Die Drehzahlregelung mittels Feldschwächung bietet aufgrund ihrer geringen Energieverluste und der hohen Regelgenauigkeit breite Anwendungsmöglichkeiten. Sie ist ideal für Gleichstrommotoren, die ausschließlich auf Feldschwächung basieren. In diesem Beitrag wird ein System zur Drehzahlregelung mittels Feldschwächung mit geschlossenem Regelkreis vorgestellt, das Spannungs-Vorsteuerung und Stromabschalt-Rückkopplung mittels eines DSP-Controllers nutzt. Es wird eine Methode zur Bestimmung der minimalen Feldschwächungsgrenze präsentiert, die ein unkontrolliertes Durchdrehen des Motors effektiv verhindert. Basierend auf den speziellen Anforderungen des geregelten Motors und der Hardwarestruktur des DSP-Controllers werden die Regelungsstrategie und die Implementierungsmethode detailliert beschrieben. Digitale Filterung und Watchdog-Technologie verbessern die Störfestigkeit des Systems. Experimente belegen die hohe Zuverlässigkeit, den einfachen Aufbau und die gute Stabilität des Regelsystems. Schlüsselwörter: DSP, Drehzahlregelung mittels Feldschwächung, minimale Feldschwächungskurve. 1 Einleitung: Gleichstrommotoren, die ausschließlich auf Feldschwächung basieren, werden häufig in Anwendungen mit geringen Platzanforderungen eingesetzt, insbesondere in Drehzahlregelungssystemen für Hochleistungsmotoren. Im Vergleich zur Drehzahlregelung mittels PWM-Wandlern über die Ankerspannung bietet die Feldschwächungsregelung in Hochleistungsanwendungen deutliche Vorteile, darunter geringer Regelenergiebedarf, komfortable Steuerung, geringe Energieverluste und eine hohe Regelgenauigkeit. Dieses Regelungsverfahren findet breite Anwendung in Bereichen mit geringen Anforderungen an die Regelzeit, beispielsweise bei schweren Werkzeugmaschinen mit seltenen Reversiervorgängen [1]. Dank der rasanten Entwicklung von Abschaltvorrichtungen und Computertechnologie lassen sich die ursprünglich analog realisierten Funktionen der Feldschwächungsregelung heute vollständig digital steuern. So können beispielsweise Sanftanlauf und minimale Feldschwächungsspannungsbegrenzung mittels Pulsweitenmodulation (PWM) realisiert werden. Der TMS320LF2407-Chip, ein neues Mitglied der DSP-Controller-Serie 24x, verfügt über mehrere PWM-Ausgangskanäle und ermöglicht so die Realisierung komplexer Controller-Designs. Diese Arbeit befasst sich mit Gleichstrommotoren, die die Drehzahlregelung mittels Feldschwächung vollständig nutzen, einen digitalen Signalprozessor (DSP) als Regler verwenden und Spannungs-Vorsteuerung, Stromabschaltung und Drehzahlrückkopplung zur Auslegung eines Feldschwächungs-Drehzahlregelungssystems einsetzen. 2 Systemanalyse und Funktionsaspekte Angesichts der Eigenschaften des geregelten Motors und des gewählten Drehzahlregelungsverfahrens sind bei der Auslegung des Regelsystems folgende Punkte zu berücksichtigen: 1) In herkömmlichen Stromversorgungssystemen treten zwangsläufig Spannungsschwankungen auf. Daher muss das Regelsystem in der Lage sein, sich an diese großen Schwankungen anzupassen. 2) Die Feldschwächungs-Drehzahlregelung weist ein weiches mechanisches Ansprechverhalten auf. Die Kombination mit einer Drehzahlregelung im geschlossenen Regelkreis kann die mechanischen Eigenschaften des Systems effektiv verbessern. 3) Überdrehzahl ist das größte Problem der Feldschwächungsregelung. Daher ist die minimale Feldschwächungsgrenze von großer Bedeutung. Bei konstanter Versorgungsspannung ist die minimale Feldschwächungsgrenze konstant; bei Spannungsschwankungen ändert sie sich als Kurve in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung. 4) Bei zu niedriger Versorgungsspannung, wenn der Motor mit Nenndrehzahl und konstantem Drehmoment laufen soll, steigt der Betriebsstrom. Um Stromänderungen zu unterdrücken und einen Überstrom zu verhindern, ist eine Stromabschaltung mit negativer Rückkopplung unerlässlich. 5) Auch das Anlaufstromproblem des Motors muss bei der Auslegung des Regelsystems berücksichtigt werden. Sanftanlauf ist hierfür eine gute Lösung. Zusätzlich bietet die sanfte Abschaltung des Motors einen wirksamen Schutz für das System. Aus der obigen Analyse geht hervor, dass das Regelsystem folgende Funktionen erfüllen muss: Sanftanlauf, sanfte Abschaltung, Begrenzung der Feldschwächung, PI-Regelung der Drehzahl im geschlossenen Regelkreis, Stromabschaltung mit negativer Rückkopplung und Schutz vor Systemanomalien. 3 Systemstrukturdiagramm und Funktionsprinzip Die Struktur des verwendeten Regelsystems ist in Abbildung 1 dargestellt. Das Gesamtsystem lässt sich in zwei Teile unterteilen: den Hauptstromkreis außerhalb des gestrichelten Kastens und den Steuerteil innerhalb des Kastens. Der Hauptstromkreis versorgt den Motor mit Strom und Spannung; Der Steuerteil liefert Steuersignale an die Schalttransistoren T1 und T2 und erfasst Strom-, Spannungs- und Drehzahlsignale zur Steuerung. Abbildung 1 zeigt den Aufbau des Steuerungssystems. In Abbildung 1 ist der Leistungsschalttransistor T1 in Reihe mit der Erregerwicklung des Motors geschaltet, um die Erregerspannung zu steuern. T2 ist in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet und löst hauptsächlich das Anlaufproblem des Motors. Die Diode D1 ist parallel zur Erregerwicklung geschaltet und bildet einen Freilaufkreis, um die in der Erregerwicklung gespeicherte Energie freizusetzen, wenn der Schalttransistor T1 ausgeschaltet ist. Die Diode D2 ist parallel zur Ankerwicklung des Motors geschaltet und bildet einen Freilaufkreis für den Ankerkreis, wenn der Schalttransistor T2 ausgeschaltet ist. Im System wird das Drehzahlsignal mit einem optischen Drehgeber erfasst, während die Ankerstrom- und -spannungssignale mit Hall-Sensoren gemessen werden. Beim Anlauf eines Gleichstrommotors muss zunächst ein Magnetfeld aufgebaut werden, bevor die Ankerspannung angelegt werden kann. Beim Anlauf gibt Transistor T1 zunächst ein PWM-Signal mit festem Tastverhältnis aus und steuert anschließend den Schalttransistor T2, dessen Tastverhältnis sich schnell und gleichmäßig von null auf 100 % ändert. Dies ermöglicht einen sanften Anlauf des Motors durch Steuerung der Ankerspannung. Nach dem Anlauf ist Transistor T2 direkt eingeschaltet, und das System befindet sich im geschlossenen Regelkreis. In diesem Zustand steuert ein digitaler PI-Regler (DSP) anhand der Drehzahlrückmeldung das Tastverhältnis des von T1 ausgegebenen PWM-Signals, ändert so die Erregerspannung und stabilisiert die Drehzahl auf einen vorgegebenen Wert. 4. Implementierungsmethoden der Systemfunktionen 1) Sanftanlauf und sanftes Abschalten: Erkennt das DSP-Steuerungssystem ein externes Startsignal, sendet es ein PWM-Signal zum Starten des Systems. Die Sanftanlauf-Implementierungsmethode wurde bereits im Abschnitt über die grundlegende Funktionsweise des Systems erläutert. Mit derselben Methode kann der Motor auch sanft abgeschaltet werden, wenn er stillsteht. Dabei nimmt die Ausgangsimpulsbreite des Schalttransistors schnell von groß auf klein auf null ab. Es ist wichtig zu beachten, dass beim Abschalten zuerst die Ankerspannung und anschließend die Erregung abgeschaltet werden muss; andernfalls läuft der Motor unkontrolliert durch. 2) Kennlinie der minimalen Feldschwächungsgrenze für Gleichstrommotoren: Bei einem drehzahlstabilisierten System kann angenommen werden, dass Drehzahl und elektromagnetisches Drehmoment konstant sind. Gemäß Gleichung (4) lässt sich der Zusammenhang zwischen dem Tastverhältnis des PWM-Wandlers und der Versorgungsspannung durch eine Kurve darstellen, die die Kurve der minimalen Feldschwächungsgrenze darstellt. Befindet sich das System oberhalb dieser Kurve (sicherer Betriebsbereich), darf die Drehzahl die Grenze nicht überschreiten. Im praktischen Betrieb ist es jedoch schwierig, die Motorparameter genau zu ermitteln, und es besteht eine gewisse Abweichung zwischen der aus Gleichung (4) berechneten Kurve der minimalen Feldschwächung und der tatsächlichen Kurve. In der Entwurfsphase können die Motorparameter jedoch durch einfache Messungen und Schätzungen ermittelt, eine erste Kennlinie auf Basis der Messwerte entworfen und anschließend experimentell korrigiert werden, bis ein zufriedenstellendes Regelungsergebnis erzielt wird. Abbildung 2 zeigt die gemessene Kurve der minimalen Feldabschwächung eines bestimmten Motors. Eine weitere Funktion der minimalen Feldabschwächungsgrenze besteht darin, dass das System auch bei Problemen mit der Drehzahlregelung (entspricht dem Betrieb im offenen Regelkreis) normal weiterarbeiten kann. In diesem Fall entspricht der Chopper-Ausgang dem auf Basis der Kurve der minimalen Feldabschwächung berechneten Tastverhältnis. 3) Drehzahlregelung im geschlossenen Regelkreis mittels PI-Regler: Die Drehzahlstabilisierung erfolgt durch einen digitalen PI-Regler mit DSP-Technologie. Der Reglereingang ist das Drehzahlfehlersignal, der Ausgang das PWM-Tastverhältnis. Es handelt sich um einen PI-Regler mit begrenzter Ausgangsleistung. Wie bereits erwähnt, darf das Tastverhältnis des PWM-Signals die minimale Feldabschwächungsgrenze nicht unterschreiten, was eine untere Grenze für den PI-Regler darstellt. Um sicherzustellen, dass der PI-Regler über ausreichend Einstellspielraum verfügt und die Verluste des Schalttransistors durch das Tastverhältnis berücksichtigt werden, sollte die tatsächliche minimale Feldschwächungskurve des Systems unterhalb der idealen Kurve (der Kurve entsprechend der Drehzahl n) liegen, wie in Abbildung 3 dargestellt. Zur Verbesserung des Systemansprechverhaltens ist es außerdem notwendig, den PI-Regler nach oben zu begrenzen, wie in der oberen Grenzwertkurve in Abbildung 3 dargestellt. Dadurch arbeitet der PI-Regler in einem bandförmigen Bereich, dessen obere und untere Grenzwerte sich dynamisch mit dem durch die Versorgungsspannung bestimmten minimalen Feldschwächungspunkt ändern. Auf diese Weise wird die Schwankung der Versorgungsspannung als messbares Störsignal durch Vorsteuerung in den Systembetrieb einbezogen, was ein Durchgehen des Motors wirksam verhindert und die Leistung des Drehzahlreglers im geschlossenen Regelkreis verbessert. 4) Stromabschaltung mit negativer Rückkopplung: Durch Überwachung des Motorstroms wird bei Überschreiten eines bestimmten Wertes eine Stromrückkopplung eingeführt, um den Eingang des PI-Reglers zu reduzieren und die Ausgangsspannung des Leistungstransistors zu senken, wodurch der Stromanstieg unterdrückt wird. Diese Regelung, die eine negative Stromrückkopplung nur dann einführt, wenn der Strom einen bestimmten Wert überschreitet, verhindert übermäßigen Strom im Hauptstromkreis und stellt sicher, dass die Stromrückkopplung unwirksam ist, wenn das Drehzahlregelungssystem innerhalb des vorgegebenen Strombereichs arbeitet. Dadurch erhält das Drehzahlregelungssystem ein relativ starres statisches Verhalten. 5) Schutz vor Systemanomalien Die Schutzmechanismen des Steuerungssystems sind in Hardware- und Softwareschutz unterteilt. Bei Zuständen wie Überstrom und Überspannung, die das System beschädigen können, kann nur der Hardwareschutz schnell genug reagieren. Bei Zuständen wie Unterspannung, Überlastung und Überdrehzahl, die für Motor und Steuerungssystem nicht allzu kritisch sind, kann die Software die erfassten Daten verarbeiten, sofern die Abtastrate des DSP-Controllers hoch genug ist. 5 Hardwarestruktur und Software-Design des Controllers 5.1 Hardwarestruktur des DSP-Controllers Die Hardwarestruktur des DSP-Controllers ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Ankerspannungs- und -stromsignale werden über die Signalaufbereitungsschaltung an den AD-Abtasteingang des DSP angeschlossen; die Start- und Stoppsignale werden über die Erfassungseinheit erfasst; Das Drehzahlrückmeldesignal des Motors ist eine Sinuswelle, die vor dem Anschluss an die Erfassungseinheit des DSP durch die Signalaufbereitungsschaltung gefiltert und in ein Rechtecksignal umgewandelt werden muss. Die Ausgangssignale des DSP sind die von den Allzweck-Timern 1 und 2 erzeugten PWM-Signale, die den Pins T1PWM und T2PWM des DSP entsprechen. Das Ausgangssignal T1PWM dient als Steuersignal für Schalter T1, während T2PWM als Steuersignal für Schalter T2 dient. Das Schutzsignal der Ansteuerschaltung ist mit dem Schutzpin PDPINTA des DSP verbunden. 5.2 Software-Design 1) Ablaufdiagramm der Hauptschleife Wie in Abbildung 5 dargestellt, wird das System nach der Initialisierung durch die Erfassung des Schaltsignals bei hoher Drehzahl gestartet. Sobald die Erfassungseinheit 2 das Startsignal erfasst, wird sie unterbrochen und sendet eine Interruptanforderung an den DSP. In der Interrupt-Service-Routine wird das Systemstart-Flag auf 1 gesetzt. Die Hauptschleife erkennt dieses Flag und ruft die Systemstart-Subroutine auf, sobald das Flag auf 1 gesetzt ist. Ebenso wird das Systemstopp-Flag auf 1 gesetzt, wenn die Erfassungseinheit 1 das Stoppimpulssignal erfasst. Erkennt die Hauptschleife, dass das Flag auf 1 gesetzt ist, ruft sie die Systemstopp-Subroutine auf und stoppt das System. 2) Systemstart-Subroutine: Die Systemstart-Subroutine erfüllt zwei Funktionen: Sanftanlauf und Drehzahlregelung mittels PI-Regler. Das Ablaufdiagramm ist in Abbildung 6 dargestellt. Der Sanftanlauf wird durch ein Sanftanlauf-Flag gesteuert; er wird nur ausgeführt, wenn dieses Flag auf 1 gesetzt ist, und nach dem Start gelöscht. Die Drehzahlregelung mittels PI-Regler umfasst zwei Teile: die Berechnung des PI-Reglerausgangs und die Anpassung der PWM-Pulsbreite. Die Berechnung des PI-Reglerausgangs erfolgt nach der Aktualisierung des Drehzahlwerts; andernfalls ändert sich die Ausgangspulsbreite nur entsprechend dem vorherigen Wert der PI-Berechnung. Die PWM-Pulsbreitenanpassung ändert die Pulsbreite stufenlos vom aktuellen Wert auf den vom PI-Regler berechneten neuen Wert und ermöglicht so eine gleichmäßige Drehzahlregelung. Das Blockdiagramm des in diesem System verwendeten digitalen PI-Reglers ist in Abbildung 7 dargestellt. Hierbei ist N die vorgegebene Drehzahl, n die gemessene Motordrehzahl und I bzw. U sind die abgetasteten Motorstrom- bzw. -spannungssignale. Der PI-Regler berechnet den entsprechenden Ausgang anhand des Drehzahlrückkopplungsfehlersignals e = Nn. Der endgültige Ausgang des PI-Reglers muss folgende Beziehung erfüllen: wobei _min die untere Grenze der Feldabschwächung ist, die aus dem Vorsteuerungsspannungssignal ermittelt wird; a ist eine Konstante, d. h. die obere Grenze der Feldabschwächung. Im Stromregelkreis wird der Strom bei zu hohem I-Wert in die Regelung des PI-Reglers einbezogen; A ist die Verstärkung des Stromregelkreises. 3) Systemstopp-Subroutine Die Systemstopp-Subroutine erfüllt im Wesentlichen zwei Funktionen: sanftes Herunterfahren und Löschen des Arbeitsflags. Der Soft-Shutdown-Prozess ähnelt dem Soft-Start-Prozess, mit dem Unterschied, dass sich das Tastverhältnis des PWM-Signals in die entgegengesetzte Richtung ändert. Das Löschen der Betriebsflags umfasst das Löschen der Systemregister und der Benutzerflags. Zusätzlich müssen Variablen, die beim Systemneustart verwendet wurden, neu initialisiert werden. 4) Software-Interferenzschutz: Abbildung 7 zeigt das Blockdiagramm des digitalen PI-Reglers. Gängige Software-Interferenzschutzmethoden sind digitale Filterung und Watchdog-Timer. Digitale Filterung kann Eingangssignalrauschen effektiv eliminieren, während Watchdog-Timer verhindern, dass das System nicht mehr reagiert. Dieses System muss Spannungs-, Strom- und Drehzahlsignale erfassen. Um hochfrequente Störsignale im Leistungskreis und im Motor zu eliminieren, wird ein Gleitfilter zur Vermeidung von Impulsstörungen eingesetzt. Watchdog-Timer werden in Hardware- und Software-Watchdogs unterteilt. Der Hardware-Watchdog im DSP überwacht die Hauptschleife. Das Zeitintervall des Watchdog-Timers ist etwas länger als die Zeit, die das Hauptprogramm für einen normalen Schleifendurchlauf benötigt. Während der Ausführung des Hauptprogramms wird die Timer-Zeitkonstante einmalig aktualisiert. Im normalen Programmbetrieb tritt kein Timing-Interrupt auf. Sollte das Programm jedoch eine Fehlfunktion aufweisen und die Timer-Zeitkonstante nicht rechtzeitig aktualisieren können, was zu einem Überlauf des Watchdog-Timers führt, wird das System zurückgesetzt. Da die Hauptschleife einen Hardware-Watchdog verwendet, kann die Interrupt-Service-Routine nur durch einen Software-Watchdog überwacht werden. In der Hauptschleife ist ein Software-Timer mit einem Zeitintervall größer als die Interrupt-Zeit definiert. Innerhalb der Interrupt-Routine wird einmalig eine Aktualisierung des Software-Zählers durchgeführt. Schlägt der Interrupt fehl und kann der Zähler nicht aktualisiert werden, läuft der Software-Timer über und das System wird zurückgesetzt. 6. Experimentelle Ergebnisse Nach Abschluss des Systemdesigns und der Installation wurde die Systemleistung in den folgenden drei Aspekten getestet: 1) Test des Anlaufstroms und des Schutzpunkts bei anormalem Betrieb. Der Test zeigte, dass der Anlaufstrom des Motors nahe am Betriebsstrom des Motors lag und der getestete Schutzpunkt mit dem vorgesehenen Schutzpunkt übereinstimmte. 2) Test der Feldschwächungskurve im offenen Regelkreis. Im offenen Regelkreis wurde die als Vorsteuerung verwendete Versorgungsspannung so angepasst, dass das System im Bereich der minimalen Feldschwächung arbeitete. Die gemessene Motordrehzahl lag 5 % über der Nenndrehzahl. Dies zeigt, dass das System einerseits über ausreichend Spielraum für die Regelung im geschlossenen Regelkreis verfügt und andererseits selbst bei Problemen mit der Drehzahlregelung ein Durchlaufen des Motors verhindert. 3) Stabilitätsprüfung der Drehzahl im geschlossenen Regelkreis. Unter den Bedingungen der Drehzahlregelung im geschlossenen Regelkreis wies der PI-Regler eine hohe Drehzahlstabilität mit einem Überschwingen von 5 % und einer Einschwingzeit von unter einer Sekunde auf. Umfangreiche Experimente haben gezeigt, dass dieses System eine gute Regelwirkung, hohe Zuverlässigkeit und gute Stabilität aufweist und sich somit ideal als Drehzahlregelung für Gleichstrommotoren eignet, die die Feldschwächungsregelung optimal nutzen. Durch den Einsatz eines digitalen PI-Reglers lassen sich die PI-Parameter leicht anpassen, was die Fehlersuche erheblich beschleunigt und die Implementierung vereinfacht. Referenzen: 1 Gu Shenggu. Grundlagen von Motoren und Antrieben. Beijing: Verlag der Maschinenbauindustrie, 1986 2 Wang Yaode. Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren mit endlicher Feldschwächung und ihre Stabilitätsanalyse. Elektrische Antriebsautomatisierung, 1997.5:17-21 3 Zhang Shiming, Wang Zhenhe. Gleichstrom-Drehzahlregelungssystem. Wuhan: Verlag der Huazhong-Universität für Wissenschaft und Technologie, 1993 4 Liu Heping. TMS320LF240x DSP-Strukturprinzip und Anwendung. Beijing: Verlag der Universität für Luft- und Raumfahrt, 2002 5 Nishikata, S. (Tokyo Denki Univ), Takanami, W., Kataoka, T., Ishizaki, A. Betrachtung der Betriebsgrenzen eines feldschwächenden Drehzahlregelungssystems für einen selbstgesteuerten Synchronmotor. IEE Conference Publication, Bd. 5, Nr. 377, Antriebe I, 1993: 354-359