Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt ein rotorfeldorientiertes Regelungssystem vor, das Flussverkettung und einen Drehzahlschätzer im offenen Regelkreis nutzt. Die zentralen Aspekte des Systemdesigns sind die Beobachtung der Flussverkettung und die präzise Drehzahlschätzung. Im dynamischen Betrieb des Systems ändern sich einige Stator- und Rotorparameter des Motors aufgrund von Temperaturerhöhungen und Sättigung des Magnetkreises und sind somit zeitvariabel. In diesem Artikel werden ein Referenzmodell und ein anpassbares Modell gemäß dem Modellreferenz-Adaptivsystem (MRAS) konstruiert, um die Schätzung von Flussverkettung und Motordrehzahl mittels eines erweiterten Kalman-Filters zu realisieren. Dieser Algorithmus wird erfolgreich zur Entwicklung eines DSP-basierten experimentellen Regelungssystems mit adaptiver Drehzahlerkennung eingesetzt. Gleichzeitig werden die Hardware- und Software-Implementierungsmethoden des DSP-basierten experimentellen Systems vorgestellt und die experimentellen Ergebnisse analysiert. Der Modellversuch wurde an einem 1,0-kW-Induktionsmotor durchgeführt und lieferte gute Regelungsergebnisse. Schlüsselwörter: Induktionsmotor, Adaptiv, Sensorlos, DSP 1 Einleitung: Rotorfeldorientierte Vektorregelungssysteme finden breite Anwendung in industriellen Hochleistungsanwendungen. Da die Vektorregelung einen geschlossenen Drehzahlregelkreis erfordert, wird die Drehzahl häufig mit koaxial montierten Drehzahlsensoren gemessen. Präzisionsdrehzahlsensoren sind jedoch teuer und können in manchen rauen Umgebungen nicht eingesetzt werden. Daher wurde in den letzten Jahren die sensorlose Vektorregelung verstärkt erforscht. Bei sensorlosen Systemen können am Motoranschluss nur Spannungs- und Stromsignale gemessen werden, woraus sich Drehzahl und Rotorfluss berechnen lassen. Dieses System muss zwei Probleme lösen: die Drehzahlschätzung und die Rotorflussmessung [1]. 2 Grundlagen der rotorfeldorientierten Vektorregelung für Asynchronmotoren 2.1 Grundlagen der rotorfeldorientierten Vektorregelung 1971 schlug der Deutsche F. Blaschke das „Regelprinzip der Feldorientierung für Induktionsmotoren“ vor, womit das Konzept der Vektorregelung erstmals formuliert wurde. Nach kontinuierlicher praktischer Weiterentwicklung entwickelte sich daraus das heute weit verbreitete Vektorregelungssystem. Die Feldorientierung löst das Regelungsproblem von Wechselstrom-Drehzahlregelungssystemen mit variabler Frequenz und starker Kopplung mehrerer Variablen. 2.2 Adaptive Drehzahlschätzung der sensorlosen Vektorregelung Um eine präzise Drehzahlregelung zu erreichen, ist die genaue Erfassung des Motordrehzahlsignals erforderlich. Gleichzeitig wird eine genaue Beobachtung des Rotorflusses benötigt, woraus sich ein Drehzahlrückmeldesignal ergibt. In sensorlosen Vektorregelungssystemen können jedoch nur Statorstrom und -spannung des Motors in Echtzeit erfasst werden. Die Drehzahl lässt sich daher aus diesen Werten berechnen. Im dynamischen Betrieb des Systems ändern sich einige Stator- und Rotorparameter des Motors aufgrund von Temperaturerhöhungen und Sättigung des Magnetkreises und sind somit zeitlich veränderlich. Daher kann die Motordrehzahl durch die Erstellung eines Referenzmodells und eines anpassbaren Modells gemäß dem modellreferenzadaptiven System berechnet werden. Ausgehend von der Park-Gleichung und der Flussverkettungsgleichung des Motors im stationären Zweiphasen-Koordinatensystem lassen sich zwei Formen von Rotorflussverkettungsmodellen ableiten: 3. Implementierung des DSP-Systems. Der Hardwareaufbau des Systems ist in Abbildung 1 dargestellt. Das Steuerungssystem verwendet den Mikroprozessor TMS320LF2407A, einen speziell für die Motorsteuerung entwickelten digitalen Signalprozessor. Er verfügt über 12 PWM-Ausgänge, einen 16-Bit-Kern mit vierstufiger Pipeline, eine Taktfrequenz von bis zu 40 MHz und einen integrierten 32-KB-Flash-ROM. Dadurch ist kein zusätzlicher Programmspeicher erforderlich. Die Strommessung erfolgt verstärkt und gefiltert, bevor das Signal anschließend vom 10-Bit-A/D-Wandler des DSP in ein digitales Signal umgewandelt wird. Ein Teil der Ansteuerschaltung des Systems ist in Abbildung 2 dargestellt. Die vom Algorithmus generierten Steuersignale werden als PWM-Signale von den Ausgängen PWM1 bis PWM6 des Ereignismanagementmoduls des DSP ausgegeben. Diese Signale werden anschließend mittels eines 6N137-Hochgeschwindigkeits-Optokopplers isoliert und steuern den IR2132S-Ausgang des IR-Wechselrichters an, um den STGW20NB60KDIGBT zu versorgen und so eine hochpräzise Steuerung des Wechselstrommotors zu erreichen. Zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit und Störfestigkeit werden im Systemdesign Optokoppler-Isolation und Pull-High/Pull-Low-Mechanismen eingesetzt. Die Systemsoftware-Implementierung basiert auf der zuvor hergeleiteten Rotorfeldorientierungstheorie. Das Hauptprogrammablaufdiagramm ist in Abbildung 3 und das Ablaufdiagramm der T1-Unterlauf-Interrupt-Serviceroutine in Abbildung 4 dargestellt. Im praktischen Betrieb enthält der Ausgangsstrom des Wechselrichters signifikantes Rauschen, und bei der Umwandlung des analogen Signals in ein digitales Signal durch den A/D-Wandler kommt zusätzliches Umwandlungsrauschen hinzu. Daher muss der tatsächliche Messwert des Statorstroms zunächst tiefpassgefiltert werden. Zufriedenstellende experimentelle Ergebnisse wurden durch die Implementierung eines erweiterten Kalman-Filters zur Flussverkettungs- und Drehzahlbestimmung in Kombination mit einem Raumvektor-Modulationsalgorithmus erzielt. Dies beweist, dass der erweiterte Kalman-Filteralgorithmus eine hochpräzise Echtzeitschätzung von Flussverkettung und Drehzahl ermöglicht und somit ein sensorloses System mit exzellenter statischer und dynamischer Performance liefert. 4. Experimentelle Ergebnisse: Ein mit dem in dieser Arbeit entwickelten Regelalgorithmus ausgestattetes DSP-Entwicklungsboard wurde an einem 1,0-kW-Drehstrom-Asynchronmotor eingesetzt. Die experimentellen Ergebnisse sind in den Abbildungen dargestellt: Abbildung 5 zeigt den dreiphasigen Statorstrom, Abbildung 6 die Drehzahlkennlinie des Motors. Aus den experimentellen Daten geht hervor, dass der Regelalgorithmus eine wohlgeformte dreiphasige Sinuswelle mit schneller Motorreaktion, geringem Überschwingen und der Fähigkeit zu einer hochleistungsfähigen sensorlosen Motorregelung erzeugt. Die Hardware- und Softwarearchitektur des Systems gewährleistet die zuverlässige Regelung des Drehstrommotors. 5. Fazit: Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die sensorlose Vektorregelung zweifellos die Zukunft ist. Die zentralen Herausforderungen der Vektorregelung sind die Drehzahlschätzung und die Flussverkettungsmessung. Unabhängig vom verwendeten Schätzverfahren ist die Genauigkeit der Variablenschätzung bzw. -messung entscheidend. Mit dem Aufkommen verschiedener neuer Regelungstheorien und der erfolgreichen Entwicklung von Mikroprozessoren mit hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit ist die Rechengeschwindigkeit kein Flaschenhals mehr, der Regelungsalgorithmen einschränkt. Dadurch können die neuesten Regelungsalgorithmen auf die Motorsteuerung angewendet und die Leistung von Vektorregelungssystemen kontinuierlich verbessert werden.