In diesem Beitrag wird, basierend auf dem TMS320LF2407A DSP als Kern, eine hochleistungsfähige, volldigitale rotorfeldorientierte Vektorregelung für einen Asynchronmotor implementiert. Die Implementierungsmethode und die wichtigsten Herausforderungen beim Entwurf werden detailliert analysiert. 1 Einleitung Die rotorfeldorientierte Vektorregelung (ROV) ist eine praxistaugliche und leistungsstarke Regelungstechnik für Asynchronmotoren. Sie bietet den Vorteil der vollständigen Entkopplung von Drehmoment- und Flussregelung; die Schwierigkeit der Koordinatentransformation schränkte ihre Anwendung jedoch bisher ein. Mit der Weiterentwicklung der Leistungselektronik und Computertechnologie ist diese Technologie zunehmend einfacher zu implementieren und hat sich zur bevorzugten Wahl für leistungsstarke Asynchronmotorantriebssysteme entwickelt. In den letzten Jahren hat die rasante Entwicklung der DSP-Chiptechnologie zu schnelleren DSPs und einer größeren Vielfalt an Peripheriegeräten geführt, was den zunehmenden Einsatz von DSP-Controllern als Mikroprozessor in komplexeren Asynchronmotor-Regelungssystemen zur Folge hat. Diese Arbeit nutzt den TI TMS320LF2407A DSP als Kern zur Implementierung einer hochleistungsfähigen, volldigitalen rotorfeldorientierten Vektorregelung für einen Asynchronmotor und analysiert die Implementierungsmethode sowie einige Probleme im Design. 2 Einführung in den TMS320LF2407A Der von TI eingeführte TMS320LF2407A ist ein relativ ausgereifter und kostengünstiger DSP für die Motorsteuerung. Seine Hauptmerkmale sind: (1) Eine Befehlsausführungsgeschwindigkeit von bis zu 40 MIPS, die seine Echtzeit-Steuerungsfähigkeit verbessert; (2) 32K Wörter Flash-Speicher, 544 Wörter DARAM und 2K Wörter SARAM auf dem Chip, die die Anforderungen allgemeiner Anwendungen erfüllen und im Wesentlichen keine externe Speichererweiterung erfordern; (3) Zwei Ereignismanager-Module, EVA und EVB, mit 4 Timern, 16 PWM-Kanälen (davon 12 in programmierbare Totzonen integrierbar), zwei Sätzen unabhängiger Quadraturimpulseingänge und 6 Erfassungsausgängen. Diese Funktion ermöglicht die synchrone Ansteuerung mehrerer Motoren. (4) Der Speicher ist extern erweiterbar, was die Entwicklung komplexerer Software oder die Speicherung großer Datenmengen erleichtert. (5) Integrierter Watchdog und Phasenregelschleife (PLL) machen einen Quarzoszillator bis 40 MHz überflüssig. (6) 10-Bit-16-Kanal-Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler (minimale Wandlungszeit 375 ns). (7) CAN-Controller, SCI- und SPI-Schnittstellenmodul sind im Lieferumfang enthalten. (8) 41 programmierbare Multiplex-I/O-Pins decken den hohen I/O-Anforderungsbedarf der Motorsteuerung ab. Die genannten Eigenschaften des TMS320LF2407A zeigen, dass sich der Hardware-Aufbau eines leistungsstarken asynchronen Motor-Vektorsteuerungssystems durch den Einsatz dieses DSP als CPU deutlich vereinfachen lässt. Gleichzeitig werden hohe Echtzeitfähigkeit und niedrige Systemkosten gewährleistet. 3 Rotorfeldorientiertes Vektorregelungssystem Die Grundstruktur des rotorfeldorientierten Vektorregelungssystems ist in Abbildung 1 dargestellt. Die vorgegebene Drehzahl n_ref wird mit der Rückkopplungsdrehzahl n verglichen, um den Drehzahlfehler en zu ermitteln. Nach Durchlaufen des PI-Reglers wird der Drehmomentstrom i*sq generiert und mit dem tatsächlichen Drehmomentstrom isq verglichen, um vs_sqref zu erzeugen. Andererseits erzeugt die vorgegebene Drehzahl n_ref den Flussverkettungswert über eine spezifische Flussverkettungskurve. Nach Vergleich mit der tatsächlichen Flussverkettung des Motors erzeugt der PI-Regler vs_dref. Die Kopplungsterme von vs_sqref und vs_dref werden kompensiert, und nach Durchlaufen der PARK-Inverstransformation werden vs_αref und vs_βref für SVPWM erhalten. Das SVPWM-Modul erzeugt 6 PWM-Signale mit variabler Totzeit zur Ansteuerung des Leistungstransistors. Um die Regelung des Stromkreises zu realisieren, werden zwei Ströme, ia und ib (bei einem Drehstrom-Käfigläufermotor genügen zwei Ströme), erfasst. Nach der Clarke- und Park-Transformation werden die tatsächlichen Statorstromkomponenten isd und isq im synchronen Rotationskoordinatensystem ermittelt. Die Erregerstromkomponente isd wird mittels eines von den Motorparametern abhängigen Filters erster Ordnung gefiltert, um den Rotorfluss zu bestimmen. Gleichzeitig wird der aus dem Rotorfluss und der Statorstrom-Drehmomentkomponente ermittelte Schlupf ωsl zur Rückkopplungsdrehzahl n addiert, um die Synchrondrehzahl ωe zu erhalten. Die Integration von ωe liefert den Rotorfeldorientierungswinkel θ, der für die Koordinatentransformation und die Spannungskopplungskompensation verwendet wird. Das Funktionsprinzip des Gesamtsystems ist klar und die Struktur relativ einfach, was ein wichtiger Grund für seine weite Verbreitung ist. 4 Systemimplementierung basierend auf dem TMS320LF2407A DSP Abbildung 1: Strukturdiagramm des Rotorfeldorientierungs-Vektorsystems Obwohl die in Abbildung 1 dargestellte Struktur des Vektorregelungssystems relativ einfach ist, war ihre Implementierung vor dem Aufkommen leistungsstarker Mikrocontroller (MCUs) oder digitaler Signalprozessoren (DSPs) aufgrund der Koordinatentransformation äußerst schwierig. Mit dem Aufkommen leistungsstarker DSP-Controller ist die vollständig digitale Implementierung des gesamten Vektorregelungssystems nun Realität. Basierend auf den Eigenschaften des TMS320L-F2407A wird die vollständig digitale Implementierung des in Abbildung 1 dargestellten Rotorfeldorientierungs-Vektorregelungssystems im Folgenden beschrieben. Im Strukturdiagramm des Rotorfeldorientierungs-Vektorregelungssystems in Abbildung 1 können – mit Ausnahme der folgenden drei Teile, die zusätzliche Schaltungen erfordern – alle anderen Teile durch Softwareprogrammierung des DSP implementiert werden: (1) Wenn der 6-Kanal-PWM-Ausgang an den Leistungstransistor gesendet wird, müssen eine externe Treiber- und eine Optokopplerschaltung hinzugefügt werden; (2) Die Stromabtastung erfordert einen Stromsensor und eine Signalaufbereitungsschaltung; (3) Für die Drehzahlrückmeldung sind eine Optokopplerscheibe, eine Rauschfilterung und eine Optokoppler-Isolationsschaltung erforderlich. Im System wird SVPWM vom SVPWM-Hardwaremodul im Ereignismanager des TMS320LF2407A DSP generiert, was die Softwareprogrammierung vereinfacht. Die PWM-Totzone kann durch den programmierbaren Totzonengenerator im DSP erzeugt werden; der analoge Strom kann durch das A/D-Modul des DSP digitalisiert werden; die Flussverkettungskurve kann durch Programmierung mittels Polynomanpassung implementiert werden; die PARK- und inverse PARK-Transformation können durch Nachschlagen in einer Tabelle implementiert werden; weitere Verknüpfungen, die Differenzierung und Integration beinhalten, können nach einer Diskretisierungsmethode durch Softwareprogrammierung implementiert werden. Der Softwareablauf des Kernsteuerungsteils des Systems ist in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 2: Software-Steuerungsablauf des Systems. Tabelle 1: Datenformat der Hauptvariablen in der digitalen Systemimplementierung. Bei der digitalen Systemimplementierung sind mehrere Punkte zu beachten: (1) Verwendung von relativen Werten oder Istwerten. Da der TMS320LF2407A ein Festkomma-DSP mit einer Rechengenauigkeit von 32 Bit ist, empfiehlt sich die Verwendung des relativen Werteformats. Die Parameter lassen sich so leicht an verschiedene Asynchronmotoren anpassen. (2) Auswahl des Datenformats: Für verschiedene Parameter- und Variablentypen muss das Format situationsabhängig gewählt werden. Beispielsweise liegen die Spannungs- und Stromvariablen des Systems im 4.12-Format vor, das einen Bereich von -8,00000 bis +7,99976 V abdeckt und nicht von einem spezifischen Stromwert abhängt. Das Datenformat der Hauptvariablen des Systems ist in Tabelle 1 dargestellt. (3) Berechnung der Schlupfwinkelgeschwindigkeit anhand der gegebenen Rotorfluss- und Statorstrom-Drehmomentkomponenten. Dieses Verfahren gewährleistet die Stabilität des Systems auch bei hohem Rückkopplungsstromrauschen. Da das relative Werteformat verwendet wird, können n und ωsl direkt addiert werden. 5. Experimentelle Ergebnisse. Abbildung 3 zeigt die Drehzahl- und Stromverläufe bei nref = 600 U/min (Kpn = 2,0, Kin = 0,25, Kpt = 1,0, Kii = 0,125). Abbildung 4 zeigt die Drehzahl- und Stromverläufe bei nref = 0,1 U/min (Kpn = 5,0, Kin = 1,5, Kpt = 2,5, Kii = 1,0). Die hohe Leistungsfähigkeit des volldigitalen, rotorfeldorientierten Vektorregelungssystems auf Basis des DSP TMS320LF2407A wurde in einem Kontrollexperiment an einem 3-kW-Käfigläufermotor demonstriert (Motorparameter siehe Anhang). Die Drehzahl- und Stromverläufe des Systems bei den Drehzahlen 600 U/min bzw. 0,1 U/min sind in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt. Die Drehzahl- und Stromverläufe in Abbildung 3 sind zeitlich konsistent, und die Reglerparameter für Drehzahl und Strom sind wie folgt; die Reglerparameter in Abbildung 4 sind ebenfalls wie folgt. Abbildung 3 zeigt, dass das System ein sehr schnelles Ansprechverhalten aufweist. Nach Erreichen des stationären Zustands ist der Strom im Wesentlichen Gleichstrom, jedoch treten aufgrund der unvollständigen Entkopplung des spannungsabhängigen Kopplungsterms in Bezug auf die Synchrondrehzahl noch Schwankungen auf. Abbildung 4 zeigt, dass bei niedrigeren Drehzahlen die Reglerparameter entsprechend erhöht werden müssen, um eine bessere Regelung zu erzielen. Zusätzlich treten Stromschwankungen aufgrund von Stromrückkopplungsrauschen, Berechnungsgenauigkeit und dem Integralanteil auf. Da die Synchrondrehzahl jedoch sehr niedrig ist, hat der spannungsabhängige Kopplungsterm nur einen minimalen Einfluss auf den Strom, was zu sehr geringen Schwankungen im stationären Zustand führt. Nach dem Empfang eines Rückdrehmoments nach etwa 2,3 Sekunden sinkt die Drehzahl abrupt um 2,0 U/min. Aufgrund des Integraleffekts tritt ein Überschwingen auf, das sich schließlich zwischen 0 und 0,2 U/min stabilisiert. Dies beweist, dass das System bei einer niedrigen Solldrehzahl von 0,1 U/min gut funktioniert. 6. Fazit: In diesem Beitrag wird die digitale Implementierungsmethode eines rotorfeldorientierten Vektorregelungssystems auf Basis des DSP TMS320LF2407A beschrieben. Es werden einige wichtige Aspekte der digitalen Implementierung analysiert und experimentelle Ergebnisse eines konkreten Beispiels zur Steuerung eines Asynchronmotors präsentiert. Diese Ergebnisse belegen, dass das vollständig digitale rotorfeldorientierte Vektorregelungssystem auf Basis des TMS320LF2407A eine hochpräzise Regelung ermöglicht. 7 Anhang – (Parameter des im Experiment verwendeten Asynchronmotors) Nennleistung: 3 kW Nennphasenspannung: 220 V Nennfrequenz: 50 Hz Nenndrehzahl: 1430 U/min Nennstrom: 6,6 A Polpaarzahl: 2 Statorwiderstand: 1,798 Ω Rotorwiderstand: 1,781 Ω Statorinduktivität: 0,212 H Rotorinduktivität: 0,2175 H Gegeninduktivität: 0,2066 H Trägheitsmoment: 0,055 kg/m²