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Antriebstechnik: Die Herausforderungen im High-Speed-Bereich

Fortsetzung des Artikels von Teil 3.

Stromregelung und PWM mit FPGAs

Die im Motorstrang befindlichen Filterkomponenten sind in der Regelungsstruktur zu berücksichtigen. Hierdurch werden Schwingungen im Stromregelkreis gedämpft und stationäre Fehler kompensiert (Bild 4). Die innerhalb der Regelkreise wirksamen Totzeiten sind bei den Koordinatentransformationen exakt zu berücksichtigen; denn aufgrund der hohen Motorfrequenzen führen selbst kleine Totzeiten zu nicht vernachlässigbaren Winkelfehlern. So legt das Polrad bei einer Abtastrate von 16 kHz und einer Speisefrequenz von 1 kHz in einem Abtastschritt bereits einen elektrischen Winkel von 22,5° zurück.

LTi, Regelungsstrutur Motorfilter Bildquelle: © LTi Drives

Bild 4. Regelungsstruktur mit Berücksichtigung des Motorfilters.

In der Regel weisen High-Speed-Motoren sehr kleine Induktivitäten auf, was es schwierig macht, den Strom verzerrungsfrei und stabil zu regeln. Neben den höheren Schaltfrequenzen und dem Einsatz von Sinusfiltern sind daher auch schnelle Stromregelungen vorteilhaft. Im Gegensatz zu Servoantrieben ist die dadurch erreichbare hohe Dynamik weniger für das schnelle Anregeln von Drehmomenten wichtig, als vielmehr für eine schnelle Reaktion auf Störungen, die durch Unzulänglichkeiten von Motor und Regler verursacht werden.

Die Regler werden dabei in einem FPGA realisiert, um den Mikroprozessor zu entlasten. So ist bei einem Zweipunkt-Wechselrichter ein 32-kHz-Stromreglerzyklus bei 16 kHz Schaltfrequenz erreichbar. Als technisches Highlight wird bei Verwendung einer Dreipunkt-Wechselrichter-Topologie eine Rechen- und Modulationsfrequenz von 128 kHz mit 64 kHz Schaltfrequenz möglich. Bisher haben sich in den Anwendungen Rechenfrequenzen von 32 kHz als ausreichend herausgestellt.