Bei der Konzeption und Auslegung eines elektrischen Antriebssystems müssen im wesentlichen Punkte wie Oberwellengehalt, Pendelmomente, Schaltverluste, Regeldynamik und Verhalten bei nicht-stationärem Betrieb untersucht werden. Diese Arbeit hat auf Basis eines konfigurierbaren Mikrocontrollers die Grundlage hierfür geschaffen. Der elektrische Antrieb ist eine Synchonmaschine mit permanenterregtem Axialfeld und Ringkernwicklung (SPARK). Um beim verwendeten spannungseinprägenden Zwischenkreisumrichter die bestmögliche Ausnutzung zu erwirken, wird die Raumzeiger-Pulsweitenmodulation verwendet. Die Regelung ist als feldorientierte Regelung in rotorbezogenen (d,q)-Koordinaten realisiert.
Der erste Teil der Arbeit bestand darin, die vorhandenen Hardwarekomponenten an das SAB80C167-Evaluation Board anzupassen. Aus den Phasenströmen (LEM-Module) und der absoluten Rotorlage (Resolver) wurde ein Pulsmuster generiert, das einen 3-phasigen Brückenwechselrichter ansteuert. Die Stromsignale sind sinusförmige Signale und werden über ein Eingangsfilter der Analogeinheit zugeführt.
Im zweiten und umfangreicheren Teil wurden die C-Routinen für die feldorientierte Regelung implementiert und optimiert. Mit Hilfe des Satzes nichtlinearer Differentialgleichungen, die die Synchronmaschine beschreiben, wurde der geschlossene Regelkreis entwickelt. Somit entstand die bekannte kaskadenförmige Reglerstrucktur mit PI-Stromregler, I-Drehzahlregeler und P-Lageregler. Um für den Stromregelkreis eine Zykluszeit von 400µs erreichen zu können, ist das Zahlenformat durchgängig Integer. Die bezüglich der Verarbeitungsgeschwindigkeit erzielten Ergebnisse sind im Vergleich zu bisherigen DSP-basierende Lösungen recht zufriedenstellend. Benötigte mathematische Funktionen sind als Iterationen bzw. als eine LUT (look-up table) realisiert. Es wurde eine angemessene Skalierung der Größen vorgenommen, damit der sich fortpflanzende Fehler möglichst gering bleibt. Der Regelmodus, der Sollwert und die maschinenabhängigen Parameter werden über die serielle Schnittstelle heruntergeladen. Ferner ist ein Steuermodus für eine Asynchronmaschine realisiert, in dem ein Betragszeiger mit einer festen Umlaufgeschwindigkeit eingeprägt wird. Der Betriebsmodus und die Betriebsparameter werden auf einem LCD-Display ausgegeben.
Den Abschluß der Arbeit bildete die Messung der Stromrippel bei unbelasteter und belasteter Maschine, des Stromverlaufs und des Verhaltens beim Reversiervorgang und Sollwertsprung.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Einleitung
- 2 Grundlagen
- 2.1 Maschinenmodell in Pollagekoordinaten
- 2.2 Transformation der Phasenströme (3 → 2)
- 2.3 Transformation in Rotorkoordinaten (a,b) → (d,q)
- 2.4 Transformation in Statorkoordinaten (d,q) → (a,b)
- 2.5 Das Prinzip der feldorientierten Regelung
- 2.6 Maschinenparameter
- 2.7 Mikrorechner für die digitale Regelung
- 2.8 Realisierung der mathematischen Funktionen
- 2.8.1 Die Quadratwurzeliteration
- 2.8.2 Reihenentwicklung der Funktion arctan(x)
- 2.8.3 Interpolation der Funktion arctan(x)
- 2.9 Das Shannonsche Abtasttheorem
- 2.10 Ansätze bei der Reglerauswahl
- 2.10.1 Beschreibung der zeitdiskreten Regelstruktur
- 2.10.2 Auslegung der Regler
- 2.10.3 Zeitverhalten der Regelung
- 2.11 Verluste im Wechselrichter
- 3 Die Hardware
- 3.1 Die Architektur des C167
- 3.1.1 Übersicht
- 3.1.2 Speicherorganisation
- 3.1.3 Das externe Bus-Interface
- 3.1.4 Konfiguration des Externen Bus Controllers (EBC)
- 3.1.5 Registerbänke
- 3.1.6 Speichermodelle
- 3.1.7 Anbindung externer Speicherbausteine
- 3.2 Das Entwicklungsboard
- 3.2.1 Der RAM-Monitor
- 3.2.2 Programmdownload ins Flash
- 3.2.3 Verwendete Hardware
- 3.2.4 Jumperkonfigurationen
- 3.2.5 Firmware / Technische Daten
- 3.2.6 Speicherverwendung
- 3.2.7 Das serielle Interface
- 3.2.8 Pinbelegung
- 3.2.9 Anbindung externer Hardware
- 3.2.10 Verwendung der Timer/Counter für die Positionserfassung und Geschwindigkeitsmessung
- 3.2.11 Die Resolver-Gebersignale
- 3.2.12 Das Resolverkabel
- 3.2.13 Das LCD-Display
- 3.2.14 Die Schnittstelle zum Umrichter
- 3.1 Die Architektur des C167
- 4 Steuerverfahren
- 4.1 Einleitung
- 4.2 Prinzip der Raumzeigermodulation
- 5 Softwarebeschreibung
- 5.1 Einleitung
- 5.2 Der Keil Compiler V3.11
- 5.2.1 Compiler- und Linkeroptionen
- 5.2.2 Die Datentypen
- 5.3 Präprozessoranweisungen für das bedingte Übersetzen
- 5.4 Modulare Programmierweise
- 5.5 PEC Transfers
- 5.6 Die A/D-Wandlung
- 5.7 Die A/D-Wandlung mit PEC-Kanal 2
- 5.8 Die Pulsweitenmodulation (PWM)
- 5.9 Die Verwendung der Timer und Counter
- 5.10 Die Geschwindigkeitsmessung
- 5.10.1 Vorabbetrachtungen
- 5.10.2 Die CAPREL-Einheit
- 5.10.3 Fehlerbestimmung
- 5.11 Probleme beim bedingten Initialisieren der PEC Transfers
- 5.12 Messen der Zwischenkreisspannung
- 5.13 Serielles Lesen des Polradwinkels
- 5.14 Die Stringausgabe auf die serielle Schnittstelle
- 5.15 Zeichenausgabe auf das LCD-Display
- 5.16 Die Strommessung
- 5.16.1 Synchronisation der Strommessung
- 5.17 Die Run-Time-Library
- 5.18 Verwendete Funktionen
- 5.19 Die serielle Kommunikation (RS232)
- 5.19.1 Einstellen der Baudrate
- 5.19.2 Ändern der Schaltfrequenz fPWM
- 5.19.3 Einstellen des Betriebsmodus
- 5.19.4 Schnelle Datenanforderung
- 5.20 Beschreibung der Betriebsmodi
- 5.20.1 Der Monitormodus
- 5.20.2 Abgleich der Nullposition Rotorfeld / Statorfeld
- 5.20.3 Der Steuermodus
- 5.20.4 Der Betrieb mit/ohne Wicklungsdrossel
- 5.20.5 Der Stromregelmodus
- 5.20.6 Der Drehzahlregelmodus
- 5.20.7 Der Fehlermodus
- 5.21 Systemparameter
- 5.22 Realisierung der Regler
- 5.22.1 Der I-Regler
- 5.22.2 Der PI-Regler
- 5.22.3 Der P-Regler
- 5.23 Wahl der Skalierungsfaktoren
- 5.23.1 Skalierungsfaktoren bei der Multiplikation von Zahlen im long-Format
- 5.24 Überstrom-Schutzmaßnahmen
- 5.24.1 Diskrete Realisierung der Überstromabschaltung
- 5.25 Probleme während der Erprobung
- 6 Meßergebnisse
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Diplomarbeit beschreibt den Entwurf und Aufbau einer digitalen Strom- und Drehzahlregelung für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine. Ziel ist die Entwicklung und Implementierung einer robusten und effizienten Regelung.
- Modellierung der Synchronmaschine
- Digitale Regelungstechnik
- Hardware-Implementierung mit dem Mikrocontroller C167
- Softwareentwicklung und -implementierung
- Messung und Auswertung der Ergebnisse
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Dieses Kapitel führt in die Thematik der digitalen Regelung von permanentmagneterregten Synchronmaschinen ein und skizziert den Aufbau und die Zielsetzung der Arbeit. Es beschreibt den Kontext der Arbeit und die Motivation für die Entwicklung einer digitalen Regelung.
2 Grundlagen: Dieses Kapitel legt die theoretischen Grundlagen für das Verständnis der Arbeit. Es beschreibt das Maschinenmodell, verschiedene Koordinatentransformationen (Pollage-, Rotor-, Stator-Koordinaten), das Prinzip der feldorientierten Regelung, relevante Maschinenparameter, sowie die Auswahl und Implementierung mathematischer Funktionen für die digitale Regelung. Besonderes Augenmerk liegt auf der Beschreibung der zeitdiskreten Regelstruktur, der Auslegung der Regler und dem Einfluss der Verluste im Wechselrichter auf die Regelung.
3 Die Hardware: Dieses Kapitel detailliert die verwendete Hardware, insbesondere die Architektur des C167 Mikrocontrollers, die Organisation des Speichers, das externe Bus-Interface und die Konfiguration des Externen Bus Controllers (EBC). Es beschreibt das Entwicklungsboard umfassend, einschließlich des RAM-Monitors, des Programmdownloads, der verwendeten Hardwarekomponenten, der Jumperkonfigurationen und des seriellen Interfaces. Die Anbindung externer Hardware, die Verwendung der Timer/Counter sowie die Resolver-Gebersignale und die Schnittstelle zum Umrichter werden ebenfalls behandelt.
4 Steuerverfahren: Dieses Kapitel befasst sich mit den Steuerverfahren, die in der Arbeit zum Einsatz kommen. Der Schwerpunkt liegt hier auf dem Prinzip der Raumzeigermodulation, einem wichtigen Verfahren zur Steuerung von Wechselrichtern.
5 Softwarebeschreibung: Dieses Kapitel präsentiert die Softwareentwicklung und -implementierung der digitalen Regelung. Es behandelt den verwendeten Keil Compiler, die Programmierung mit den Datentypen und Präprozessoranweisungen, die modulare Programmierweise sowie die Implementierung der A/D-Wandlung, PWM, Timer und Counter, der Geschwindigkeitsmessung, der seriellen Kommunikation und der Strommessung. Es werden außerdem die verschiedenen Betriebsmodi der Regelung beschrieben sowie die Implementierung der Regler und die Schutzmaßnahmen gegen Überströme detailliert erläutert.
Schlüsselwörter
Digitale Strom- und Drehzahlregelung, Permanentmagneterregte Synchronmaschine, Feldorientierte Regelung, Mikrocontroller C167, Raumzeigermodulation, Softwareentwicklung, Hardware-Implementierung, Meßergebnisse.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur Diplomarbeit: Digitale Strom- und Drehzahlregelung für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine
Was ist das Thema der Diplomarbeit?
Die Diplomarbeit befasst sich mit dem Entwurf und der Implementierung einer digitalen Strom- und Drehzahlregelung für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine. Ziel ist die Entwicklung einer robusten und effizienten Regelung.
Welche Themen werden in der Arbeit behandelt?
Die Arbeit deckt ein breites Spektrum an Themen ab, darunter die Modellierung der Synchronmaschine, digitale Regelungstechnik, die Hardware-Implementierung mit dem Mikrocontroller C167, Softwareentwicklung und -implementierung, Messungen und die Auswertung der Ergebnisse. Spezifische Aspekte umfassen Koordinatentransformationen (Pollage-, Rotor-, Stator-Koordinaten), das Prinzip der feldorientierten Regelung, Raumzeigermodulation, A/D-Wandlung, PWM, Timer/Counter-Verwendung, serielle Kommunikation, verschiedene Reglertypen (I-, PI-, P-Regler) und Überstromschutzmaßnahmen.
Welche Hardware wurde verwendet?
Die Hauptkomponente ist der Mikrocontroller C167. Die Arbeit beschreibt detailliert dessen Architektur, Speicherorganisation, externes Bus-Interface und die Konfiguration des Externen Bus Controllers (EBC). Weiterhin wird das verwendete Entwicklungsboard mit seinen Komponenten, Jumperkonfigurationen, seriellen Interface und der Anbindung externer Hardware (Resolver, LCD-Display, Umrichter) ausführlich erläutert.
Welche Software wurde verwendet und welche Programmieraspekte werden behandelt?
Der Keil Compiler V3.11 wurde zur Softwareentwicklung eingesetzt. Die Arbeit behandelt die verwendeten Compiler- und Linkeroptionen, Datentypen, Präprozessoranweisungen, modulare Programmierung, A/D-Wandlung, Pulsweitenmodulation (PWM), Timer und Counter Verwendung, Geschwindigkeitsmessung (inkl. CAPREL-Einheit), serielle Kommunikation (RS232), die verschiedenen Betriebsmodi der Regelung, die Implementierung der Regler (I, PI, P) und die Schutzmaßnahmen gegen Überströme.
Welche Steuerverfahren werden eingesetzt?
Das Hauptaugenmerk liegt auf der Raumzeigermodulation zur Steuerung des Wechselrichters.
Wie ist die Arbeit strukturiert?
Die Arbeit gliedert sich in sechs Kapitel: Einleitung, Grundlagen (Maschinenmodell, Koordinatentransformationen, feldorientierte Regelung, zeitdiskrete Regelstruktur, Reglerauslegung, Verluste im Wechselrichter), Hardware (C167 Mikrocontroller, Entwicklungsboard), Steuerverfahren (Raumzeigermodulation), Softwarebeschreibung (Keil Compiler, A/D-Wandlung, PWM, Timer, Geschwindigkeitsmessung, serielle Kommunikation, Betriebsmodi, Reglerimplementierung, Überstromschutz) und Meßergebnisse.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit am besten?
Digitale Strom- und Drehzahlregelung, Permanentmagneterregte Synchronmaschine, Feldorientierte Regelung, Mikrocontroller C167, Raumzeigermodulation, Softwareentwicklung, Hardware-Implementierung, Meßergebnisse.
Wo finde ich detaillierte Informationen zu einzelnen Kapiteln?
Das Inhaltsverzeichnis im HTML-Dokument bietet eine detaillierte Übersicht über alle Kapitel und Unterkapitel mit ihren jeweiligen Inhalten.
- Quote paper
- Dr. Rüdiger Kusch (Author), 1998, Entwurf und Aufbau einer digitalen Strom- und Drehzahlregelung für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/19719
