In der vorliegenden Studienarbeit wurde aufbauend auf bestehender Umrichterhardware und einem U/f-Kennlinien Programm zunächst eine Rampenregelung abhängig vom Motorstrom und der Zwischenkreisspannung entwickelt. Der Aussteuergrad der Motorsteuerung wird dynamisch an die Zwischenkreisspannung angepasst. Damit ist eine reine Steuerung ohne Drehzahlrückführung möglich.
Eine Inkrementalgeberauswertung mit dem Ziel der Minimierung des Quantisierungsfehlers wurde realisiert.
Der Rampenregelung wurde eine Drehzahlregelung mit Vorsteuerung überlagert. Damit
wurde eine schnelle Schlupfausregelung erreicht.
Die Mikrocontroller Software wurde mit dem Ziel möglichst hoher Modularität erstellt.
Dadurch stehen nun alle entwickelten Module auch für andere Arbeiten auf PIC Basis mit einer einfachen Integrationsmöglichkeit zur Verfügung.
Ein Windows Computerprogramm für die Parametrisierung und Messwertanzeige im
laufenden Betrieb wurde entwickelt und während der Tests ausgiebig verwendet.
Es wurden Umfangreiche Dynamik- und Belastungstests durchgeführt und ausgewertet. Die erreichte Dynamik ist gut, die Kühlung der Leistungshalbleiter ist für einen Dauerbetrieb an der Leistungsgrenze allerdings ungenügend.
Damit steht nach dieser Studienarbeit ein dynamischer, bei Bedarf drehzahlgeregelter,
Umrichter mit PC-Messwertanzeige und Parametrisiermöglichkeit zur Verfügung.
1. Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
1.2 Hardware
1.3 Software
1.4 Vorarbeiten
2. Konzept
2.1 Analyse
2.2 Zielsetzung
2.3 Ansatz: „Quasi-Stationäre“ Regelung
2.4 Einschränkungen
3. Erfassung der Messwerte
3.1 Erfassung des Motorstroms
3.2 Erfassung der Zwischenkreisspannung
3.2.1 Betrieb am Maschinenumformer
3.2.2 Betrieb am Brückengleichrichter
3.3 Erfassung der Drehzahl
3.3.1 QEM-Geber
3.3.2 EMV-Probleme bei der Inbetriebnahme des Gebers
3.3.3 EXKURS: QEM-Simulator
3.3.4 QEM-Signalverarbeitung
3.3.5 Fazit
4. Verarbeitung der Messwerte
4.1 Notabschaltung
4.2 Motoransteuerung
4.2.1 Phasenrotation/DDS
4.2.2 Pulsweitenmodulation
4.2.3 Frequenzen
4.3 „Quasi-Stationäre“ Regelung
4.3.1 Regelstrecke
4.3.2 Reglerentwurf
4.3.3 Direkte Regelung der Drehzahl
4.3.4 Regelung der Drehzahl-Rampe
4.3.5 Regelung der Bremsrampe
4.3.6 Feste Rampen um 0
4.3.7 Probleme bei Lasten mit negativen Drehmomentkoeffizient
4.4 Drehzahlregelung
5. Software
5.1 Mikrocontroller Software
5.1.1 Module
5.1.2 Interrupt-Struktur
5.1.3 Semaphoren
5.2 Kommunikation mit dem PC
5.2.1 NibbleTransfer Protokoll
5.2.2 Beispiel Nutzdatenübertragung
5.3 PC Software
6. Test und Einsatz
6.1 Test: 9,2KW Dauerbetrieb
6.1.1 Temperaturentwicklung am IGBT
6.1.2 Temperaturentwicklung am Einspeisemodul
6.2 Test: Reversierbetrieb
6.2.1 Temperaturentwicklung am Chopper Widerstand
6.3 Ansteuerung eines Linearmotors
7. Benutzer-Anleitung
7.1 Einführung
7.1.1 Sollwertvorgabe
7.1.2 Messwertanzeige
7.2 Regel-Parameter
7.2.1 Beschleunigen
7.2.2 Bremsen
7.2.3 Experteneinstellungen
7.2.4 Modus Drehzahlregelung
7.2.5 Schaubild
7.3 PWM-Parameter
7.3.1 Motordaten (U/f Kennlinie)
7.3.2 NOT AUS
7.3.3 Zwischenkreisnachführung
7.4 Bedienteil
8. Nützliche Hinweise für PIC-Entwickler
8.1 Entwicklungsumgebung
8.1.1 PIC Programmieren (Flashen)
8.2 SDCC
8.2.1 Stack Size (__do_cinit Endlosschleife)
8.2.2 Variablen mit Initialisierung
8.2.3 Rechnen im Interrupt
8.2.4 Pointer auf Structs vs. Codegröße
8.2.5 Bit Shifting Fehler
9. Ausblick
9.1 Reserven des PIC18F4431
9.2 Verwertung der Module
9.3 Möglichkeiten der Weiterentwicklung
9.3.1 Temperatur-Überwachung
9.3.2 Variable Sollwertvorgabe
10. Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Implementierung einer effizienten Drehzahlregelung für eine Asynchronmaschine unter Verwendung eines PIC-Mikrocontrollers, wobei die bestehende Hardwarebasis durch eine dynamische Softwaresteuerung optimiert und um eine PC-basierte Konfigurationsmöglichkeit erweitert werden soll.
- Entwicklung einer „Quasi-Stationären“ Regelung zur dynamischen Drehzahlsteuerung.
- Implementierung einer robusten Signalverarbeitung für Motorstrom, Zwischenkreisspannung und Drehzahl.
- Erstellung einer modularen Mikrocontroller-Software auf C-Basis mit RS232-PC-Kommunikation.
- Durchführung umfangreicher Last- und Belastungstests für die Hardware-Validierung.
- Erarbeitung praktischer Optimierungshinweise für PIC-Entwickler bei Verwendung des SDCC-Compilers.
Auszug aus dem Buch
3.3.2 EMV-Probleme bei der Inbetriebnahme des Gebers
Bei der ersten Inbetriebnahme des integrierten Gebers am Maschienensatz von Siemens traten starke EMV-Probleme zu Tage. Diese konnten erst nach längerer Untersuchung lokalisiert werden. Zunächst stand das relativ lange Kabel mit Schirmung unter Verdacht. Es stellte sich heraus, dass die Schirmung nicht mit der Masse der Schaltung verbunden war, weil der SUB-D-Stecker mit Plastik-Unterlegscheiben festgeschraubt worden war. Auch eine korrekt durchgeführte Schirmung behob den Fehler nicht. Das Problem besteht darin, dass eine überlagerte Frequenz auf dem digitalen Gebersignal einen Offset in der Drehzahlauswertung erzeugt. Durch die digitale Art der Datenübertragung gibt es praktisch keine Möglichkeit, diesen Fehler durch einen Filter zu beheben. Bild 5 zeigt die Messung zweier Komplementär-Signale (blau & grün) der differenziellen Übertragung des Gebers. Darunter ist die Differenz (rot), welche mit dem PC berechnet wurde, abgebildet. Es ist zu erkennen, dass die Störung auch in der Differenz auftritt. Dies bedeutet, dass die Störung nicht bei der Datenübertragung im Kabel, sondern noch vor der Differenzenstufe im Geber entstehen muss. Es schien empfehlenswert, einen anderen Maschienensatz mit neuem Geber zu testen. Dieser lieferte auf Anhieb ein einwandfreies Signalmuster und Drehzahlergebnis.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Zielstellung der Implementierung einer Mikrocontroller-gesteuerten Drehzahlregelung für Asynchronmaschinen auf Basis existierender Hardware.
2. Konzept: Definiert den „Quasi-Stationären“ Regelungsansatz als dynamische Alternative zur komplexen feldorientierten Regelung unter Berücksichtigung von Hardwareressourcen.
3. Erfassung der Messwerte: Erläutert die notwendige messtechnische Aufbereitung von Motorstrom, Zwischenkreisspannung und Drehzahl inklusive EMV-Lösungsansätzen.
4. Verarbeitung der Messwerte: Detailierte Darstellung der Reglerstrukturen, der Notabschaltung sowie der Implementierung der Rampenregelung und Drehzahlregelung.
5. Software: Beschreibt die modulare Programmstruktur, die Interrupt-Ebenen, Semaphoren sowie das speziell entwickelte NibbleTransfer-Protokoll zur PC-Kommunikation.
6. Test und Einsatz: Dokumentiert die Validierung der Hardware im 9,2KW-Dauerbetrieb, Reversierbetrieb und bei der Ansteuerung eines Linearmotors.
7. Benutzer-Anleitung: Anleitung zur Nutzung der Konfigurationssoftware „KompaktConf.exe“ und Erläuterung aller Regel- und PWM-Parameter.
8. Nützliche Hinweise für PIC-Entwickler: Sammelt praktische Erfahrungen und Problemlösungen im Umgang mit dem SDCC-Compiler und dem PIC18F4431.
9. Ausblick: Bewertet die Ressourcenauslastung des Mikrocontrollers und nennt Potenziale für zukünftige Weiterentwicklungen wie eine Temperaturüberwachung.
10. Zusammenfassung: Fasst den Projekterfolg zusammen, der in einem dynamisch drehzahlgeregelten Umrichter mit umfassenden Konfigurationsoptionen resultiert.
Schlüsselwörter
Asynchronmaschine, Drehzahlregelung, Mikrocontroller, PIC18F4431, Pulsweitenmodulation, Leistungselektronik, SDCC, RS232, NibbleTransfer, Stromrichter, Rampenregelung, EMV, Inkrementalgeber, Feldorientierte Regelung, Leistungshalbleiter
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung einer Drehzahlregelung für umrichtergespeiste Asynchronmaschinen mittels eines PIC-Mikrocontrollers.
Welche Themenfelder sind zentral?
Zentrale Felder sind die Regelungstechnik für Antriebe, die Leistungselektronik, die Mikrocontroller-Programmierung in C sowie die Entwicklung von Kommunikationsprotokollen für die Konfiguration via PC.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist die Realisierung einer dynamischen und zuverlässigen Drehzahlsteuerung auf Basis existierender Umrichter-Hardware, die auch ohne Drehzahlrückführung funktioniert und über einen PC parametrisierbar ist.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein experimenteller Ansatz gewählt, bei dem eine „Quasi-Stationäre“ Regelung anstelle einer rechenintensiven feldorientierten Regelung implementiert und durch Belastungstests validiert wird.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die Messtechnik, die Implementierung der Regelalgorithmen, die Softwarearchitektur, die PC-Schnittstelle sowie die empirische Auswertung der Hardware-Tests.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren das Dokument?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Asynchronmaschine, Drehzahlregelung, PIC-Mikrocontroller, Pulsweitenmodulation, SDCC-Compiler und Leistungselektronik charakterisiert.
Welchen Vorteil bietet der „Quasi-Stationäre“ Ansatz?
Dieser Ansatz ermöglicht eine hohe Dynamik bei begrenzten Hardwareressourcen des verwendeten Mikrocontrollers, indem auf komplexe feldorientierte Berechnungen verzichtet und stattdessen mit stationären Arbeitspunkten operiert wird.
Warum wurde ein eigenes Kommunikationsprotokoll namens „NibbleTransfer“ entwickelt?
Da für die RS232-Verbindung keine Hardware-Parityüberprüfung zur Verfügung stand, wurde dieses Protokoll entwickelt, um eine hohe Übertragungssicherheit für Steuer- und Sicherungsdaten zu gewährleisten.
Welches Problem trat bei der Drehzahlmessung auf?
Es traten EMV-Störungen am Inkrementalgeber auf, die durch mangelhafte Schirmverbindungen verursacht wurden und eine präzise Drehzahlauswertung verhinderten, bis ein neuer Maschinensatz getestet wurde.
- Quote paper
- Nikias Klohr (Author), 2007, Implementierung einer Drehzahlregelung für umrichtergespeiste Asynchronmaschinen mit einem Mikrocontroller, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/84276
