Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt ein sensorloses Selbsterkennungsverfahren für die Rotorposition eines Motors vor, das auf der räumlichen Polverfolgung basiert. Das Verfahren nutzt eine Hochfrequenz-Spannungsträgerinjektion und einen Rotorpositionsbeobachter mit Heterodynverfahren zur Extraktion der Rotorpositionsinformation. Dadurch wird eine sensorlose Erfassung der Motorrotorposition erreicht. Simulationen belegen die Machbarkeit des Verfahrens. Seit den 1980er Jahren hat die AC-Servoregelung mit der rasanten Entwicklung moderner Motoren-, Leistungselektronik-, Mikroelektronik-, Steuerungs- und Computertechnologie große Fortschritte gemacht. Dies führte zu Durchbrüchen bei der Lösung der Probleme komplexer Motorsteuerungen und unzureichender Drehzahlregelung, die AC-Servosysteme zuvor plagten. Die Leistung von AC-Servosystemen hat sich verbessert und ihre Preise sind erschwinglicher geworden. Dadurch sind AC-Servosysteme zu einem wachsenden Trend in modernen elektrischen Servoantriebssystemen geworden, insbesondere im Bereich hochpräziser und leistungsstarker Servoantriebe, und ersetzen DC-Servosysteme. Um die technischen Anforderungen von Hochleistungssystemen zu erfüllen, beispielsweise bei einem Permanentmagnet-Synchronmotor-Antriebssystem, ist für eine hochpräzise und dynamische Drehzahl- und Positionsregelung in der Regel eine feldorientierte Vektorregelung oder eine direkte Drehmomentregelung erforderlich. Unabhängig vom gewählten Regelungsverfahren müssen Drehzahl und Position des Rotors gemessen werden, was üblicherweise durch mechanische Sensoren (Encoder, Solver und Tachogeneratoren) erfolgt. Diese Sensoren weisen jedoch Probleme wie Installationsaufwand, Verkabelungsprobleme und Ausfallanfälligkeit auf, die die Systemzuverlässigkeit beeinträchtigen, den Anwendungsbereich einschränken und die Anforderungen integrierter Systeme nicht erfüllen. Um die verschiedenen Nachteile mechanischer Sensoren in Drehzahlregelungssystemen zu beheben, haben zahlreiche Wissenschaftler sensorlose Wechselstrom-Drehzahlregelungssysteme erforscht. Diese Systeme nutzen relevante elektrische Signale der Motorwicklungen, um Rotorposition und -drehzahl mithilfe geeigneter Verfahren zu schätzen und so eine Selbsterkennung der Rotorposition zu erreichen. Zahlreiche Veröffentlichungen haben verschiedene Methoden zur Rotorpositions- und -drehzahlerkennung vorgeschlagen, die zumeist die Rotorpositionsinformationen durch Messung der Grundwellen-Gegenspannung (EMK) gewinnen. Obwohl diese grundlegende, auf Erregung basierende Methode einfach zu implementieren ist, ist sie aufgrund der extrem geringen Gegen-EMK bei Null- oder niedrigen Drehzahlen nicht anwendbar, was ihre Einsatzmöglichkeiten im Hochgeschwindigkeitsbereich einschränkt. Da diese Methoden zudem auf grundlegenden Spannungs- und Stromsignalen zur Berechnung von Rotorposition und -drehzahl beruhen, reagieren sie sehr empfindlich auf Änderungen der Motorparameter und weisen eine geringe Robustheit auf. Um genaue Rotorpositionsinformationen bei jeder Drehzahl, einschließlich Stillstand, zu erhalten, wurde in der Literatur eine neuartige Methode zur Rotorpositions-Selbsterkennung vorgeschlagen: die Rotorpolverfolgungsmethode. Diese Methode erfordert einen gewissen Grad an ausgeprägten Polen und eine kontinuierliche Hochfrequenzanregung des Motors, wodurch die Rotorpositionserkennung über den gesamten Drehzahlbereich ermöglicht wird. Da diese Methode den räumlichen Effekt der ausgeprägten Pole des Motorrotors verfolgt, ist sie unempfindlich gegenüber Änderungen der Motorparameter und zeigt eine hohe Robustheit. Diese sensorlose Rotorpositions-Selbsterkennungsmethode stellt somit ein neuartiges wissenschaftliches Konzept dar und besitzt einen bedeutenden theoretischen und praktischen Wert. Diese Arbeit stellt, basierend auf dem Konzept der Rotorpolverfolgung, das Prinzip der Verfolgung der Rotorpolposition eines permanentmagneterregten Synchronmotors (IPM) mittels Hochfrequenz-Spannungseinspeisung vor. Sie beschreibt detailliert die Implementierungstechnologie der Rotorselbsterkennung unter SPWM-Spannungsanregung, erstellt ein Simulationsmodell des Selbsterkennungsprozesses des Poleffekts mit Matlab und präsentiert die Ergebnisse der Rotorpositions-Selbsterkennung im Hoch- und Niedrigdrehzahlbetrieb. 1. Prinzip der Rotorpositionserkennung basierend auf dem räumlichen Polprofil des Motors: Mit Ausnahme von oberflächenmontierten Motoren weisen die meisten permanentmagneterregten Synchronmotoren ein gewisses Polprofil auf, wodurch die Möglichkeit besteht, den Rotorpol durch Einspeisung eines Hochfrequenz-Trägersignals zu verfolgen. Hochfrequenz-Trägersignal-Einspeisungsverfahren lassen sich in Strom- und Spannungseinspeisungsverfahren unterteilen, wobei die Spannungseinspeisung einfacher zu implementieren ist. Die eingespeiste dreiphasige symmetrische Spannung wird durch einen Trägerspannungsvektor dargestellt, der mit der Trägerfrequenz rotiert. Dabei ist die eingespeiste Hochfrequenz-Trägerspannung im stationären dq-Koordinatensystem und die Amplitude des Trägerspannungsvektors. In einem Antriebssystem mit einem SPWM-Spannungsquellenwechselrichter kann das Hochfrequenz-Trägersignal, wie in Abbildung 1 dargestellt, direkt über den Wechselrichter an die Grundschwingungserregung des Motors angelegt werden. Die Klemmenspannung des Motors beträgt dann: wobei die Amplitude des Grundschwingungsspannungsvektors ist. Abbildung 1 zeigt das Schema der Hochfrequenz-Signaleinspeisung in einen Stromquellen-PWM-Spannungsquellenwechselrichter. Die Frequenz des Hochfrequenz-Trägersignals liegt üblicherweise bei etwa 1 kHz und ist damit deutlich höher als die Grundschwingungsfrequenz. Daher hängt die Motorimpedanz bei Verwendung des Trägerspannungssignals zur Erregung hauptsächlich von der Eigeninduktivität des Motors ab. Das Motormodell kann in diesem Fall wie folgt vereinfacht werden: Besitzt der Motor innerhalb jedes Polteilungsbereichs nur einen räumlich ausgeprägten Pol, so lässt sich die Statorinduktivität im synchron mit der Grundfrequenz rotierenden dq-Koordinatensystem wie folgt ausdrücken: Im stationären dq-Koordinatensystem kann die obige Formel weiter in die Formel transformiert werden, wobei: die mittlere Statorinduktivität, die differentielle Statorinduktivität und die Position des ausgeprägten Pols in elektrischen Winkeln ist. Der Trägerspannungsvektor wirkt auf den Motor mit ausgeprägtem Poleffekt, und der resultierende Trägerstromvektor enthält zwei Komponenten: eine positive und eine negative Phasenfolge. Die Amplituden der positiven und negativen Phasenfolgekomponenten des Trägerstroms sind: Dabei enthält die positive Phasenfolgekomponente keine Positionsinformation und ihre Amplitude ist proportional zur mittleren Induktivität; die negative Phasenfolgekomponente enthält Positionsinformation und ihre Amplitude ist proportional zur differentiellen Induktivität. Um die relevanten Informationen zur Polposition aus dem Phasenwinkel der negativen Phasenkomponente des Trägerstroms zu extrahieren, müssen die positiven Phasenkomponenten des Grundstroms und des Trägerstroms herausgefiltert werden. Da Grundstrom und Trägerstrom deutlich unterschiedliche Frequenzen aufweisen, kann ein Bandpassfilter verwendet werden. Die positiven und negativen Phasenkomponenten des Trägerstroms rotieren in entgegengesetzte Richtungen. Daher kann der Trägerstrom zunächst in ein Referenzkoordinatensystem transformiert werden, das sich synchron mit der Trägerspannung dreht. Dadurch erscheint die positive Phasenkomponente des Trägerstroms als Gleichstrom und kann anschließend mit einem Hochpassfilter herausgefiltert werden. Das Blockdiagramm dieses synchronen Hochpassfilters ist in Abbildung 2 dargestellt. Nach dem Herausfiltern der Grundkomponente des Statorstroms und der positiven Phasenkomponente des Trägerstroms kann der synchrone Hochpassfilter zur Selbsterkennung der Rotorposition mithilfe eines Rotorpositions-Tracking-Beobachters eingesetzt werden. Der Positionsnachführungsbeobachter nutzt das Heterodynverfahren und ermittelt das Rotorpositionsfehlersignal durch das Vektorprodukt der negativen Phasenfolgekomponente des Trägersignals mit Einheitsamplitude und der negativen Phasenfolgekomponente des tatsächlichen Trägerstroms. Abbildung 3 zeigt den Rotorpositionsnachführungsbeobachter mit dem Heterodynverfahren. Da der Schätzwert der negativen Phasenfolgekomponente des Trägerstroms in Einheitsamplitude angegeben wird, ist er unempfindlich gegenüber Änderungen der Motorparameter. 2. Rotorpositionserkennung eines Permanentmagnet-Synchronmotors mit Einschub: Um die Korrektheit und Machbarkeit des auf räumlicher Polverfolgung basierenden Rotorpositionserkennungsprinzips zu überprüfen, simulierte der Autor den Rotorpositionserkennungsprozess eines Permanentmagnet-Synchronmotors mit Einschub. Die Drehzahlregelung erfolgte mittels Stromvektorregelung im geschlossenen Regelkreis. Die Nennbetriebsfrequenz betrug 200 Hz, die Frequenz des eingespeisten Hochfrequenz-Trägersignals 1400 Hz und die Stromversorgung einen SPWM-Spannungsquellenumrichter mit einer Schaltfrequenz von 14 kHz. Die in der Simulation verwendeten Motorparameter sind wie folgt: Nennspannung 220 V, Nennstrom 2 A, Nennleistung 400 W, Nenndrehzahl 6000 U/min, Nenndrehmoment 0,64 Nm, Statorwiderstand pro Phase 1,51 Ω, Polpaarzahl 2, Trägheitsmoment 0,244 × 10⁻³ kg·m². Da die Grundfrequenz des gewählten Permanentmagnet-Synchronmotors 200 Hz beträgt, wurde die Frequenz des eingespeisten Spannungssignals auf 1500 Hz und seine Amplitude auf 1/10 der Grundfrequenzamplitude eingestellt, um negative Auswirkungen auf den Motorbetrieb zu vermeiden. Der PWM-Wechselrichter verwendet SPWM-Modulation mit einer Trägerfrequenz von 20 kHz. Abbildung 5 zeigt den räumlichen Verlauf des extrahierten Hochfrequenzstromvektors bei Nenndrehzahl des Motors (6000 U/min). Aufgrund der kontinuierlichen Rotation des Rotors wird der Rotorpositionswinkel zu einer Funktion der Zeit. Die räumliche Trajektorie ist keine typische geschlossene Ellipse, zeigt aber dennoch das Vorhandensein von ausgeprägten Polen in Abhängigkeit von der Rotorposition. Abbildung 4 zeigt die Trajektorie des Trägerstromvektors bei verschiedenen Rotorpositionen im stationären Koordinatensystem. Bei kontinuierlicher Rotorrotation ist die Trajektorie des Trägerstromvektors im stationären d-q-Koordinatensystem in Abbildung 5 dargestellt. Da sich der Rotor kontinuierlich dreht, kann der Trägerstromvektor für jeden Trägerstromzyklus keine geschlossene Ellipse bilden. Dennoch schließt sich die Trajektorie des Trägerstromvektors mit jeder Umdrehung des Rotors, und die Drehrichtung der Ellipse stimmt mit der Drehrichtung des Rotors überein. Abbildung 5 zeigt die Trajektorie des Trägerstromvektors bei kontinuierlicher Rotorrotation im stationären Koordinatensystem. Aus der obigen Prinzipienanalyse geht hervor, dass die negative Phasenfolgekomponente des Trägerstromvektors eine feste Länge besitzt und ihre Winkelposition Informationen über die Position ausgeprägter Pole enthält. Durch die geeignete Verarbeitung der negativen Phasenkomponente des Trägerstromvektors mithilfe eines Rotorpositions-Tracking-Beobachters lässt sich die räumliche Position des Rotors ermitteln. Um die Effektivität der Rotorpositionserkennung über den gesamten Drehzahlbereich, einschließlich des Stillstands, zu bewerten, wurden Simulationen bei Drehzahlen von 60 und 6000 U/min durchgeführt. Abbildung 6 zeigt die Kurven der geschätzten und gemessenen Rotorposition bei 60 U/min; die Differenz zwischen den geschätzten und gemessenen Werten ist nahezu null. Auch bei 6000 U/min ähneln sich die tatsächlichen und geschätzten Rotorpositionen. Wie ersichtlich, kann dieses Selbsterkennungsverfahren die tatsächliche Position des Motorrotors effektiv verfolgen und erzielt eine ausgezeichnete Genauigkeit, unabhängig von der Drehzahl. Abbildung 6 zeigt die gemessenen und geschätzten Rotorpositionswerte (60 U/min), Abbildung 7 die entsprechenden Werte (6000 U/min). 3. Fazit: Dieser Beitrag stellt eine sensorlose Regelungstechnologie für Permanentmagnet-Synchronmotoren vor, die auf dem fundamentalen Phänomen der räumlich ausgeprägten Pole in Motoren basiert und ein Hochfrequenz-Einspeiseverfahren nutzt. Durch die Verwendung dieses Verfahrens lässt sich die Rotorposition des Motors sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Drehzahlen klar erkennen, wodurch die herkömmliche Erfassung und Identifizierung von Grundwelleninformationen entfällt. Allerdings ist die Rotorposition nur bei Motoren mit vielen ausgeprägten Polen präzise und unempfindlich gegenüber Änderungen der Motorparameter. Dennoch nutzt diese Methode das interne sensorlose Drehzahlregelungssystem des Motors zur Positionserfassung. Dadurch erfüllt sie die hohen Anforderungen an hochpräzise Motorsysteme hinsichtlich Drehzahl- und Positionsregelung und bietet vielversprechende Marktperspektiven.