arbeit und Ausblick auf notwendige Verbesserungen hinsichtlich Störsicherheit und Systemerweiterungen.
Schlüsselwörter
Feldorientierte Regelung, Synchronmaschine, C167 Mikrocontroller, Raumzeigermodulation, Stromregelung, Drehzahlregelung, Pulsweitenmodulation, Antriebstechnik, Resolver, Echtzeitverarbeitung, Umrichter, Softwareoptimierung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit beschreibt den Entwurf und den Aufbau einer digitalen Strom- und Drehzahlregelung für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine auf Basis eines C167-Mikrocontrollers.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der feldorientierten Regelung, der hardwarenahen Programmierung (inklusive der Nutzung von PEC-Kanälen für schnelle Interrupt-Service-Routinen) und der Optimierung der Regelungsdynamik.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel ist es, eine effiziente digitale Regelstruktur zu implementieren, die den Anforderungen der Antriebstechnik gerecht wird und die Maschine in Moment und Drehzahl präzise steuert.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden mathematische Modelle zur Beschreibung der Synchronmaschine in rotorfesten Koordinaten (d,q-System) verwendet, kombiniert mit zeitdiskreten Reglerentwürfen und einer softwarebasierten Raumzeigermodulation.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen des Maschinenmodells, die Hardware-Konfiguration, die spezifischen Steuerverfahren der Raumzeigermodulation sowie die detaillierte Softwarebeschreibung der Implementierung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Feldorientierte Regelung, C167, Synchronmaschine, Raumzeigermodulation, Antriebstechnik.
Welche Rolle spielt die PEC-Einheit bei der A/D-Wandlung?
Die PEC-Einheit (Peripheral Event Controller) wird genutzt, um die A/D-Wandlung hardwarenah ohne CPU-Last zu triggern und Ergebnisse effizient direkt in den Speicher zu schreiben, was eine deutliche Zeitersparnis im Regelzyklus ermöglicht.
Warum ist der Einsatz einer Wicklungsdrossel für den Betrieb kritisch?
Beim Betrieb ohne Drossel treten Störimpulse und Stromspikes auf, die die Regelung stören können. Zudem kann es bei hohen Strömen und Schaltfrequenzen zu einer überproportionalen Erwärmung des Rotors kommen, weshalb der Betrieb ohne Drossel nur bei niedrigen Frequenzen empfohlen wird.
- Quote paper
- Dr. Rüdiger Kusch (Author), 1998, Entwurf und Aufbau einer digitalen Strom- und Drehzahlregelung für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/19719