DE4115338A1

DE4115338A1 - Detecting and/or regulating position or angular velocity of rotor of electrical machine - using Kalman filter to monitor and regulate pulse width modulator of sync. and async. three=phase motors without needing sensors

Info

Publication number: DE4115338A1
Application number: DE4115338A
Authority: DE
Inventors: Bernd-Josef Brunsbach; Gerhard Prof Dr Henneberger; Thorsten Klepsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1991-05-10
Publication date: 1992-11-12

Abstract

The supplies to a three-phase sync. motor (SN) are sampled by 32-bit digital sampling device (T32) to obtain time discrete sampled current (i) and voltage (u) signals. These signals are processed by a Kalman filter to generate a predicted error vector (X) which is divided into rotational (omega) and angular (upsilon) errors. The rotational error is subtracted from the desired rotational speed (omega soll) and fed to a field regulator that produces two current values (i'IA, i'IB). The latter are integrated with the angular error to produce a further two signals (iIA, iIB) and integrated to form driving signals for the synchronous motor pulse width modulator (PWM). ADVANTAGE - Kalman filter control obviates need for motor-mounted sensors, reducing total machine volume.

Description

State of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sensorlosen Erfassen und/oder Einstellen der Rotorlage und/oder Winkelgeschwindigkeit des Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronma schine oder einer Asynchronmaschine, aus der Messung der elektri schen Klemmenspannung und/oder des Maschinenstroms unter Einsatz eines Kalman-Filters bei Verwendung eines Modells der Maschine, de ren Betriebsverhalten durch ein elektrisches Ersatzschaltbild und durch die mechanischen Gleichungen beschrieben wird.The invention relates to a method for sensorless detection and / or adjusting the rotor position and / or angular velocity of the Rotors of an electrical machine, in particular a synchronous machine machine or an asynchronous machine, from the measurement of the electri terminal voltage and / or the machine current using a Kalman filter when using a model of the machine, de ren operational behavior through an electrical equivalent circuit and is described by the mechanical equations.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenEmbodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. Show it

Fig. 1 die Struktur eines Antriebes ohne mechanische Sensoren, Fig. 2 die Formfunktion der Polradspannung einer Synchronmaschine, Fig. 3 ein Systemmodell des Kalman-Filters, Fig. 4 die Struktur eines Versuchsstandes, Fig. 5 den Drehzahlsollwertsprung von posi tiver auf negative Nenndrehzahl mit gestrichelter Angabe des Schätz wertes der Drehzahl und durchgezeichneter Meßdrehzahl für ein rotor festes Maschinenmodell (oben), ein ständerfestes Maschinenmodell (Mitte) und ein Maschinenmodell mit Zustandsvektor minimaler Dimen sion (unten), Fig. 6 eine entsprechende Darstellung für den Betrieb bei kleinen Drehzahlen, Fig. 7 die zugehörige Darstellung für einen Laststoß bei kleinen Drehzahlen, Fig. 8 den Verlauf dynamischer Rauschparameter beim sensorlosen Betrieb einer Synchronmaschine und Fig. 9 die Struktur eines sensorlosen Antriebs mit einer Asynchron maschine. Fig. 1 shows the structure of a drive without mechanical sensors, Fig. 2, the shape function of the synchronous generated voltage of a synchronous machine, Fig. 3 shows a system model of the Kalman filter, Fig. 4 shows the structure of a test stand, Fig. 5 the rotational speed setpoint step of posi tive to negative nominal speed with dashed lines indicating the estimated value of the speed and a traced measurement speed for a rotor-fixed machine model (top), a stator-fixed machine model (middle) and a machine model with state vector of minimal dimension (bottom), Fig. 6 a corresponding representation for operation at low speeds , FIG. 7 the associated representation for a load surge at low speeds, FIG. 8 the course of dynamic noise parameters during sensorless operation of a synchronous machine and FIG. 9 the structure of a sensorless drive with an asynchronous machine.

Description of the embodiments

Durch die feldorientierte Betriebsweise lassen sich Synchron- und Asynchron maschinen mit vergleichbaren Momentenanregelzeiten wie eine fremderregte Gleichstrommaschine betreiben. Der Ersatz der elektrischen Erregung durch Permanentmagnete bei einer Synchronmaschine oder die Anwendung von streuarmen Asynchronkurzschlußläufern ermöglichen die Realisierung eines hochdynamischen, schleifringlosen Antriebs. Die erforderliche Bestimmung der Lage des Rotorflußes ist bei Synchronmaschinen sehr einfach, da der Rotorfluß durch die Rotorlage und durch den Erregerstrom definiert ist, wo hingegen bei der Asynchronmaschine Lage und Größe des Läuferflußes, der nicht direkt meßbar ist, aus den Ständerströmen und der Läuferdrehzahl über ein Modell berechnet werden müssen. Neben dem Drehzahlmesser für den drehzahlgeregelten Betrieb ist in beiden Fällen also noch ein Lagesen sor zur Lageerfassung an den Motor anzubauen. Vernachlässigt man den Verlust an Robustheit und Wartungsarmut, der durch den Einbau der me chanischen Sensoren entsteht, so verbleibt noch der Nachteil, daß Bauraum zur Aufnahme der Zusatzaggregate benötigt wird, der insbesondere bei Ser voantrieben in der Leistungsklasse bis 10 kW einen relevanten Anteil am Ge samtvolumen der Maschine ausmachen kann. Um die aufwendige Sensorik ersetzen zu können, wurden Konzepte ohne mechanische Sensoren entwickelt, die eine Bestimmung der Rotorposition und der Winkelgeschwindigkeit aus den elektrischen Klemmengrößen ermöglichen. The field-oriented mode of operation allows synchronous and asynchronous machines with comparable torque rise times as a separately excited one Operate DC machine. Replacement of electrical excitation with Permanent magnets in a synchronous machine or the application of Low-scatter asynchronous short-circuits allow the realization of a highly dynamic, slip ringless drive. The required provision the position of the rotor flux is very simple with synchronous machines, since the Rotor flux through the rotor position and through the excitation current is defined where however, in the case of the asynchronous machine, the position and size of the rotor flow, the cannot be measured directly from the stator currents and the rotor speed have to be calculated using a model. In addition to the tachometer for speed-controlled operation is still a situation in both cases Attach the sensor to the motor for position detection. If you neglect that Loss of robustness and low maintenance caused by the installation of the me mechanical sensors arises, there is still the disadvantage that installation space is required to accommodate the additional units, which is especially in Ser in the power class up to 10 kW, a relevant share of Ge total volume of the machine. The complex sensor technology to be able to replace, concepts were developed without mechanical sensors, which determine the rotor position and the angular velocity enable the electrical terminal sizes.

Ein unabhängig vom Umrichterkonzept arbeitendes Verfahren setzt dazu ein erweitertes Kalman-Filter ein, das auf einem geeignetem Maschinenmodell basiert. Im Echtzeitbetrieb sind aber nur solche Modelle der Maschine ge eignet, die einerseits das stationäre und dynamische Verhalten möglichst ex akt beschreiben und andererseits kleine Abtastzeiten zulassen. Dieser Bei trag stellt die Herleitung von verschiedenen Maschinenmodellen, die Anpas sung an den Einsatz für das Kalman-Filter sowie den Vergleich in der Rea lisierung für die permanenterregte Synchronmaschine vor. Die Implemen tierung erfolgt auf einem digitalen Signalprozessorsystem (DSP) mit einem TMS320C30.A process that works independently of the converter concept is used extended Kalman filter on a suitable machine model based. In real-time operation, however, only such models of the machine are ge is suitable, on the one hand, the stationary and dynamic behavior as possible ex describe act and on the other hand allow small sampling times. This case trag derives the different machine models, the adapt solution to the use for the Kalman filter and the comparison in the Rea lization for the permanently excited synchronous machine. The implemen is done on a digital signal processor system (DSP) with a TMS320C30.

Verwendete FormelzeichenFormula symbols used

A Systemmatrix im zeitdiskreten Zustandsraum
B Induktion
B Eingangsmatrix im zeitdiskreten Zustandsraum
C Ausgangsmatrix im zeitdiskreten Zustandsraum
f Formfunktion, Frequenz
F Systemmatrix im zeitkontinuierlichen Zustandsraum
G Eingangsmatrix im zeitkontinuierlichen Zustandsraum
h Ausgangsfunktion im zeitdiskreten Zustandsraum
H Ausgangsmatrix im zeitkontinuierlichen Zustandsraum
i Strom
I_N Nennstrom
I Einheitsmatrix
J Trägheitsmoment
K Kalman-Matrix
l Länge
L Induktivität
m Moment
p Polpaarzahl
P Kovarianzmatrix des Zustandsvektors
Q Kovarianzmatrix des Systemrauschens
R Ohmscher Widerstand
R Kovarianzmatrix des Meßrauschens
T Abtastzeit, Zeitkonstante
u Spannung
u Eingangsvektor
v Geschwindigkeit
v Meßrauschen
w Windungszahl
w Systemrauschen
x Zustandsvektor
y Ausgangsvektor
γ Lagewinkel
Γ Eingangsmatrix für das Systemrauschen
ξ Wicklungsfaktor
Φ Übertragungsfunktion
ψ Flußverkettung
ω Drehzahl, Kreisfrequenz A System matrix in the time-discrete state space
B induction
B Input matrix in the time-discrete state space
C Output matrix in the time-discrete state space
f shape function, frequency
F System matrix in the continuous-time state space
G Input matrix in the time-continuous state space
h Output function in the time-discrete state space
H output matrix in the continuous-time state space
i electricity
I _N rated current
I unity matrix
J moment of inertia
K Kalman matrix
l length
L inductance
m moment
p number of pole pairs
P covariance matrix of the state vector
Q covariance matrix of system noise
R ohmic resistance
R covariance matrix of measurement noise
T sampling time, time constant
u tension
u input vector
v speed
v Measurement noise
w number of turns
w System noise
x state vector
y output vector
γ attitude angle
Γ Input matrix for system noise
ξ winding factor
Φ transfer function
ψ River chaining
ω speed, angular frequency

verwendete Indices:indices used:

1, 2, 3 Bezeichnung des entsprechenden Ständerstrangs
d, q Längs-, Querachse
i induziert, inneres Moment
K k-te Oberschwingung(-welle)
M Magnet
N Nennwert
p Polrad(-spannung)
r rotorfestes Bezugssystem
s ständerfestes Bezugssystem
u (Formfunktion der) Spannung
- Mittelwert
ˆ Scheitelwert
∼ Nullsystem1, 2, 3 Designation of the corresponding stator string
d, q longitudinal, transverse axis
i induced inner moment
K kth harmonic (wave)
M magnet
N nominal value
p flywheel (voltage)
r rotor-fixed reference system
s frame-fixed reference system
u (form function of) tension
- Average
ˆ peak value
∼ zero system

Der Einsatz eines Kalman-Filters für den feldorientierten, sensorlosen Be trieb von Synchronmaschinen wurde in (6), (7), (11) für elektrisch erregte, magnetisch unsymmetrische Synchronmaschinen untersucht. Die Entwick lung neuer hochenergetischer Seltenerdmagnete ermöglicht jedoch den Ersatz der elektrischen Erregung und mit steigender Energiedichte eine Reduktion des Rotorvolumens. Aufgrund der hohen Materialkosten finden Antriebe mit Erregung durch Permanentmagnete die größte Verbreitung im Leistungsbe reich bis 10 kW.The use of a Kalman filter for field-oriented, sensorless loading drive of synchronous machines was in (6), (7), (11) for electrically excited, magnetically asymmetrical synchronous machines examined. The develop However, new high-energy rare earth magnets enable replacement of electrical excitation and with increasing energy density a reduction of the rotor volume. Due to the high material costs, drives are included Excitation by permanent magnets is the most widespread in the field of performance rich up to 10 kW.

Der Ersatz der mechanischen Sensoren durch das Kalman-Filter ist nur dann sinnvoll, wenn dem Gesamtantrieb dadurch keine zusätzlichen Betriebsgren zen auferlegt werden. Mit steigender Drehzahldynamik wird es schwieriger, diese Anforderung, bei gleichzeitig begrenzt verfügbarer Rechenleistung, zu erfüllen, da der Filter-Algorithmus relativ umfangreich ist.The replacement of the mechanical sensors with the Kalman filter is only then makes sense if the overall drive does not have any additional operating limits zen to be imposed. As the speed dynamics increase, it becomes more difficult this requirement, at the same time with limited available computing power because the filter algorithm is relatively extensive.

Die Komplexität des Maschinenmodells, auf dem das Kalman-Filter basiert, bestimmt im wesentlichen die erforderliche Rechenzeit. Die Aufgabe besteht also darin, ein Maschinenmodell zu entwickeln, das zum einen das Betriebs verhalten der Maschine hinreichend exakt beschreibt und dabei zum anderen eine kleine Abtastzeit erlaubt. Bei der Modellentwicklung kann man die Feh lertoleranz des Kalman-Filter-Algorithmus ausnutzen, da sowohl verrauschte Meßwerte als auch fehlerbehaftete Modelle zulässig sind.The complexity of the machine model on which the Kalman filter is based essentially determines the required computing time. The task is there In other words, to develop a machine model that, on the one hand, is the company describes the behavior of the machine with sufficient accuracy and at the same time on the other a small sampling time allowed. When developing the model you can see the mistake Exploit the tolerance of the Kalman filter algorithm, as both noisy Measured values and faulty models are permitted.

Erfindungsgemäß werden drei Maschinenmodelle für den Einsatz in einem Kalman-Filter vorgeschlagen, die zum einen die Eigenschaften der Ma schine bei Permanentmagneterregung berücksichtigen (nichtsinusförmiges Luftspaltfeld) und zum anderen zu einer erheblichen Rechenzeitminimierung genutzt werden können. Die Bewertung des Einsatzes der untersuchten Ma schinenmodelle erfolgt durch vergleichende Simulationen und-Messungen.According to the invention, three machine models are used in one Kalman filter proposed that the properties of Ma Consider the machine with permanent magnet excitation (non-sinusoidal Air gap field) and on the other hand to a considerable computing time minimization can be used. The evaluation of the use of the examined Ma Machine models are made through comparative simulations and measurements.

Die Struktur eines sensorlosen Drehstromantriebs ist in Bild 1 dargestellt. Als Eingangs- und Ausgangsgrößen für das Kalman-Filter werden lediglich die Strom- und Spannungswerte gemessen. Bei Umrichterkonzepten mit di gitaler Regelung reduziert sich der dazu erforderliche Hardwareaufwand ent sprechend. The structure of a sensorless three-phase drive is shown in Figure 1. Only the current and voltage values are measured as input and output variables for the Kalman filter. In the case of converter concepts with digital control, the hardware expenditure required for this is reduced accordingly.

Auf die Strom- bzw. Spannungsmessung kann ganz verzichtet werden, wenn der Sollwert in guter Näherung dem Istwert entspricht. Die verbleibende Abweichung kann als "Meßfehler" aufgefaßt und vom Filter toleriert wer den. In der beschriebenen praktischen Realisierung konnte deshalb auf die Strommessung verzichtet werden.There is no need to measure current or voltage if the target value corresponds to the actual value in a good approximation. The remaining one Deviation can be understood as a "measurement error" and tolerated by the filter the. In the practical implementation described, therefore, the Current measurement can be dispensed with.

Das Kalman-Filter liefert zu jedem Abtastzeitpunkt sowohl einen Schätz wert für die aktuelle Rotorlage als auch eine Vorhersage für den nächsten Abtastzeitpunkt. Dieser Wert wird für die Transformation der rotorfesten Stromsollwerte auf das ständerfeste Koordinatensystem herangezogen. Die Abtastzeit des Kalman-Filters begrenzt die zeitliche Auflösung des Lagewin kels und somit die maximal erreichbare Frequenz des Ständerstroms. Damit eine Einschränkung des Betriebsbereichs des Antriebs nicht durch das Filter hervorgerufen wird, muß die Abtastzeit der folgenden Anforderung genügen.The Kalman filter provides both an estimate at each sampling time worth for the current rotor position as well as a prediction for the next one Sampling time. This value is used for the transformation of the rotor-fixed Current setpoints are used on the fixed coordinate system. The Sampling time of the Kalman filter limits the temporal resolution of the position win kels and thus the maximum achievable frequency of the stator current. In order to the filter does not limit the operating range of the drive , the sampling time must satisfy the following requirement.

Fordert man für eine maximale Ständerfrequenz f₁ von 200 Hz eine mini male Auflösung Δ_γ von π/10 so resultiert eine maximale Abtastzeit T von 250 µs, bei niedrigeren Drehzahlen ergibt sich bei gleicher Abtastzeit eine sehr hohe Auflösung Δ_γ. Bei dem relativ aufwendigen Filter-Algorithmus kommt somit neben der Leistungsfähigkeit der Hardware der Modellbildung eine besondere Bedeutung zu, um diesen kleinen Wert für die Abtastzeit zu realisieren. Durch eine geeignete Wahl des Maschinenmodells lassen sich erhebliche Rechenzeitreduktionen erreichen, die nicht zu Lasten der Schätz genauigkeit gehen.If you demand a minimum resolution Δ _γ of π / 10 for a maximum stator frequency f ₁ of 200 Hz, a maximum sampling time T of 250 µs results; at lower speeds, a very high resolution Δ _γ results with the same sampling time. With the relatively complex filter algorithm, in addition to the performance of the hardware, modeling is of particular importance in order to realize this small value for the sampling time. With a suitable choice of machine model, considerable computing time reductions can be achieved that do not affect the accuracy of the estimation.

Ein wesentlicher Vorteil des Kalman-Filter-Verfahrens besteht darin, daß Mo dellfehler der Maschine in gewissen Grenzen zugelassen werden können. Diese "Fehlertoleranz" läßt sich bei der Modellbildung vorteilhaft ausnutzen, denn es besteht offensichtlich eine wechselseitige Abhängigkeit zwischen Modell komplexität, Modellfehlern und der benötigten Rechenzeit. A major advantage of the Kalman filter method is that Mo dell errors of the machine can be allowed within certain limits. These "Fault tolerance" can be used to advantage in modeling, because there is obviously an interdependency between the model complexity, model errors and the required computing time.

Das Prinzip des Kalman-Filter-Verfahrens besteht darin, eine Filterung für den aktuellen Wert des Zustandsvektors und eine Prädiktion für den nächsten Abtastzeitpunkt zu machen. Die Güte der Vorhersage, und somit die Genau igkeit des Modells wird im folgenden Abtastschritt durch die Abbildung des Zustandsvektors auf den Ausgangsvektor bewertet. Die Zeitkonstanten des Systems begrenzen die maximale Auswirkung von Modellfehlern innerhalb eines Abtastschritts. Um die Auswirkung von systematischen Modellfehlern klein zu halten, wird daher bei der Modellbildung an mehreren Stellen die Voraussetzung getroffen, daß die Abtastzeit des Kalman-Filters wesentlich kleiner als die im System vorkommenden Zeitkonstanten sein soll.The principle of the Kalman filter method is filtering for the current value of the state vector and a prediction for the next one To make sampling time. The quality of the prediction, and therefore the exactness The model is verified in the following sampling step by mapping the State vector evaluated on the output vector. The time constants of the Systems limit the maximum impact of model errors within a sampling step. The impact of systematic model errors Keeping it small is therefore the key when building a model Assume that the sampling time of the Kalman filter is essential should be smaller than the time constants occurring in the system.

Bei den hier betrachteten Maschinenmodellen ist der Zustandsvektor mit den Strömen und den eigentlich gesuchten Größen der Drehzahl und der Lage besetzt, da nur Elemente des Zustandsvektors geschätzt werden. Die elektri schen Zeitkonstanten für die Ströme sind i.a. um den Faktor fünf bis zehn kleiner als die mechanische Zeitkonstante für die Drehzahl. Der Wert der elektrischen Zeitkonstanten liegt etwa bei 1-5 ms, wobei gemäß der obigen Forderung dieser Wert etwa um eine Größenordnung größer als die Abtast zeit sein soll. Aus der oben dargestellten allgemeinen Forderung, daß dem Antrieb durch das Kalman-Filter keine Einschränkungen auferlegt werden sollen, resultierte eine obere Grenze der Abtastzeit des Kalman-Filters von 0.25 ms. Damit ist die Forderung, daß die Abtastzeit des Kalman-Filters klein im Vergleich zu den Systemzeitkonstanten sein soll, immanent erfüllt.In the machine models considered here, the state vector is with the Currents and the actually sought sizes of the speed and the position occupied, since only elements of the state vector are estimated. The electri time constants for the currents are generally by a factor of five to ten less than the mechanical time constant for the speed. The value of the electrical time constant is around 1-5 ms, whereby according to the above Demand this value about an order of magnitude larger than the sample time should be. From the general requirement outlined above that Driving through the Kalman filter no restrictions are imposed should result in an upper limit on the sampling time of the Kalman filter of 0.25 ms. So the requirement is that the sampling time of the Kalman filter should be small compared to the system time constants, inherently fulfilled.

State representation

Die Darstellung des Maschinenmodells im zeitkontinuierlichen Zustandsraum lautet allgemein (8):The representation of the machine model in the continuous-time state space is generally (8):

= F · x + G · u (2) =F ·x +G ·u (2)

y = H · x (3) y = H · x (3)

Die Transformation auf ein zeitdiskretes System ergibt:The transformation to a discrete-time system results in:

x _k + 1 = A _k · x _k + B _k · u _k (4) x _k + 1 = A _k · x _k + B _k u _k · (4)

y _k = C _k · x _k (5) y _k = C _k · x _k (5)

Die Berechnung des äquivalenten, zeitdiskreten Systems ist für eine elek trische Maschine sehr aufwendig, da das System nichtlinear ist. Durch die Forderung einer kleinen Abtastzeit lassen sich die folgenden Näherungen zur Berechnung eines zeitdiskreten Modells finden:The calculation of the equivalent, discrete-time system is for an elec tric machine very complex, since the system is non-linear. Through the Requiring a small sampling time, the following approximations can be used Find calculation of a discrete-time model:

Die Beschreibung des Betriebsverhaltens elektrischer Maschinen erfolgt durch elektrische und mechanische Beziehungen. Das elektrische Ersatzschaltbild beschreibt das Klemmenverhalten der Maschine. Die Kopplung von elek trischen und mechanischen Größen erfolgt durch die Momentengleichung, die zwei unbekannte Terme, nämlich das Last- und Trägheitsmoment, be inhaltet. Diese beiden Größen sind, wenn überhaupt, nur mit einem nicht zu rechtfertigendem Aufwand meßbar. Daher wird man bei der Modellbil dung das Konzept verfolgen, bei den elektrischen Gleichungen der Maschine möglichst kleine systematische Modellfehler zuzulassen, um die Fehlertole ranz des Kalman-Filters vollständig dazu auszunutzen, die mechanischen Gleichungen zum Teil signifikant zu vereinfachen.The operating behavior of electrical machines is described by electrical and mechanical relationships. The electrical equivalent circuit describes the terminal behavior of the machine. The coupling of elek trical and mechanical quantities is done by the equation of moment, the two unknown terms, namely the load moment and the moment of inertia, be contains. These two sizes are, if at all, only with one measurable at justifiable effort. Therefore you will at the model bil to follow the concept in the electrical equations of the machine allow systematic model errors to be as small as possible in order to avoid the error tolerance of the Kalman filter to take full advantage of the mechanical Simplify some of the equations significantly.

Electrical equivalent circuit diagram

Aufgrund des Feldverlaufs bei Permanentmagnetbestückung der Läuferober fläche und der Statornutung kann man bei der Modellbildung für eine per manenterregte Synchronmaschine nicht davon ausgehen, daß alle Feldober wellen zu null werden ((3), (10), vgl. Fig. 2). Im weiteren werden sie daher berücksichtigt. Due to the field profile with permanent magnet assembly of the rotor surface and the stator grooving, one cannot assume that all field waves will be zero ((3), (10), see Fig. 2) when building a model for a man-excited synchronous machine. They will therefore be taken into account further on.

Die Polradspannung für einen StrangThe magnet wheel tension for one strand

läßt sich durch eine drehzahlproportionale Funktion û_p1(t) und durch eine Formfunktion f_up1(γ) (vgl. 10) darstellen.can be represented by a speed _proportional function û _p1 (t) and by a _shape function f _up1 (γ) (cf. 10).

Setzt man bei einer dreisträngigen Maschine die 120° Periodizität voraus, was praktisch immer gegeben ist, lassen sich die Verläufe der restlichen Pol radspannungen in der gleichen Weise formulierenAssuming 120 ° periodicity for a three-strand machine, what is practically always given is the course of the rest of the pole Formulate wheel voltages in the same way

u_p2(t) = _M · w(t) · f_up2(γ) (10) _p2 u (t) = _M · w (t) · f _up2 (γ) (10)

u_p3(t) = _M · w(t) · f_up3(γ) (11)u _p3 (t) = _M · w (t) · f _up3 (γ) (11)

Die Darstellung des allgemeinen Ersatzschaltbildes (ESB) einer Synchron maschine lautet in Matrizenschreibweise:The representation of the general equivalent circuit diagram (ESB) of a synchronous machine in matrix notation reads:

Die Induktivitäten können sowohl von der Polradlage als auch vom Strom abhängig sein. Der Wert der ohmschen Ständerwiderstände ist i.a. für alle Stränge gleich.The inductances can depend on the magnet wheel position as well as on the current be dependent. The value of the ohmic stator resistance is generally for all Strands equal.

R₁ = R₂ = R₃ = R (15)R₁ = R₂ = R₃ = R (15)

Die Berücksichtigung der Sättigungseffekte erfolgt hier nicht explizit, son dern es wird angenommen, daß die Änderung der Induktiviten, die sich mit der Zeitkonstanten des Stromes vollzieht, wegen der kleinen Abtastintervalle sehr gering ist und deshalb von Abtastschritt zu Abtastschritt nachgeführt werden kann. Die vollständige Berücksichtigung der Lageabhängigkeit der Induktivitäten ist für die magnetisch unsymmetrische Maschine erforderlich. Hier wird nur der Fall der symmetrischen Maschine betrachtet. Unter den obigen Voraussetzungen läßt sich der elektrische Teil des Modells darstellen:The saturation effects are not taken into account explicitly here but it is believed that the change in inductivities associated with the time constant of the current because of the small sampling intervals is very small and therefore tracked from scan step to scan step can be. The full consideration of the positional dependence of the Inductors are required for the magnetically asymmetrical machine. Only the case of the symmetrical machine is considered here. Among the The electrical part of the model can be represented above:

Die mechanischen GleichungenThe mechanical equations

J_ges = J_o + J(t) (17)J _tot = J _o + J (t) (17)

beinhalten neben der zu schätzenden Lage und Drehzahl die unbekannten nichtelektrischen Größen des Lastmoments m_Last und des Gesamtträgheitsmoments J_ges. Die Reduktion auf die Bestimmung eines modifizierten Lastmomentes ist möglich. Eine meßtechnische Erfassung des Lastmoments ist entweder unmöglich bzw. so aufwendig, daß die Vorteile des sen sorlosen Betriebs vollständig entfallen würden. Zur Ankopplung der mecha nischen Gleichungen an das elektrische Ersatzschaltbild sind daher Ansätze erforderlich, die zu einem einfachen realisierbaren Modell führen. Auf einige Möglichkeiten hierzu wird später noch im Detail eingegangen.contain, in addition to the position and speed to be estimated, the unknown non-electrical variables of the load moment m _load and the total moment of inertia J _tot . The reduction to the determination of a modified load torque is possible. A measurement of the load torque is either impossible or so complex that the advantages of sen carefree operation would be completely eliminated. Approaches are required to couple the mechanical equations to the electrical equivalent circuit diagram, which lead to a simple, feasible model. Some options for this will be discussed in detail later.

Bei den meisten Umrichterkonzepten ist der Mittelpunktleiter nicht zugäng lich, so daß der Summenstrom verschwindet. Daher wird im folgenden vor ausgesetzt:The center conductor is not accessible in most converter concepts Lich, so that the total current disappears. Hence the following exposed:

i₁ + i₂ + i₃ = 0 bzw. i₃ = -i₁ - i₂ (21)i₁ + i₂ + i₃ = 0 or i₃ = -i₁ - i₂ (21)

Für die Bilanzgleichung der Ständerspannungen ergibt sich dann:For the balance equation of the stator voltages we get:

Die Summe der Strangspannungen bildet ein Nullsystem, wenn die Polrad spannung Oberschwingungen mit dem ungradzahligem Vielfachen der Ord nungszahl Drei aufweist.The sum of the phase voltages forms a zero system if the magnet wheel voltage harmonics with the odd multiple of the ord has three.

Auf der Basis des elektrischen Ersatzschaltbildes (16) und der Ankopplung der mechanischen Gleichungen (18-20) lassen sich verschiedene Modell kombinationen für den Einsatz im Kalman-Filter finden. Die Bewertung der Vor- bzw. Nachteile der verschiedenen Maschinenmodelle bleibt der Im plementierung, der Analyse des Rechenzeitbedarfs sowie dem Vergleich der Schätzergebnisse vorbehalten. Based on the electrical equivalent circuit diagram (16) and the coupling The mechanical equations (18-20) can be of different models Find combinations for use in the Kalman filter. The review the advantages and disadvantages of the different machine models remain the Im implementation, the analysis of the computing time requirement and the comparison of the Reserved results of estimates.

Ausgehend von dem allgemeinen Ersatzschaltbild der permanenterregten Syn chronmaschine (vgl. Gl. 16) kann man das Maschinenmodell durch die Wahl der entsprechenden elektrischen Komponenten des Zustandsvektors als "Strommodell" oder "Flußmodell" formulieren. Hier werden ausschließlich Strommodelle untersucht, da dann in der Ausgangsmatrix keine vom Be triebspunkt der Maschine abhängigen Ersatzschaltbildgrößen auftreten, de ren Verstellung die Abbildung des Zustandsvektors auf den Ausgangsvektor verfälschen könnte. Um den Modellumfang zu minimieren, kann man zwei anstatt drei Strangspannungen berücksichtigen. Bei zwei Spannungen redu ziert sich der Rechen- und Hardwareaufwand entsprechend, wobei aber zu beachten ist, daß die dritte Spannung nicht aus den anderen beiden ermittelt werden kann.Based on the general equivalent circuit diagram of the permanently excited syn chron machine (cf. Eq. 16), the machine model can be determined by the Choice of the corresponding electrical components of the state vector as Formulate "stream model" or "river model". Here are exclusively Current models examined, since then no of the Be drive point of the machine dependent equivalent circuit diagram sizes occur, de ren adjustment the mapping of the state vector to the output vector could falsify. To minimize the range of models, you can use two instead of considering three string voltages. With two voltages reduced the computing and hardware expenditure adorns itself accordingly, but with note that the third voltage is not determined from the other two can be.

Die obigen Modelle bilden "120°" Systeme, d. h. sie sind ständerfest und nicht aus senkrecht stehenden, entkoppelten Spulensystemen aufgebaut. Führt man mit Hilfe der Zweiachsentheorie (4) die Transformation auf ein senk recht stehendes 2-Phasensystem durch, kann diese nur dann leistungsinva riant (LIV) durchgeführt werden (Gl. 25), falls alle drei Strangspannungen bekannt sind. Anderenfalls muß die Transformation leistungsvariant (LV) erfolgen (Gl. 24). Die Berechnung der Formfunktionen für das ständerfe ste "90°" Modell der Maschine kann erfolgen, falls das Superpositionsprinzip gilt.The above models form "120 °" systems, ie they are fixed to the stand and are not constructed from vertical, decoupled coil systems. If one uses the two-axis theory ( 4 ) to carry out the transformation to a vertical 2-phase system, this can only be performed with power inversion (LIV) (Eq. 25) if all three phase voltages are known. Otherwise, the transformation must be performance-variant (LV) (Eq. 24). The calculation of the shape functions for the fixed "90 °" model of the machine can be done if the superposition principle applies.

Die leistungsinvariante Transformation erfordert die Subtraktion des Nullsy stems: The power invariant transformation requires the subtraction of the Nullsy stems:

Die Transformation auf ein rotorfestes rotierendes Bezugssystem bietet bei magnetisch unsymmetrischen Maschinen den Vorteil, daß die Lageabhängig keit der Induktivitäten verschwindet. Die Transformation beinhaltet den Lagewinkel, so daß die Eingangs- und Ausgangsmatrix stets nichtlinear ist.The transformation to a rotor-fixed rotating reference system offers Magnetically asymmetrical machines have the advantage that the position depends inductance disappears. The transformation includes the Position angle so that the input and output matrix is always non-linear.

Die rotorfesten Formfunktionen der Polradspannungen berechnen sich bei leistungsvarianter Transformation:The rotor-fixed shape functions of the magnet wheel voltages are calculated performance variant transformation:

Die Berechnung der rotorfesten Formfunktionen der Polradspannung im Fall leistungsinvarianter Transformation erfolgt analog:The calculation of the rotor-fixed shape functions of the magnet wheel voltage in the case Performance-invariant transformation takes place analogously:

Zur Drehzahl- und Lageschätzung ist die Ankopplung der mechanischen Glei chungen an das elektrische Ersatzschaltbild erforderlich. Eine Möglichkeit zur Bestimmung des Lastmomentes besteht darin, einen Beobachter zu im plementieren, um aus den elektrischen Größen das Lastmoment zu bestim men. The coupling of the mechanical slide is used to estimate the speed and position electrical equivalent circuit diagram required. A possibility to determine the load moment consists in observing an observer implement in order to determine the load torque from the electrical quantities men.

Diese Lösung ist möglich, bewirkt aber einen zusätzlichen Rechenaufwand, der nicht unbedingt erforderlich ist.This solution is possible, but causes additional computing effort, which is not absolutely necessary.

Bei der Ankopplung der mechanischen Gleichungen an das elektrische Ersatz schaltbild lassen sich Annahmen treffen, die einerseits die Bestimmung von Last- und Trägheitsmoment überflüssig machen und andererseits einen syste matischen Modellfehler bewirken. Ein derartiges Maschinenmodell wäre für die Simulation des Betriebsverhaltens der Maschine völlig unbrauchbar; es ist als Modell für die Implementierung in einem Kalman-Filter jedoch durchaus verwendbar. Die resultierenden Modellfehler der möglichen Ansätze sind an die Voraussetzung der "kleinen" Abtastzeit gebunden.When coupling the mechanical equations to the electrical replacement circuit diagram, assumptions can be made that determine the determination of Make the load and moment of inertia superfluous and on the other hand a system cause matic model error. Such a machine model would be for the simulation of the operating behavior of the machine is completely unusable; it is as a model for implementation in a Kalman filter, however usable. The resulting model errors of the possible approaches are on the requirement of the "small" sampling time.

Fordert man eine innerhalb eines Abtastschrittes konstante Drehzahl (11)If you require a constant speed ( 11 ) within one scanning step

w_k+1 = w_k (29)w _{k + 1} = w _k (29)

indem man das Lastmoment gleich dem elektrischen Moment setzt, entfällt die Berücksichtigung des unbekannten Last- und Trägheitsmomentes. Die Modellbildung wird aufwendiger, wenn man das Last- und das Trägheits moment als "bekannte", fehlerbehaftete (genauer verrauschte) Modellgröße auffaßt und als Komponente des Zustandsvektors wählt, indem man den er sten Ansatz abwandelt.by setting the load moment equal to the electrical moment is eliminated taking into account the unknown load and moment of inertia. The Modeling becomes more complex when you consider the load and the inertia moment as "known", erroneous (more noisy) model size conceives and chooses as a component of the state vector by the he most approach.

m_Last,k+1 = m_Last,k (30)m _{load, k + 1} = m _{load, k} (30)

Dies führt zu einer Vergrößerung der Dimension des Zustandsvektors und damit zu einer entsprechenden Rechenzeitbelastung. This leads to an increase in the dimension of the state vector and with a corresponding computing time load.

Aus den aufgezeigten Möglichkeiten von verschiedenen Maschinenmodel len lassen sich einige Kombinationen ableiten. Im folgenden werden drei grundsätzlich verschiedene Modelle vorgestellt. Die Bewertung von Vor- und Nachteilen bleibt der praktischen Implementierung vorbehalten. Die Modelle werden für die in, praktischen Versuch eingesetzte Maschine abgeleitet. Diese Maschine weist keine magnetische Unsymmetrie (_d=_q=) und praktisch keine Sättigung auf. Die Polradspannung hat die in Fig. 2 dargestellte, aus geprägt "trapezförmige" Charakteristik. Die Ankopplung der mechanischen Gleichungen erfolgt bei dem rotor- und ständerfesten Maschinenmodell durch die Annahme einer innerhalb eines Abtastschrittes konstanten Drehzahl. Die Auswirkungen dieses Ansatzes werden noch eingehender diskutiert.Several combinations can be derived from the possibilities of different machine models shown. Three fundamentally different models are presented below. The evaluation of advantages and disadvantages remains reserved for practical implementation. The models are derived for the machine used in the practical test. This machine has no magnetic asymmetry ( _d = _q =) and practically no saturation. The magnet wheel voltage has the "trapezoidal" characteristic shown in FIG. 2. The mechanical equations are coupled in the rotor and stator-fixed machine model by assuming a constant speed within one scanning step. The effects of this approach are discussed in more detail.

Rotor-proof machine model

Ein auf den Rotor transformiertes Maschinenmodell einer Synchronmaschine mit Erregung durch Permanentmagnete wurde in (9) vorgestellt. Das fol gende zeitdiskrete Maschinenmodell stellt eine Modifikation dar, bei der die Formfunktion der Polradspannung berücksichtigt wird. A machine model of a synchronous machine transformed on the rotor with excitation by permanent magnets was presented in (9). The fol The time-discrete machine model represents a modification in which the Shape function of the magnet wheel voltage is taken into account.

Bei dem auf den Rotor transformierten Maschinenmodell ist die Ausgangs matrix, die im Filter-Algorithmus von zentraler Bedeutung ist, nichtlinear. Eine nichtlineare Ausgangsmatrix muß in jedem Abtastschritt neu berechnet werden, was sehr rechenzeitintensiv ist. Daher ist es sinnvoll, ein Maschinen modell zu entwickeln, das eine lineare Ausgangsmatrix ermöglicht.The starting point is the machine model transformed to the rotor matrix, which is of central importance in the filter algorithm, is non-linear. A nonlinear output matrix has to be recalculated in every sampling step become, which is very computing-intensive. Therefore, it makes sense to be a machine to develop a model that enables a linear output matrix.

Stable machine model

Die Berechnung des "ständerfesten" Maschinenmodells kann direkt aus dem elektrischen Ersatzschaltbild (vgl. Gl. 16) erfolgen. The calculation of the "fixed" machine model can be done directly from the electrical equivalent circuit diagram (see Eq. 16).

Das System ist fast "vollständig" linear, lediglich in der Systemmatrix sind zwei Koeffizienten Funktionen des Zustandsvektors. Die Eingangs- und Aus gangsmatrix ist jeweils minimal besetzt. Im Vergleich zum rotorfesten Ma schinenmodell läßt sich die Rechenzeit drastisch reduzieren, da der Rechen aufwand für die Aktualisierung der Matrizen minimal ist. Die Dimension des Zustandsvektors bleibt beim "ständer-" und beim "rotorfesten" Maschinen modell gleich vier. Durch die Umformung des Maschinenmodells läßt sich die Dimension des Zustandsvektors auf drei reduzieren.The system is almost "completely" linear, only in the system matrix two coefficient functions of the state vector. The entrance and exit gangsmatrix is minimally occupied. Compared to the rotor-fixed Ma machine model, the computing time can be drastically reduced because of the computing effort for updating the matrices is minimal. The dimension of State vector remains with the "stator" and "rotor fixed" machines model four. By reshaping the machine model reduce the dimension of the state vector to three.

Model with state vector of minimal dimension

Bei den obigen Modellen sind zwei Komponenten des Zustandsvektors aus Strömen des Bezugssystems gebildet worden. Die Ströme werden geschätzt, obwohl zur Regelung nur die Drehzahl und zur Transformation nur der Lage winkel erforderlich ist. Man kann rein formal das (ständerfeste) Maschinen modell derart umformen, daß nur die gesuchte Drehzahl und Lage Elemente des Zustandsvektors sind.In the above models, two components of the state vector are off Currents of the frame of reference have been formed. The currents are estimated although only the speed for regulation and only the position for transformation angle is required. One can formally the (stand-fixed) machines Reshape the model in such a way that only the desired speed and position elements of the state vector.

Unter der Voraussetzung kleiner Abtastzeiten läßt sich der Differenzenquo tient des Stroms durch Kurzzeitmittelwerte gut annähern:Given the short sampling times, the difference quo Approach the current well using short-term averages:

Die Mittelwerte von Strom und Spannung für das gekennzeichnete Zeitin tervall sind meßbare Größen, ebenso wie der Momentanwert des Stroms. Unbekannt sind die eigentlich gesuchten Drehzahl- und Lagewerte. Aus der Nomenklatur ergibt sich eine Zeitverschiebung auf der Zeitachse um einen Abtastschritt, die bei kleiner Abtastzeit praktisch keine Auswirkung hat. Das Lastmoment wird als dritte Komponente in den Zustandsvektor aufge nommen. Dazu wird der oben erwähnte Ansatz eines innerhalb eines Ab tastschrittes konstanten Lastmomentes gewählt.The mean values of current and voltage for the marked time tervall are measurable quantities, just like the instantaneous value of the current. The speed and position values actually sought are unknown. From the Nomenclature results in a time shift on the time axis by one Sampling step that has practically no effect with a short sampling time. The load moment is added as a third component in the state vector taken. For this purpose, the above-mentioned approach of an Ab selected constant load moment.

Die modifizierte Zustandsdarstellung lautet:The modified status display is:

Das Modell mit dem Zustandsvektor "minimaler" Dimension ist nichtlinear bezüglich der Ein- und Ausgangsmatrix. Der Rechenzeitaufwand zur Aktua lisierung der Matrizen muß in der Realisierung des Kalman-Filters untersucht werden.The model with the state vector "minimal" dimension is non-linear regarding the input and output matrix. The computing time required for the Aktua The matrixization must be examined in the implementation of the Kalman filter will.

Das Kalman-Filter-Verfahren beruht auf einem Maschinenmodell im zeitdis kreten Zustandsraum. Die Formulierung ist allgemein und nicht vom spezifi schen Maschinenmodell abhängig. Hier wird daher nur ein kurzer Überblick über das erweiterte Kalman-Filter gegeben (2), (11). Die vollständige Dar stellung ist z. B. in (1), (5) wiedergegeben.The Kalman filter process is based on a machine model in the time dis crete state space. The wording is general and not specific depending on the machine model. So here is just a brief overview given via the extended Kalman filter (2), (11). The full dar position is z. B. reproduced in (1), (5).

In Fig. 3 ist das Systemmodell dargestellt (11). Das zeitdiskrete Maschi nenmodell wird um zwei Rauschprozesse erweitert.The system model is shown in FIG. 3 (11). The discrete-time machine model is expanded by two noise processes.

Der Meßfehler wird durch den vektoriellen Rauschprozeß {v_k} (Meßrauschen) und der Modellfehler durch den vektoriellen Rauschprozeß {w_k} (Systemrau schen) berücksichtigt. An die an sich unbekannten Rauschprozesse - dies gilt insbesondere für das Systemrauschen - lassen sich einige Voraussetzungen stellen.The measurement error is taken into account by the vectorial noise process {v _k } (measurement noise) and the model error by the vectorial noise process {w _k } (system noise). There are some prerequisites for the unknown noise processes - this applies in particular to system noise.

Die Rauschprozesse seien: gaußförmig, mittelwertfrei, zeitlich und unterein ander unkorreliert. Weiterhin soll kein Element des Zustandsvektors durch ein anderes gestört werden. Der Ablauf des nichtlinearen Kalman-Filter- Verfahrens wird durch die Filtergleichungen (37-39) und durch die Prädik tionsgleichungen (40-41) beschrieben.The intoxication processes are: Gaussian, mean-free, temporal and one below the other other uncorrelated. Furthermore, no element of the state vector should pass through another be disturbed. The course of the non-linear Kalman filter The procedure is determined by the filter equations (37-39) and by the prediction equations (40-41).

Durch die Filtergleichungen wird für den Abtastzeitpunkt (kT) der aktuelle Zustandsvektor x _k _| _k und seine Kovarianzmatrix P _k _| _k berechnet. Durch die Prädiktionsgleichungen wird eine Vorhersage des Zustandsvektors x _k+1 _| _k und der Kovarianzmatrix P _k+1 _| _k für den folgenden Abtastzeitpunkt gemacht. Die Vorhersage des Zustandsvektors wird im nächsten Abtastschritt durch die Abbildung auf den Ausgangsvektor y bewertet.The filter equations determine the current state vector x _k _| for the sampling instant (kT) _k and its covariance matrix P _k _| _k calculated. A prediction of the state vector x _{k + 1} _| _k and the covariance matrix P _{k + 1} _| _{k made} for the following sampling time. The prediction of the state vector is evaluated in the next sampling step by mapping onto the output vector y .

Die Filtergleichungen lauten (2), (11):The filter equations are (2), (11):

x _k _| _k = x _k _| _k-1 + K _k · (y _k - h(x _k _| _k-1,k))
= x _k _| _k-1 + K _k · (y _k - C _k(x _k _| _k-1) · x _k _| _k-1) (37) x _k _| _k = x _k _| _k-1 + K _k ( y _k - h ( x _k _| _k-1 , k))
= x _k _| _k-1 + K _k ( y _k - C _k ( x _k _| _k-1 ) x _k _| _k-1 ) (37)

und für die Prädiktion des Zustandsvektors x sowie der Kovarianzmatrix P gilt (11):and for the prediction of the state vector x and the covariance matrix P (11):

Zur Realisierung des Filter-Algorithmus ist noch die Berechnung der Ab leitungen der Übergangs- und Ausgangsfunktion für die einzelnen Modelle erforderlich.To implement the filter algorithm, the calculation of the Ab cables of the transition and output function for the individual models required.

Dazu ist die partielle Ableitung der Formfunktionen nach dem Lagewinkel zu bilden. Zur Vereinfachung der Darstellung soll die folgende Nomenklatur gelten:For this is the partial derivation of the shape functions according to the position angle to build. The following nomenclature is intended to simplify the presentation be valid:

Rotorfestes ModellRotor-proof model

Ständerfestes MaschinenmodellStable machine model

Modell mit Zustandsvektor minimaler DimensionModel with state vector of minimal dimension

Der Vergleich der Matrizen für die drei Modelle zeigt, daß die linearen Eigen schaften des ständerfesten Modells und des Modells mit minimalem Zustands vektor einen sehr geringen Aufwand für die Aktualisierung der Übergangs- und Ausgangsfunktion benötigen. Der Implementierung bleibt vorbehalten, die Qualität der Schätzresultate zu ermitteln.The comparison of the matrices for the three models shows that the linear eigen shaft of the stand-fixed model and the model with minimal condition vector a very little effort to update the transition and need output function. The implementation remains reserved, determine the quality of the estimation results.

In dem Filteralgorithmus treten die Kovarianzmatrizen des Meßrauschens R und des Systemrauschens Q auf, wobei insbesondere die letztere das sta tionäre und dynamische Verhalten des Filters bestimmt.The covariance matrices of the measurement noise R and the system noise Q occur in the filter algorithm, the latter in particular determining the stationary and dynamic behavior of the filter.

Die Quantifizierung der Elemente der Matrizen bereitet bei der Kovarianzma trix des Systemrauschens Schwierigkeiten, da der Modellfehler bzw. dessen statistischen Eigenschaften unbekannt sind und nicht automatisch gewährlei stet ist, daß sich mit den Annahmen für die Rauschprozesse die Modellfehler beschreiben lassen. In der Simulation zeigt sich jedoch, daß die Quantifizie rung der Elemente der Kovarianzmatrix Q, die auf die Schätzung elektrischer Größen wirken, relativ unkritisch ist. Dies resultiert aus dem relativ exakten elektrischen Modell der Maschine. Zur Ankopplung der mechanischen Glei chungen an das elektrische Ersatzschaltbild wird der Ansatz einer innerhalb eines Abtastschrittes konstanten Drehzahl gewählt. Für den stationären Be trieb läßt sich die Matrix Q durch iterative Algorithmen bestimmen. Diese Resultate lassen sich aber nicht für den dynamischen Betrieb verwenden, denn es ist offensichtlich, daß die Annahme einer konstanten Drehzahl im stationären Betrieb praktisch keinen, im dynamischen Betrieb aber einen erheblichen Modellfehler bewirkt.The quantification of the elements of the matrices presents difficulties with the covariance matrix of the system noise, since the model error or its statistical properties are unknown and it is not automatically guaranteed that the model error can be described with the assumptions for the noise processes. However, the simulation shows that the quantification of the elements of the covariance matrix Q , which act on the estimation of electrical quantities, is relatively uncritical. This results from the relatively exact electrical model of the machine. In order to couple the mechanical equations to the electrical equivalent circuit diagram, the approach of a constant speed within a sampling step is chosen. For stationary operation, the matrix Q can be determined by iterative algorithms. However, these results cannot be used for dynamic operation, because it is obvious that the assumption of a constant speed in the stationary operation causes practically no, but in the dynamic operation a significant model error.

Der beim dynamischen Betrieb auftretende Fehler läßt sich abschätzen, wenn man den linearen Drehzahlverlauf durch die feldorientierte Betriebsweise vor aussetzt.The error that occurs during dynamic operation can be estimated if the linear speed curve through the field-oriented mode of operation suspends.

w_k+1 = w_k + Δw_k (50) w _{k + 1} = w _k + Δw _k (50)

Aus dieser Abschätzung kann man folgern, daß der Wert der Kovarianzmatrix des Systemrauschens mindestens zwischen zwei Werten umgeschaltet werden muß, um der Betriebszustandsabhängigkeit des Modellfehlers Rechnung zu tragen. Zur Erkennung des Betriebszustands wird der Schätzwert mit dem Sollwert der Drehzahl verglichen. Der Wert der Kovarianzmatrix des Sy stemrauschens wird aber nicht zwischen zwei Werten hin- und hergeschaltet, sondern mit dem der Abweichung gewichtet. Es erfolgt eine Adaption der Kovarianzmatrix des Systemrauschens an den Betriebszustand der Maschine.From this estimate it can be concluded that the value of the covariance matrix of system noise can be switched between at least two values must take into account the operating state dependency of the model error wear. To identify the operating status, the estimated value is compared with the Setpoint speed compared. The value of the Sy's covariance matrix but no noise is switched between two values, but weighted with that of the deviation. There is an adaptation of the System noise covariance matrix to the operating state of the machine.

Zur Realisierung des Filter-Algorithmus wird ein System mit einem digita len Signalprozessor (DSP) TMS320C30 eingesetzt. Der Zugriff auf den DSP erfolgt über die direkte Ankopplung des Systems an den Bus des Host (PC- AT). Dieser DSP neuester Generation verfügt über eine Floating-Point-Unit, die eine enorme Rechenleistung (33 MFLOPS) ermöglicht. Durch den Ein satz eines C-Compilers läßt sich die Rechenleistung auch für die Simulation des Gesamtantriebs nutzen. Eine Übersicht über den Versuchsstand ist in Fig. 4 dargestellt.A system with a digital signal processor (DSP) TMS320C30 is used to implement the filter algorithm. The DSP is accessed by directly coupling the system to the host bus (PC-AT). This latest generation DSP has a floating point unit that enables enormous computing power (33 MFLOPS). By using a C compiler, the computing power can also be used for the simulation of the overall drive. An overview of the trainer is shown in Fig. 4.

Die Implementierung des Kalman-Filters erfolgt in mehreren Schritten. In der ersten Entwicklungsstufe wird die Simulation des Gesamtantriebs auf dem Host oder einem anderen verfügbaren Rechner durchgeführt. Das Simu lationsprogramm umfaßt im wesentlichen die Programmodule für den Um richter, die Maschine sowie das eigentliche Kalman-Filter. Die Ablaufsteue rung erfolgt durch eine interaktive Benutzeroberfläche, die On-Line die gra phische und numerische Ausgabe von beliebigen Systemgrößen erlaubt. Das Zu- oder Abschalten von Optionen wird durch Steuerflags gewährleistet, um etwa zwischen dem open- und closed-loop Betrieb umschalten zu können. Im open-loop Betrieb werden die "Istwerte" der Lage und Drehzahl für die Regelung der Maschine verwendet. Im closed-loop werden die "Istwerte" nur zu Vergleichszwecken herangezogen, denn die Regelung und die Transfor mation erfolgt ausschließlich mit den vom Kalman-Filter geschätzten Wer ten für Lage und Drehzahl. Zur Optimierung von Parametereinstellungen können On-Line Parametervariationen vorgenommen werden. Zur Dokumen tation können die Systemgrößen auf "Meßfile′s" protokolliert werden. Das Si mulationsprogramm verursacht einen erheblichen Rechenaufwand, denn der Umrichter wird mit einer Abtastzeit von 10 µs simuliert, so daß der aktu elle Zustand der Maschine mindestens so oft neu berechnet werden muß. Diese Abtastrate wird durch das Steuerkonzept des eingesetzten Umricht ers vorgegeben. In der zweiten Simulationsphase wird daher die Antriebssi mulation vollständig auf den DSP verlagert; der Host übernimmt lediglich die Ein-/Ausgabe und die Ablaufsteuerung wie oben beschrieben. Durch die Möglichkeit des Hochspracheneinsatzes ist die Portabilität der einzel nen Programmodule weitgehend gewährleistet. Nur die Kommunikation zwi schen Host- und DSP muß angepaßt werden. Die Portierung der Simulation dient zum einen dazu, die enorme Rechenleistung des DSP′s z. B. für auf wendige Parameterstudien zu nutzen und zum anderen das Kalman-Filter- Programmodul auf rechenzeitintensive Operationen zu untersuchen, um den Algorithmus schon in der Simulation optimieren zu können.The Kalman filter is implemented in several steps. In The first stage of development will simulate the overall drive the host or another available computer. The Simu lationsprogramm essentially comprises the program modules for the order richter, the machine and the actual Kalman filter. The process tax tion takes place through an interactive user interface, the on-line the gra Phical and numerical output of any system sizes allowed. The Switching options on or off is guaranteed by control flags to be able to switch between open and closed-loop operation. In open-loop operation, the "actual values" of the position and speed for the Regulation of the machine used. In the closed loop, the "actual values" are only used for comparison purposes, because the regulation and the Transfor mation takes place exclusively with the values estimated by the Kalman filter for position and speed. To optimize parameter settings On-line parameter variations can be made. To the document tation, the system sizes can be logged on "Meßfile's". The Si simulation program causes a considerable amount of computing work because the Converter is simulated with a sampling time of 10 µs, so that the current The condition of the machine must be recalculated at least as often. This sampling rate is determined by the control concept of the converter used first specified. In the second simulation phase, the drive safety mulation completely shifted to the DSP; the host only takes over the input / output and the sequence control as described above. By the possibility of using high-level languages is the portability of the individual Program modules largely guaranteed. Only communication between Host and DSP must be adapted. Porting the simulation serves on the one hand, the enormous computing power of the DSP's z. B. for on to use agile parameter studies and on the other hand the Kalman filter Examine program module for computation-intensive operations in order to To be able to optimize the algorithm already in the simulation.

Im Anschluß an die Simulationsphase wird der Echtzeitbetrieb aufgenommen und das Kalman-Filter-Modul, das bis dahin für Simulation auf dem Host und dem DSP völlig identisch ist, bezüglich der Rechenzeit optimiert. Dazu werden die Matrizenoperationen im Filter-Algorithmus von einem Funktions aufruf in eine explizite Schreibweise überführt. Außerdem werden die apriori Kenntnisse der Neutralelemente der Multiplikation und der Addition aus genutzt, so daß Additionen mit "0" und Multiplikationen mit "0" oder "1" entfallen. Diese Umsetzung des Filter-Moduls erfolgt automatisch durch ei nen Source-Code-Generator. Auch diese Programmversion bleibt vollständig in C und damit portabel, sie ist aber durch den Wegfall der Funktionsaufrufe unübersichtlich und daher nicht zur Programmentwicklung geeignet. Das so erstellte Filter-Modul wird zunächst im open-loop betrieben. Dann erfolgt der closed-loop Betrieb, bei dem die Istwerte der Lage und Drehzahl nur zu Vergleichszwecken erfaßt werden.Real-time operation is started after the simulation phase and the Kalman filter module, which was previously used for simulation on the host and the DSP is completely identical, optimized in terms of computing time. To the matrix operations in the filter algorithm are performed by a function call converted into an explicit spelling. In addition, the apriori Knowledge of the neutral elements of multiplication and addition used so that additions with "0" and multiplications with "0" or "1" omitted. This implementation of the filter module is done automatically by ei source code generator. This program version also remains complete in C and therefore portable, but it is due to the absence of function calls confusing and therefore not suitable for program development. That so The filter module created is initially operated in open loop. Then done the closed-loop operation, in which the actual values of the position and speed only go Comparative purposes are recorded.

Measurement results

Die benötigten Rechenzeiten des Kalman-Filters für die verschiedenen Ma schinenmodelle und die eingestellte Gesamtabtastzeit T sind tabellarisch dar gestellt.The required computing times of the Kalman filter for the different dimensions Machine models and the set total sampling time T are shown in a table posed.

Der Vergleich der benötigten Rechenzeiten zeigt, daß das Modell mit mini malem Zustandsvektor und das ständerfeste Maschinenmodell Abtastzeiten ermöglichen, die wesentlich unter den geforderten 250 µs liegen. Der Wert für die Gesamtabtastzeit wurde auf 200 µs eingestellt, weil die flexible Pro grammstruktur relativ rechenzeitintensiv ist. Die durch die Entwicklungsum gebung bedingten Vorteile rechtfertigen aber diesen Verwaltungs-Overhead. Schon bei der Ableitung der Maschinenmodelle war ersichtlich, daß das ro torfeste Maschinenmodell die größte Rechenzeit in Anspruch nehmen wird. Zur endgültigen Bewertung der Leistungsfähigkeit der vorgestellten Maschi nenmodelle ist aber die Auswertung der Messungen erforderlich.A comparison of the required computing times shows that the model with mini times the state vector and the stationary machine model sampling times enable that are significantly below the required 250 µs. The value the total sampling time was set to 200 µs because the flexible Pro gram structure is relatively computing-intensive. The through the development advantages justify this administrative overhead. Even when deriving the machine models, it was evident that the ro machine model that takes the most gate time will take up the most time. For the final evaluation of the performance of the presented machine However, it is necessary to evaluate the measurements.

Es ist sinnvoll, die Maschinenmodelle in Betriebssituationen zu testen bei de nen jeweils der größte systematische Modellfehler auftritt. Es muß sich dann erweisen, ob das Kalman-Filter in der Lage ist, mit Hilfe der "verrauschten" Maschinenmodelle die Drehzahl und die Lage in, closed-loop Betrieb richtig zu schätzen. Deshalb werden für alle Modelle drei Betriebszustände un tersucht. Zum einem wird mit einem Drehzahlsollwertsprung von positiver auf negative Nenndrehzahl der Bereich höchster Dynamik durchfahren, bei der der maximale Modellfehler bei der Annahme einer konstanten Drehzahl innerhalb eines Abtastintervalls auftritt. In der zweiten Versuchsreihe wird der Bereich der stationär kleinen Drehzahl untersucht, bei dem zwar kein sys tematischer Modellfehler auftritt; die Synchronmaschine ohne Last aber nur sehr geringe Spannungs- und Stromwerte liefert. In der letzten Versuchsreihe wird ein Laststoß vorgegeben. Dazu ist eine permanenterregte Synchronma schine angekuppelt, die dreiphasig kurzgeschlossen wird. Die Last wird sehr schnell aufgebaut, so daß weder die Drehzahl noch die Last innerhalb eines Abtastschrittes konstant bleiben.It makes sense to test the machine models in operating situations at de the greatest systematic model error occurs. Then it has to prove whether the Kalman filter is able to use the "noisy" Machine models the speed and location in, closed-loop operation correctly appreciate. Therefore, three operating states are un for all models tries. On the one hand, there is a positive change in the speed setpoint drive through the area of highest dynamics to negative nominal speed, at which is the maximum model error assuming a constant speed occurs within a sampling interval. In the second series of experiments investigated the range of the steady low speed, at which no sys tematic model error occurs; the synchronous machine without load, however, only delivers very low voltage and current values. In the last series of experiments a load surge is specified. For this is a permanent excited synchronous coupled to the machine, which is short-circuited in three phases. The burden becomes very built up quickly, so that neither the speed nor the load within a Remain constant.

Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen jeweils den direkten Vergleich der gemessenen mit der geschätzten Drehzahl für die oben beschriebenen Lastfälle. Figs. 5, 6 and 7 each show a direct comparison of the measured speed with the estimated load for the above-described cases.

Beim Drehzahlsollwertsprung stimmen bei allen Modellen Ist- und Schätz wert der Drehzahl gut überein. Es sei erwähnt, daß die eingangs geschil derte hohe Drehzahldynamik des Antriebs nicht ganz erreicht wird, weil das Trägheitsmoment des Antriebs durch die angekuppelte Belastung vergrößert wird. Dies entspricht zum einem realen Gegebenheiten, zum anderen wird gezeigt, daß der dynamische Betrieb und der dadurch resultierende Modell fehler durch die Annahme einer konstanten Drehzahl innerhalb eines Abtast schritts auch über "lange" Zeiträume zu guten Schätzergebnissen führt. Auch der Betrieb bei stationär kleinen Drehzahlen bereitet keine Probleme, obwohl der Istwert des Stromes nicht gemessen wird, was durch das Umrichtersteu erverfahren bedingt (Zweipunktregler), bei sehr kleinen Strömen zu beachtli chen Abweichungen führt. Der Vergleich des Verhaltens beim Laststoß zeigt, daß die auftretenden Drehzahlschwankungen durch systematische Pendelmo mente (Feldoberwellen) und durch die untere Grenze der Stromauflösung des Umrichters verursacht werden. Die Schätzergebnisse beim ständer- und ro torfesten Maschinenmodell sind vergleichbar gut. Das Maschinenmodell mit dem Zustandsvektor minimaler Dimension liefert zufriedenstellende Schätzer gebnisse, bewirkt aber etwas größere Schwankungen des Drehzahlschätzwer tes. The actual and estimated values are correct in all models for the speed setpoint jump value of the speed match well. It should be mentioned that the schil initially the high speed dynamics of the drive is not quite achieved because that The moment of inertia of the drive is increased by the coupled load becomes. This corresponds to real conditions on the one hand, and on the other hand shown that the dynamic operation and the resulting model error by assuming a constant speed within one scan leads to good estimation results even over "long" periods. Also operation at stationary low speeds does not pose any problems, though the actual value of the current is not measured, which is caused by the converter control The procedure requires (two-point controller) to be observed with very small currents Chen deviations. The comparison of the behavior during the load surge shows that the occurring speed fluctuations through systematic Pendelmo elements (field harmonics) and through the lower limit of the current resolution of the Caused by the converter. The estimation results for the stand and ro Peat-proof machine models are comparably good. The machine model with the state vector of minimal dimension provides satisfactory estimates results, but causes somewhat larger fluctuations in the speed estimate tes.

Durch den Einsatz eines Kalman-Filters lassen sich die Rotorlage und die Winkelgeschwindigkeit des Rotors einer Synchronmaschine nur aus Messung der elektrischen Klemmenspannung und aus der Messung der Ma schinenströme bestimmen. Das Verfahren arbeitet unabhängig von der Bauart der Synchronmaschine und unabhängig vom eingesetzten Umrich ter. Da fehlerbehaftete, verrauschte Meßwerte zulässig sind, kann ggf. auf die Messung des Istwerts der Ströme und Spannungen verzich tet werden, wenn diese in guter Näherung mit den Sollwerten überein stimmen (siehe (3)). Die Anzahl der zu messenden Ströme und Spannungen kann kleiner als die Anzahl der Maschinenstränge sein.By using a Kalman filter, the rotor position and the angular speed of the rotor of a synchronous machine only from Measurement of the electrical terminal voltage and from the measurement of the Ma determine line currents. The process works independently of the Design of the synchronous machine and independent of the converter used ter. Since erroneous, noisy measurement values are permissible, if necessary, do without measuring the actual value of the currents and voltages if these are in good approximation with the target values agree (see (3)). The number of currents to be measured and Tensions can be less than the number of machine strings.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht man die volle Erfassung des stationär zulässigen Drehzahlbereichs einer Synchronmaschine bei gleichzeitiger Reduktion des erforderlichen Rechenaufwandes, insbe sondere durch die Gestaltung des Maschinenmodells.Full detection is achieved with the method according to the invention of the stationary permissible speed range of a synchronous machine simultaneous reduction of the required computing effort, esp especially through the design of the machine model.

Das Kalman-Filter beruht auf einem geeigneten Modell der Maschine, wobei systematische und stochastische Modellfehler in gewissen Um fang tolerierbar sind. Das Betriebsverhalten einer Synchronmaschine wird durch das elektrische Ersatzschaltbild und durch die mechani schen Gleichungen beschrieben. Daher wurde das Konzept entwickelt, im elektrischen Ersatzbild der Maschine möglichst wenig systemati sche Fehler zuzulassen und die Fehlertoleranz des Kalman-Filters vollständig zur Vereinfachung der mechanischen Gleichungen auszunut zen. Daher werden Feldoberwellen berücksichtigt. Die Formfunktionen der Polradspannung lassen sich für leistungsinvariante und für lei stungsvariante Transformation auf ein zweiphasiges System berechnen. Gezielte Vernachlässigungen sind hierbei möglich. Bei den Modellen lassen sich drei grundsätzlich unterschiedliche Typen unterscheiden mit einem ständerfesten oder rotorfesten Bezugssystem, wobei es sich bei dem ständerfesten Bezugssystem um ein zweiphasiges oder drei phasiges, bzw. um ein Modell mit Zustandsvektor minimaler Dimension handeln kann. Die Fehlertoleranz des Kalman-Filters läßt sich dabei zur wesentlichen Vereinfachung mechanischen Gleichungen nutzen, und zwar zur Vernachlässigung der Drehzahländerung innerhalb eines Ab tastschrittes, zur Annahme eines konstanten, bekannten Last- und Trägheitsmomentes und/oder zur Vernachlässigung der Lastmomentände rung innerhalb eines Abtastschrittes, wobei das Lastmoment geschätzt werden kann.The Kalman filter is based on a suitable model of the machine, being systematic and stochastic model errors in certain order are tolerable. The operating behavior of a synchronous machine is by the electrical equivalent circuit and by the mechani described equations. So the concept was developed systematic as little as possible in the electrical replacement image of the machine allow error and the fault tolerance of the Kalman filter fully used to simplify the mechanical equations Zen. Field harmonics are therefore taken into account. The form functions The flywheel voltage can be used for power inversion and for lei Calculate the variant of the transformation on a two-phase system. Targeted neglect is possible here. In the models there are three fundamentally different types with a frame-fixed or rotor-fixed reference system, whereby it with the frame-fixed reference system by a two-phase or three phase, or around a model with a state vector of minimal dimension can act. The fault tolerance of the Kalman filter can be use mechanical equations to simplify matters, and to neglect the change in speed within an Ab tactile step, for assuming a constant, known load and Moment of inertia and / or to neglect the load moment changes tion within a sampling step, the load torque being estimated can be.

Bei Kenntnis der statistischen Eigenschaften des Modellfehlers wird der Rauschparameter, der auf die Drehzahlschätzung wirkt, in Abhängig keit vom Betriebszustand der Maschine angepaßt. Als Parameter zur Identifikation des Betriebszustandes dient dazu der Vergleich der ge schätzten Drehzahl mit der Solldrehzahl oder falls das Lastmoment ge schätzt wird, der Vergleich von geschätztem Lastmoment und dem elek trischen Moment. Der Verlauf wird durch die extremen Werte q_min und q_max sowie durch eine charakteristische Steigung definiert, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet unabhängig von der Bauart der Synchronmaschine und unabhängig von der Wirkungsweise des eingesetzten Umrichters. Dabei führt die Berücksich tigung der realen Polradspannung zu einem genaueren elektrischen Er satzschaltbild mit äußerst geringer Rechenzeitbelastung. Bei ständer festen Maschinenmodellen erhält man eine lineare Ausgangsmatrix und eine erhebliche Reduzierung im Vergleich zu Modellen mit rotierenden Bezugssystemen und damit der Leistungsanforderung an die Hardware. Bei Modellen mit Zustandsvektor minimaler Dimension erhält man eine mini male Rechenzeit, das Lastmoment wird geschätzt (Lageregelung). Dynami sche Rauschparameter führen zu einer einfachen Momenten-Gleichung, deren Fehler berücksichtigt wird.Knowing the statistical properties of the model error, the noise parameter, which acts on the speed estimate, is adjusted depending on the operating state of the machine. The parameter for identifying the operating state is the comparison of the estimated speed with the target speed or, if the load torque is estimated, the comparison of the estimated load torque and the electrical torque. The course is defined by the extreme values q _min and q _max and by a characteristic slope, as shown in FIG. 8. The method according to the invention works independently of the type of the synchronous machine and independently of the mode of operation of the converter used. Taking into account the real pole wheel voltage leads to a more precise electrical replacement circuit diagram with extremely low computing time. With fixed machine models you get a linear output matrix and a significant reduction compared to models with rotating reference systems and thus the performance requirements for the hardware. In models with a state vector of minimal dimension, a minimal computing time is obtained, the load torque is estimated (position control). Dynamic noise parameters lead to a simple moment equation, the error of which is taken into account.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch der sensorlose Betrieb einer Asynchronmaschine und die Identifikation der zur feldorientierten Betriebsweise notwendigen Zustandsgrößen möglich. Auch hier ist das eingesetzte Kalman-Filter unabhängig von der Bauart der Asynchronma schine und unabhängig von dem Prinzip des speisenden Umrichters ein setzbar.Sensorless operation is also possible with the method according to the invention an asynchronous machine and the identification of the field-oriented Operating mode necessary state variables possible. This is also here Kalman filters used regardless of the type of asynchronous filter independent of the principle of the feeding converter settable.

Fig. 9 zeigt die Struktur des sensorlosen Antriebes einer Asynchron maschine mittels Kalman-Filter, wobei auch andere Reglerstrukturen möglich sind, z. B. Zustandsregler. Aus den Ständerspannungen und aus den Maschinenströmen (hier jeweils 2) wird mit Hilfe des Kalman-Fil ters die Drehzahl des Rotors, die Winkelgeschwindigkeit des Rotorflus ses und dessen räumliche Lage ermittelt. Auf die Messung von Strom- und Spannungswerten kann verzichtet werden, falls die Istwerte näherungsweise mit den Sollwerten übereinstimmen. Da das Filter Mo dellfehler in Grenzen tolerieren kann, ist es nicht unbedingt erfor derlich, die vom Betriebszustand abhängigen Maschinenparameter zu identifizieren, z. B. durch einen Beobachter (Temperatur) zur Parame teridentifikation, und nachzuführen. Im Maschinenmodell läßt sich (analog zur Synchronmaschine) eine innerhalb eines Abtastschritts kon stante Winkelgeschwindigkeit des Rotorflusses annehmen. Der vom Be triebszustand der Maschine abhängige Modellfehler läßt sich durch die Anpassung des Rauschparameters für die Winkelgeschwindigkeit des Ro torflusses bzw. des Rotors in Analogie zur Synchronmaschine berück sichtigen. Die Ordnung des Maschinenmodells der Asynchronmaschine kann durch die Annahme eines innerhalb eines Abtastschrittes näherungsweise konstanten Magnetisierungsstroms um eins verringert werden. Dabei läßt sich das Verfahren auch auf Maschinen anwenden, bei denen sowohl der Rotor- als auch der Ständerstrom meßbar ist. Fig. 9 shows the structure of the sensorless drive of an asynchronous machine using a Kalman filter, with other controller structures are possible, for. B. State controller. The speed of the rotor, the angular velocity of the rotor flux and its spatial position are determined from the stator voltages and from the machine currents (here 2 each) using the Kalman filter. There is no need to measure current and voltage values if the actual values approximately match the target values. Since the filter can tolerate model errors within limits, it is not absolutely necessary to identify the machine parameters that depend on the operating state, e.g. B. by an observer (temperature) for parameter identification, and track. In the machine model (analog to the synchronous machine), a constant angular velocity of the rotor flux can be assumed within one scanning step. The model error, which is dependent on the operating state of the machine, can be taken into account by adapting the noise parameter for the angular velocity of the rotor flux or the rotor in analogy to the synchronous machine. The order of the machine model of the asynchronous machine can be reduced by one by assuming a magnetizing current that is approximately constant within a sampling step. The method can also be applied to machines in which both the rotor and the stator current can be measured.

Wie bei der Synchronmaschine ist auch hier ein drehzahlgeregelter, feldorientierter Betrieb einer Asynchronmaschine ohne mechanische Sen soren möglich sowie der Ersatz des Flußmodells bzw. Beobachters zur Zustandsidentifikation. As with the synchronous machine, a speed-controlled, field-oriented operation of an asynchronous machine without mechanical sensors sensors possible and the replacement of the river model or observer for State identification.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist verbunden die Entwicklung eines Konzepts zur schnellen Implementierung von Filter- und Beobach terstrukturen auf der Zielhardware (TMS320C30). Die besonderen Kenn zeichen dieses Konzeptes sind eine interaktive Benutzeroberfläche mit frei wählbaren Systemgrößen, die graphisch und numerisch angezeigt werden können, wobei die Anzeige On-Line umgeschaltet werden kann; Steuerflags ermöglichen das Zu- und Abschalten von Funktionen im Be trieb; der Einsatz standadisierter Programmodule ist möglich.Development is associated with the method according to the invention of a concept for the fast implementation of filtering and monitoring ter structures on the target hardware (TMS320C30). The special characteristics This concept is characterized by an interactive user interface freely selectable system sizes, which are displayed graphically and numerically can be switched, the display can be switched on-line; Control flags enable the switching on and off of functions in the loading drove; The use of standardized program modules is possible.

Die Inbetriebnahme, z. B. eines Filter-Moduls für ein variiertes Ma schinenmodell, erfolgt in drei Schritten:Commissioning, e.g. B. a filter module for a varied Ma machine model, takes place in three steps:

1. Simulation of the overall drive on the host (PC-AT, HP835)
2. Porting the simulation of the drive to the target hardware, here TMS320C30, through the use of a high-level language compiler. The Program modules are therefore essentially the same as those of the first Simulation level identical; just the interface between Host (which continues to operate the user interface) and the target hardware may need to be adjusted.
3. Optimization of the computing time requirement by one for the user transparent "source code generator" that calls the functions of the Matrix operations into the explicit form and then the Additions "0" and the multiplications with "0" or "1" correspond leaves out. This results in a relatively compact, automatic he generated program code in a high-level language.

Literaturliterature

[1] Brammer, K.; Siffling, G.: Kalmann-Bucy-Filter. München, Wien: Oldenbourg-Verlag 1975
[2] Brunsbach, B.-J.; Henneberger, G.: Einsatz eines Kalman-Filters zum feldorientierten Betrieb einer Asynchronmaschine ohne mechanische Sensoren. Archiv für Elektrotechnik 1990.
[3] Demel, W.W.: Baugrößen von permanenterregten Synchronmaschinen bei unterschiedlichem Verlauf des Stromes. Diss., RWTH Aachen, 1987.
[4] Henneberger, G.: Elektrische Maschinen II. Vorlesung an der RWTH Aachen. RWTH Aachen 1989
[5] Krebs V.: Nichtlineare Filterung. München, Wien Oldenbourg-Verlag 1980
[6] Kirberg, U.; Sattler, Ph. K.: State estimation on an inverter fed synchronous motor. EPE'85
[7] Liu, S.; Stiebler, M.: A continuous-discrete time state estimator for a synchronous motor fed by PWM inverter. EPE'89
[8] Meyr, H.: Regelungstechnik II. Vorlesung an der RWTH Aachen. RWTH Aachen, 1989
[9] Sattler, Ph. K.; Stärker, K.: Estimation of speed and rotorposition of an Inverter fed permanent exited synchronous machine. EPE'89
[10] Schröder, M.: Hochtouriger bürstenloser Positionierantrieb mit extrem geringer Momentenwelligkeit. Diss., Univ. Stuttgart, 1986.
[11] Stärker, K.: Sensorloser Betrieb einer umrichtergespeisten Synchronmaschine mittels Kalman-Filters. Diss., RWTH Aachen, 1988.[1] Brammer, K .; Siffling, G .: Kalmann-Bucy filter. Munich, Vienna: Oldenbourg-Verlag 1975
[2] Brunsbach, B.-J .; Henneberger, G .: Use of a Kalman filter for field-oriented operation of an asynchronous machine without mechanical sensors. Archive for electrical engineering 1990.
[3] Demel, WW: Sizes of permanently excited synchronous machines with different currents. Diss., RWTH Aachen, 1987.
[4] Henneberger, G .: Electrical Machines II. Lecture at RWTH Aachen. RWTH Aachen 1989
[5] Krebs V .: Nonlinear filtering. Munich, Vienna Oldenbourg-Verlag 1980
[6] Kirberg, U .; Sattler, Ph. K .: State estimation on an inverter fed synchronous motor. EPE'85
[7] Liu, S .; Stiebler, M .: A continuous-discrete time state estimator for a synchronous motor fed by PWM inverter. EPE'89
[8] Meyr, H .: Regelstechnik II. Lecture at RWTH Aachen. RWTH Aachen, 1989
[9] Sattler, Ph. K .; Stronger, K .: Estimation of speed and rotorposition of an Inverter fed permanent exited synchronous machine. EPE'89
[10] Schröder, M .: High-speed brushless positioning drive with extremely low torque ripple. Diss., Univ. Stuttgart, 1986.
[11] Stronger, K .: Sensorless operation of an inverter-fed synchronous machine using a Kalman filter. Diss., RWTH Aachen, 1988.

Claims

1. Method for sensorless detection and / or adjustment of the rotor position and / or angular velocity of the rotor of an electrical Ma machine, especially a synchronous machine or an asynchronous machine machine, from the measurement of the electrical terminal voltage and / or Machine current using a Kalman filter when in use a model of the machine, the operating behavior of an electri equivalent circuit diagram and be by the mechanical equations is written.

2. The method according to claim 1, characterized in that the Auswer only the setpoints of the terminal voltage and the machine current, which is a good approximation of the actual values of the voltages and currents to match.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Number of measured voltages and / or currents is less than that Number of machine strings.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized records that the error tolerance of the Kalman filter predominantly is used to simplify the mechanical equations, while for the electrical equivalent circuit diagram of the machine only a little systematic errors are allowed.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized ge indicates that when determining the model of the machine field harmonics and the shape functions of the magnet wheel voltage can be calculated for the transformation to a two-phase system.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized by using a model with a fixed frame, especially by using a model with a state vector of minimal dimension as a reference system.

7. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized by the use of a model with a rotor-fixed reference system.

8. The method according to claim 4, characterized in that the Feh Tolerance of the Kalman filter is essentially used for ver neglect of the speed change and / or the load torque change within one sampling step.

9. The method according to claim 4, characterized in that the Feh Tolerance of the Kalman filter is essentially used for analysis assumption of a constant, known load and moment of inertia.

10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that the noise parameter, which acts on the speed estimate, is adapted as a function of the operating state of the machine, the comparison of the estimated speed with the target speed, or as a parameter for identifying the operating state. the comparison of the estimated load torque with the electrical moment serves and the course is defined by the extreme values (qmin, qmax; FIG. 9) and by a characteristic slope.