Modellierung und hochdynamische Stromregelung von PM-Synchronmaschinen unter Berücksichtigung von Sättigungseffekten

In dieser Arbeit wird die Regelung von Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSM) unter Berücksichtigung von magnetischen Sättigungseffekten behandelt. Zunächst werden einleitend Aufbau, Einsatzgebiete sowie die Topologie aktuell verwendeter Antriebsregelungen für PMSM dargestellt. Grenzen und Unzulänglichkeiten, die bei Betrieb mit einer Standardstromregelung auftreten können, werden aufgezeigt. Ausgehend von den Spannungsgleichungen je Strang und der Bilanzierung der auftretenden Energien werden die Prinzipien der elektromechanischen Energiewandlung erläutert und die allgemeinen dynamischen Gleichungen im feldorientierten dq-Koordinatensystem hergeleitet. Sämtliche Einflussgrößen (Flussverkettungen, Induktivitäten, Drehmoment) werden auf eine Darstellung der magnetischen Koenergie zurückgeführt.
Anschließend werden parametrische Modelle entwickelt, die auf der Approximation der Koenergiefunktion basieren. Je nach Maschinenverhalten und erforderlicher Modellgenauigkeit können die Auswirkungen sättigungsbedingter Nichtlinearitäten über Spline-Funktionen und lageabhängiger Flussverkettungen über Fourier-Koeffizienten nachgebildet werden.
Da auch im Regelkreis vorhandene Stell- und Messglieder (Wechselrichter, Stromsensorik, Lagegeber) die Regelgüte beeinflussen können, werden diese ebenfalls betrachtet und Modelle abgeleitet. Berücksichtigt werden Fehlerspannungen durch Schaltzeiten der Leistungshalbleiter, Stellgrößenbeschränkungen durch endliche Zwischenkreisspannung, Rechentotzeit der Abtastregelung und Verzögerung der erfassten Außenleiterströme durch Stromistwertfilter. Die Gültigkeit der Modelle wird durch Messungen belegt.
Die feldorientierte Standardregelung wird derartig erweitert, dass die nichtlineare Regelstreckendynamik im Stromregler invers implementiert wird. Das Verhalten des Stromregelkreises bleibt dadurch unabhängig vom Arbeitspunkt nahezu konstant. Weiterhin wird eine Stromprädiktion (Vorausberechnung der Statorströme um einen Abtasttakt) auf Basis des nichtlinearen Maschinenmodells hinzugefügt. Hierdurch lassen sich Auswirkungen der Rechentotzeit eliminieren. Beide Maßnahmen führen zu einer signifikanten Steigerung der Dynamik des Stromregelkreises. Durch eine Störgrößenaufschaltung werden induzierte Spannungsanteile sättigungsbedingt lageabhängiger Flussverkettungen mit 6-facher Statorfrequenz kompensiert und eine daraus resultierende Schwingung der Statorströme mit gleicher Frequenz unterdrückt. Insbesondere wird dadurch vermieden, dass bei Betrieb an der Stromgrenze der zulässige Maximalstrom des Motors periodisch überschritten oder die Überstromabschaltung des Wechselrichters aktiviert wird.
Ein Echtzeitsystem wird entwickelt, um die erweiterten Regelungsverfahren zu implementieren. Die Vorteile gegenüber einer Standardregelung werden anhand von Messergebnissen dargestellt und diskutiert.