Entwurf und Aufbau einer digitalen Strom- und Drehzahlregelung für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine

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

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

7 Zusammenfassung

A Sourcecode und Platinenlayout

A.1 Liste erstellter Dateien

A.2 Input-Platine

A.2.1 Bestückungsplan

A.2.2 Layout Bestückungsseite

A.2.3 Layout Lötseite

A.2.4 Teileliste

A.3 Das LCD-Display

A.3.1 Bestückungsplan

A.3.2 Teilelisten

A.4 Phytec kitCON-167 - Platine

A.4.1 Verwendete Signale

A.5 GAL-Gleichungen

A.6 Sourcecode

A.6.1 Datei: C167SPAR.C

A.6.2 Datei: C167SPAR.H

A.6.3 Datei: C167UT.C

A.6.4 Datei: C167UT.H

A.6.5 Datei: C167SER.C

A.6.6 Datei: C167SER.H

A.6.7 Datei: C167DIS.MSG

Zielsetzung und Themen

Die Arbeit befasst sich mit der Konzeption und dem Aufbau einer digitalen Strom- und Drehzahlregelung für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine unter Verwendung eines 16-Bit-Mikrocontrollers vom Typ C167. Das primäre Ziel besteht darin, durch eine leistungsfähige Signalverarbeitung und feldorientierte Regelung die dynamischen Eigenschaften der Maschine zu optimieren und Grundlagen für weiterführende Untersuchungen im Bereich der Antriebstechnik zu schaffen.

• Implementierung der feldorientierten Regelung mittels C167-Mikrocontroller
• Optimierung von Reglerstrukturen und Entkoppelnetzwerken für Synchronmaschinen
• Entwicklung und Konfiguration einer hardwarenahen Softwarearchitektur für Echtzeitanwendungen
• Realisierung schneller mathematischer Funktionen und Signalverarbeitung (z.B. A/D-Wandlung, Geschwindigkeitsmessung)

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

Einleitung: Einführung in die Problematik der Antriebstechnik und die Motivation für den Einsatz digitaler Mikrocontroller bei Synchronmaschinen.

Grundlagen: Mathematische Herleitung des Maschinenmodells, Transformationen zwischen Koordinatensystemen und Grundlagen der feldorientierten Regelung.

Die Hardware: Detaillierte Beschreibung des C167-Mikrocontrollers sowie des verwendeten Entwicklungsboards und der Peripherie-Schaltungen zur Signalaufbereitung.

Steuerverfahren: Erläuterung der Raumzeigermodulation als Verfahren zur Ansteuerung von Umrichtern.

Softwarebeschreibung: Detaillierte Darstellung der Softwarearchitektur, Implementierung der Regelalgorithmen, Fehlerbehandlungsroutinen und Systemparameter.

Meßergebnisse: Präsentation der experimentell ermittelten Stromverläufe und Reversierverhalten unter verschiedenen Betriebsbedingungen.

Zusammenfassung: Fazit der Arbeit und Ausblick auf notwendige Verbesserungen hinsichtlich Störsicherheit und Systemerweiterungen.

Schlüsselwörter

Feldorientierte Regelung, Synchronmaschine, C167 Mikrocontroller, Raumzeigermodulation, Stromregelung, Drehzahlregelung, Pulsweitenmodulation, Antriebstechnik, Resolver, Echtzeitverarbeitung, Umrichter, Softwareoptimierung

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?

Die Diplomarbeit beschreibt den Entwurf und den Aufbau einer digitalen Strom- und Drehzahlregelung für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine auf Basis eines C167-Mikrocontrollers.

Was sind die zentralen Themenfelder?

Die Schwerpunkte liegen auf der feldorientierten Regelung, der hardwarenahen Programmierung (inklusive der Nutzung von PEC-Kanälen für schnelle Interrupt-Service-Routinen) und der Optimierung der Regelungsdynamik.

Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?

Ziel ist es, eine effiziente digitale Regelstruktur zu implementieren, die den Anforderungen der Antriebstechnik gerecht wird und die Maschine in Moment und Drehzahl präzise steuert.

Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?

Es werden mathematische Modelle zur Beschreibung der Synchronmaschine in rotorfesten Koordinaten (d,q-System) verwendet, kombiniert mit zeitdiskreten Reglerentwürfen und einer softwarebasierten Raumzeigermodulation.

Was wird im Hauptteil behandelt?

Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen des Maschinenmodells, die Hardware-Konfiguration, die spezifischen Steuerverfahren der Raumzeigermodulation sowie die detaillierte Softwarebeschreibung der Implementierung.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Feldorientierte Regelung, C167, Synchronmaschine, Raumzeigermodulation, Antriebstechnik.

Welche Rolle spielt die PEC-Einheit bei der A/D-Wandlung?

Die PEC-Einheit (Peripheral Event Controller) wird genutzt, um die A/D-Wandlung hardwarenah ohne CPU-Last zu triggern und Ergebnisse effizient direkt in den Speicher zu schreiben, was eine deutliche Zeitersparnis im Regelzyklus ermöglicht.

Warum ist der Einsatz einer Wicklungsdrossel für den Betrieb kritisch?

Beim Betrieb ohne Drossel treten Störimpulse und Stromspikes auf, die die Regelung stören können. Zudem kann es bei hohen Strömen und Schaltfrequenzen zu einer überproportionalen Erwärmung des Rotors kommen, weshalb der Betrieb ohne Drossel nur bei niedrigen Frequenzen empfohlen wird.