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.
Inhaltsverzeichnis
- 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
- 5.1 Mikrocontroller 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
- 6.1 Test: 9,2KW Dauerbetrieb
- 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
- 7.1 Einführung
- 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
- 8.1 Entwicklungsumgebung
- 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 und Themenschwerpunkte
Die Studienarbeit konzentriert sich auf die Implementierung einer Drehzahlregelung für eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine. Dabei soll der Stromrichter mit einem PIC-Mikrocontroller gesteuert werden. Das Ziel ist die Entwicklung eines Programms, das die Kommunikation zwischen dem Stromrichter und einem PC ermöglicht und so die Steuerung und Einrichtung des Antriebs erlaubt.
- Entwicklung einer dynamischen Drehzahlsteuerung basierend auf den verfügbaren Messwerten
- Anpassung und Parametrisierung der Steuerung an die gesteuerte Maschine
- Realisierung einer dynamischen Drehzahleinstellung mit Begrenzung von Strom und Zwischenkreisspannung
- Entwicklung einer PC-Software zur Steuerung und Darstellung von Messwerten
- Sicherung des Betriebs ohne PC
Zusammenfassung der Kapitel
- Kapitel 1: Einleitung: Die Arbeit beschreibt die Aufgabenstellung, die verwendete Hardware und Software sowie die Vorarbeiten.
- Kapitel 2: Konzept: Die Arbeit analysiert die Möglichkeiten zur Drehzahlregelung und legt die Zielsetzung fest. Außerdem wird der gewählte Ansatz der „Quasi-Stationären“ Regelung und deren Einschränkungen vorgestellt.
- Kapitel 3: Erfassung der Messwerte: Dieses Kapitel beschreibt die Erfassung von Motorstrom, Zwischenkreisspannung und Drehzahl mit detaillierter Erklärung der dabei auftretenden Probleme und deren Lösungen.
- Kapitel 4: Verarbeitung der Messwerte: Dieses Kapitel erläutert die Umsetzung der Notabschaltung, die Motoransteuerung, die „Quasi-Stationäre“ Regelung sowie die Drehzahlregelung.
- Kapitel 5: Software: Dieses Kapitel beschreibt die Struktur der Mikrocontroller Software mit ihren Modulen und der Interrupt-Struktur sowie die Kommunikation mit dem PC über das "NibbleTransfer" Protokoll und die PC-Software.
- Kapitel 6: Test und Einsatz: Dieses Kapitel schildert die Tests des Umrichters im Dauerbetrieb, Reversierbetrieb und bei der Ansteuerung eines Linearmotors.
- Kapitel 7: Benutzer-Anleitung: Dieses Kapitel führt den Benutzer in die Bedienung des PC-Programms "KompaktConf.exe" für die Steuerung und die Parametrisierung des Umrichters ein.
- Kapitel 8: Nützliche Hinweise für PIC-Entwickler: Dieses Kapitel gibt hilfreiche Hinweise für die Entwicklung von Software für PIC-Mikrocontroller mit dem SDCC-Compiler.
- Kapitel 9: Ausblick: Dieses Kapitel diskutiert die Reserven des verwendeten PIC18F4431, die Verwertung der entwickelten Module und die Möglichkeiten der Weiterentwicklung des Umrichters.
Schlüsselwörter
Die Studienarbeit beschäftigt sich mit der Drehzahlregelung für umrichtergespeiste Asynchronmaschinen, wobei ein PIC-Mikrocontroller zur Steuerung des Stromrichters eingesetzt wird. Die wichtigsten Schlüsselwörter sind: Asynchronmaschine, Drehzahlregelung, Stromrichter, PIC-Mikrocontroller, U/f-Kennlinie, Quasi-Stationäre Regelung, Rampenregelung, Drehzahlrückführung, NibbleTransfer Protokoll, EMV-Probleme, Temperaturentwicklung.
- Arbeit zitieren
- Nikias Klohr (Autor:in), 2007, Implementierung einer Drehzahlregelung für umrichtergespeiste Asynchronmaschinen mit einem Mikrocontroller, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/84276