Sensorlose Vektorsteuerung: Wie erreicht man eine präzise Beherrschung mit verbundenen Augen?

Das Streben nach präziser Motorsteuerung beruht seit langem auf einer entscheidenden physikalischen Komponente: dem Geschwindigkeitsrückmeldegerät. Unabhängig davon, ob es sich um einen einfachen Encoder oder einen Resolver handelt, fungiert dieser Sensor als „Auge“ des Motors und teilt dem Antrieb genau mit, wo sich der Rotor befindet und wie schnell er sich dreht.

Aber was wäre, wenn Sie die hohe Leistung der Vektorkontrolle ohne diese Augen erreichen könnten? Was wäre, wenn der Antrieb mit einer Art „maschineller Intuition“ arbeiten könnte und die Position und Geschwindigkeit des Rotors allein durch Berechnung abschätzt? Dies ist das bemerkenswerte Versprechen und die technische Realität der sensorlosen Vektorsteuerung (SLVC).

Die Motivation für die Entfernung des physischen Sensors beruht auf praktischen, realen-technischen Herausforderungen. Obwohl ein Encoder hervorragende Daten liefert, birgt er mehrere potenzielle Fehlerquellen.

Es handelt sich um eine zusätzliche Komponente, die eine Montage, eine präzise Ausrichtung und ein abgeschirmtes Kabel zurück zum Antrieb erfordert, was die Installationskosten und die Komplexität erhöht. Noch wichtiger ist, dass der Encoder und seine Verkabelung in rauen Industrieumgebungen -mit Vibrationen, Feuchtigkeit, Öl oder extremen Temperaturen- zu einer Hauptanfälligkeit werden und anfällig für Ausfälle sind, die zu ungeplanten Ausfallzeiten führen können.

Die sensorlose Steuerung löst diese Probleme, indem sie das System von Natur aus robuster und einfacher macht. Es reduziert die Stückliste, eliminiert einen häufigen Fehlerpunkt und ist ideal für Anwendungen, bei denen die Montage eines Sensors physikalisch schwierig oder unmöglich ist, wie zum Beispiel bei Tauchpumpen oder in abgedichteten Kompressoren. Das Ziel besteht nicht darin, die Leistung zu beeinträchtigen, sondern durch algorithmische Intelligenz eine belastbare, leistungsstarke Steuerung zu erreichen.

Wie „sieht“ ein Antrieb ohne Sensor? Es verhält sich wie ein erfahrener Pilot, der durch Wolken fliegt und sich eher auf Instrumente und ein mentales Modell als auf visuelle Hinweise verlässt. Der Antrieb nutzt den Motor selbst als Sensor und überwacht akribisch das Einzige, was er immer direkt messen kann: die Spannung und den Strom, die in den Statorwicklungen fließen.

Anhand dieser elektrischen Signale erstellt der Mikroprozessor des Antriebs in Echtzeit mathematische Modelle des Motors. Die Kernaufgabe besteht darin, zwei Unbekannte zu ermitteln: Rotorgeschwindigkeit und Magnetflussposition. Dies geschieht hauptsächlich durch zwei ausgefeilte Schätztechniken:

Modellreferenzadaptives System (MRAS): Diese weit verbreitete-Methode verwendet zwei Modelle. Ein „Referenzmodell“ berechnet einen Wert (wie den Statorfluss) basierend auf gemessenen Motorspannungen. Ein „einstellbares Modell“ berechnet denselben Wert, verwendet jedoch in seinen Gleichungen die geschätzte Rotorgeschwindigkeit. Ein adaptiver Mechanismus passt die geschätzte Geschwindigkeit im einstellbaren Modell kontinuierlich an, bis seine Ausgabe mit der Ausgabe des Referenzmodells übereinstimmt. Wenn sie übereinstimmen, entspricht die geschätzte Geschwindigkeit der tatsächlichen Rotorgeschwindigkeit.

Sliding Mode Observer (SMO): Diese robuste Technik behandelt den Schätzfehler als ein zu kontrollierendes Objekt. Es zwingt die Fehlerdynamik dazu, entlang einer vordefinierten Oberfläche im mathematischen Zustandsraum zu „gleiten“. Auf dieser Oberfläche ist das System unempfindlich gegenüber bestimmten Störungen und die Ausgänge des Beobachters konvergieren genau mit den tatsächlichen Rotorfluss- und Drehzahlwerten, selbst wenn Motorparameterschwankungen vorhanden sind.

Das linke Diagramm veranschaulicht, wie diese Kernalgorithmen im Zusammenspiel mit dem grundlegenden Motormodell eine präzise „blinde“ Steuerung ermöglichen:

Der Steuerungstyp bietet eine hervorragende Leistung, es ist jedoch wichtig, seinen Betriebsbereich im Vergleich zu seinem sensorgesteuerten Gegenstück zu verstehen.

Die wesentliche Einschränkung ist die niedrigste nachhaltige Geschwindigkeit. Bei sehr niedriger Drehzahl oder Drehzahl Null wird das Gegen--EMK-Signal-ein entscheidender Eingang für die Schätzer-zu schwach, um eine genaue Messung durchzuführen. Daher zeichnet sich SLVC bei Anwendungen aus, die keinen dauerhaften Betrieb mit hohem-Drehmoment im echten Stillstand, sondern eine hohe Leistung über einen weiten Betriebsbereich erfordern.

Die Implementierung einer robusten sensorlosen Steuerung ist eine Übung in der Systemtechnik. Es beginnt mit der genauen Identifizierung der Motorparameter. Während eines Auto-{2}}Tuning-Vorgangs legt der Antrieb bestimmte Signale an den Motor an und misst seine Reaktion, um kritische Parameter wie Statorwiderstand, Induktivität und Rotorzeitkonstante zu berechnen. Die Genauigkeit des gesamten Schätzsystems hängt von diesem anfänglichen Modell ab.

Darüber hinaus muss der Antrieb über eine adaptive Kompensation verfügen. Da sich der Motor während des Betriebs erwärmt, ändert sich sein Widerstand. Fortschrittliche Antriebe kompensieren diese Schwankungen kontinuierlich und stellen so sicher, dass das interne Modell mit dem physischen Motor übereinstimmt. Zur Gewährleistung der Stabilität bei sich schnell ändernden Lasten werden außerdem Rauschfilterung und robuste Regelungstheorie eingesetzt.

Bei Renle ist die sensorlose Vektorsteuerung keine generische Funktion, sondern eine sorgfältig entwickelte Funktion, die in alle Produktlinien integriert ist. Unsere Antriebe sind darauf ausgelegt, diese komplexen Schätzungen mit der für industrielle Arbeitszyklen erforderlichen Verarbeitungsgeschwindigkeit und Stabilität auszuführen.

Zum Beispiel in unseremRNB2000 VFDBei Allzweck-Vektorantrieben ist der SLVC-Algorithmus für Pumpen und Lüfter optimiert und ermöglicht eine energiesparende variable Drehmomentsteuerung, ohne dass eine Sensorwartung erforderlich ist. Für dynamischere Anwendungen wie Förderbänder, Mischer oder bestimmte Werkzeugmaschinen bieten wir unsereFrequenzumrichter der Serie RNB2000verwendet erweiterte Schätzer für eine bessere{0}Leistung bei niedriger Geschwindigkeit und eine bessere Lastreaktion.

Ein praktisches Beispiel ist eine Kreiselpumpenstation. Hier steuert ein sensorloser Vektorantrieb von Renle die Pumpe basierend auf Druck- oder Durchflussrückmeldungen. Es sorgt für sanfte Starts mit hohem-Drehmoment, um die Systemträgheit zu überwinden, regelt die Geschwindigkeit präzise, ​​um den Sollwert beizubehalten, und sorgt für erhebliche Energieeinsparungen-und das alles ohne das Risiko eines Encoderausfalls in einer feuchten, vibrierenden Umgebung. Dies führt direkt zu geringeren Lebenszykluskosten und einer höheren Systemzuverlässigkeit.