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Die Güte von Motorregelungen

Einflüsse und Auswirkungen von Messfehlern

14. Dezember 2016, 9:19 Uhr | Von Thomas Brand

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Offset-Fehler

Neben falschen Abtastzeitpunkten haben zusätzlich auch die bei der Strommessung entstehenden Offsets negative Auswirkungen auf die Regelgüte. Offsets können sowohl statisch als auch dynamisch in Form von Drifts aufkommen. Statische Offset-Fehler treten jederzeit überall und bei jeder Temperatur auf, wohingegen Offset-Drifts eine Funktion aus verschiedenen Parametern wie beispielsweise Temperatur und Zeit darstellen.

Wie bei den Abtastfehlern muss auch bei Messfehlern durch Offsets zwischen der Strommessung aller drei Motorphasen und der Strommessung von zwei Motorphasen unterschieden werden. Ebenso generieren Offsets eine zusätzliche Wechselstromkomponente mit der Drehfrequenz des Motors und rufen folglich zusätzliche Drehmomentwelligkeit hervor.

Eine Offset-Kalibrierung bei der Herstellung des Motors oder auch bei jedem Start des Motors verringert zwar den statischen Offset-Fehler, jedoch sorgen die beim Betrieb des Motors aufkommenden Offset-Drifts dennoch für zusätzliche Drehmomentwelligkeit.

Offset-Drifts sind leider schwieriger zu kompensieren, da es sich um langsame Änderungen handelt und folglich eine sogenannte Online-Kali¬brierung nur mit sehr viel Aufwand durchzuführen ist. Bei der Messung aller drei Motorströme haben sowohl statische Offset-Fehler als auch Offset-Drifts nahezu keinen Einfluss auf die Drehmomentwelligkeit.

Auch wenn die Drifts nicht identisch sind, ist zumindest der gleiche Trend zu erwarten, woraufhin sich die Fehler bei der Auswertung herauskürzen. Die Messung aller drei Motorströme ist somit die effektivste Maßnahme zur Minderung des Offset-Drift. Folglich haben Regelschleifen mit drei Messzweigen stets eine geringere Drehmomentwelligkeit in Systemen ohne Offset-Kalibrierung.

Nichtsdestotrotz wird beispielsweise aus kosten- und platztechnischen Gründen oftmals weiterhin auf die Zweiphasenmessung gesetzt. Hierbei ist die Drehmomentwelligkeit aufgrund der Offset-Anteile nicht zu vermeiden, auch wenn die Kanäle in gleichem Maße driften. Systeme, die auf einer Zweiphasenmessung beruhen, sind daher weniger genau und sehr anfällig in Bezug auf erhöhte Drehmomentwelligkeit.

Die einzige Möglichkeit zur Vermeidung bzw. Verringerung der Drehmomentwelligkeit besteht hierbei in der Sicherstellung eines möglichst geringen Drift, was wiederum die Komplexität des Regelsystems erhöht und dementsprechend die Kosten eines weniger komplexen Systems mit Dreiphasenmessung übersteigen kann. Für vorgegebene Leistungsanforderungen können sich somit Systeme mit drei Messkanälen als preiswertere Lösung herausstellen.

Verstärkungsfehler

Eine weitere Schwäche der Motorregelung besteht im sogenannten Verstärkungsfehler in der Stromrückführung bzw. in der Strommessung. Dieser ist in der Regel proportional zum Strom der jeweiligen Motorphase und somit eine sinusförmige Komponente mit der Drehfrequenz des Motors. Verstärkungsfehler werden durch die gleichen Ursachen wie Abtastfehler hervorgerufen, weshalb die gleichen Rückschlüsse zu ziehen sind:

Bei gleichem Verstärkungsfehler auf allen Messkanälen entsteht keine zusätzliche Drehmomentwelligkeit, sondern lediglich ein Verstärkungsfehler. Dies trifft sowohl auf Zwei- als auch auf Dreiphasenmessungen zu.
Weichen die Verstärkungsfehler der einzelnen Messkanäle voneinander ab, führt dies zu einer zusätzlichen Drehmomentwelligkeit mit der doppelten Drehfrequenz.
Zweiphasenmessungen sind um das √3-Fache empfindlicher im Vergleich zu Dreiphasenmessungen.ih

Literatur

[1] Kaitwanidvilai, S.; Khan-Ngern, W.; Panarut, M.: The impact of deadtime effect on unwanted harmonics conducted emission of PWM inverters. Proceedings of the Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics (CEEM 2000), Shanghai, 2000, pp. 232–237.

Der Autor

Thomas Brand
studierte Elektrotechnik an der Dualen Hochschule Mosbach in Kooperation mit dem Unternehmen ebm-papst Mulfingen GmbH & Co. KG. Nach Abschluss des Diplom-Studiengangs im Jahr 2008 arbeitete er bis 2014 als Elektronikentwickler bei ebm-papst. Von 2014 bis 2016 absolvierte er ein Masterstudium an der HTWG Konstanz im Bereich „Internationaler Vertrieb“. Seit 2016 ist er Applications Engineer im Bereich „Motor Control“ bei Analog Devices in München.

Thomas Brand

studierte Elektrotechnik an der Dualen Hochschule Mosbach in Kooperation mit dem Unternehmen ebm-papst Mulfingen GmbH & Co. KG. Nach Abschluss des Diplom-Studiengangs im Jahr 2008 arbeitete er bis 2014 als Elektronikentwickler bei ebm-papst. Von 2014 bis 2016 absolvierte er ein Masterstudium an der HTWG Konstanz im Bereich „Internationaler Vertrieb“. Seit 2016 ist er Applications Engineer im Bereich „Motor Control“ bei Analog Devices in München.