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Sensorungenauigkeit in Antrieben

Falsche Messdaten eliminieren

27. Mai 2014, 16:35 Uhr | von Philip Brockerhoff und Konrad Kapser

Sensorungenauigkeit in Antrieben: Falsche Messdaten eliminieren

Sensorungenauigkeiten können erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von elektrischen Antrieben haben. Je nach Betriebspunkt fallen diese Effekte unterschiedlich stark aus. Doch was kann man dagegen tun?

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Häufig stellt sich bei der Inbetriebnahme eines elektrischen Antriebs heraus, dass sich das System nicht wie erwartet verhält. Grund dafür können Sensorungenauigkeiten beim Strom- oder Winkelsensor sein. Zum Beispiel wirken sich interne Messfehler, begrenzte Bandbreite und Signalverzögerungen ungünstig auf das Verhalten des Antriebs aus, wenn sie nicht berücksichtigt werden. All diese Effekte haben Einfluss auf das Drehmoment des Motors, je nach Betriebspunkt allerdings unterschiedlich stark. Der Beitrag erläutert den Einfluss der Sensorungenauigkeiten in Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Antriebs.

Für die Regelung einer permanenterregten Synchronmaschine mit feldorientierter Regelung ist die genaue Kenntnis des Stroms und der Rotorposition wichtig. Die gemessenen Ströme werden mit dem Rotorwinkel durch eine Drehtransformation (Park- und Clarke-Transformation) in ein rotierendes Koordinatensystem transformiert. Dadurch ist eine einfache Regelung mit PI-Reglern möglich. Entlang der Datenerfassung (Bild 1) können die Messwerte überall verfälscht werden. Dabei haben Sensorungenauigkeiten am Beispiel des Winkelsensors unterschiedliche Auswirkungen:

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Totzeit – der Winkelwert ist veraltet.
Begrenzte Bandbreite – der Winkelwert in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit ist veraltet. Jitter – der Winkelwert ist veraltet mit einer Ungewissheit.
Quantisierung – dem Winkel fehlen Zwischenwerte.
Rauschen – der Winkel hat einen statistischen Fehler.
Nicht-Linearität – der Fehler ist vom Winkel abhängig und oszilliert.

Bei einem drehzahlveränderlichen Motor wandelt ein Wechselrichter eine Gleich- in eine Wechselspannung. Dadurch entsteht ein Strom, dessen Phasenlage und Amplitude das Drehmoment bestimmt. Sollte die Phasenlage oder die Amplitude fehlerhaft sein, entsteht ein falsches Drehmoment (Bild 2).

Solange die Spannung des Wechselrichters nicht voll ausgenutzt wird, befindet sich der Motor im Grunddrehzahlbereich. Die Amplitude des Motorstroms bestimmt das Drehmoment und eine kleine Abweichung im Strom kann durch zusätzliche Spannung ausgeglichen werden. Dadurch ist das System relativ unempfindlich gegen Phasenverschiebungen und Verzögerungen der Messung (Bild 3 oben).