Einheitliche theoretische Beschreibung für Antriebsregelungsverfahren auf Basis der Sliding Mode Control Theorie
Final Report Abstract
Die beiden in der Antriebstechnik am häufigsten eingesetzten Regelungsverfahren „Direkte Drehmomentregelung" und „Feldorientierte Regelung" konnten in die Theorie der Gleitregimeregelungen bzw. der flachheitsbasierten Folgeregelung eingebettet werden. Dadurch ist eine Herleitung und Beschreibung der beiden Verfahren in diesen Kontexten möglich und stellt eine weitere Möglichkeit dar, die Verfahren beispielsweise im Rahmen der Lehre zu vermitteln. Es wurden für verschiedene Anwendungen Gleitregimeregler entworfen und simulativ und für einen großen Teil der betrachteten Beispiele auch experimentell untersucht. Bei den Anwendungen handelt es sich im Einzelnen um • netzseitige Stromrichter in Zweipunkttopologie, • maschinenseitige Stromrichter für eine Asynchronmaschine in Zweipunkttopologie, • Hochsetzsteller als Gleichspannungswandler sowie • Mehrpunkttopologien in der Anwendung als netz- oder maschinenseitiger Stromrichter. Bei den untersuchten Regelungsverfahren handelt es sich um • „klassische" Gleitregimeregler mit Hysteresegliedern, • schalttabellenbasierte Regler, die als Gleitregimeregler aufgefasst werden können und • Gleitregimeregler zweiter Ordung, bei denen mit einer konstanten Schaltfrequenz gearbeitet wird. Als neues Verfahren wurde dabei eine rotorflussorientierte direkte Drehmomentregelung entwickelt. Es zeigte sich, dass Gleitregimeregler prinzipiell eine ähnliche Leistungsfähigkeit wie Regler erreichen, die mit einer Pulsweitenmodulation arbeiten. Unter bestimmten Bedingungen geht diese sogar darüber hinaus, da Gleitregimeregler insbesondere für kleine Abweichungen von den Referenzgrößen eine große Verstärkung aufweisen, weshalb Systeme im Gleitregime häufig auch als sehr robust gegenüber Störungen beschrieben werden. Als Nachteil von Gleitregimereglern sind die höheren Anforderungen an die Abtastfrequenz des Regelungsalgorithmus zu werten, da die Abtastzeit als Totzeit wirksam wird und für die Leistungsfähigkeit der Regelung einschränkt. Für die Implementierung von Antriebsregelungsverfahren ist meist die Bestimmung nicht in einfacher Weise messbarer Größen notwendig. Deshalb wurden außerdem verschiedene Beobachter- und Identifikationsverfahren untersucht und erfolgreich experimentell getestet, im Einzelnen: • „klassische" Zustandsbeobachter für die Flussverkettung und das Lastmoment, • Beobachter im Gleitregime (engl. sliding-mode observer) für die Flussverkettung und • algebraische Identifikationsverfahren für die Flussverkettung und das Lastmoment. Da Gleitregimeregler statt gemittelten, diskrete Stellgrößen ausgeben, sind diese für leistungselektronische Systeme grundsätzlich sehr geeignet, da auf eine Modulation der Ausgangssignale des Reglers verzichtet werden kann. Auf Grund dieses guten Zusammenspiels leistungslektronischer Systeme mit Gleitregimreglern erscheint es weiter sinnvoll, sich mit diesem Thema zu befassen und vor allem weiter an den Problemen zu forschen, die mit dem Einsatz von Gleitregimereglern verbunden sind. In diesem Zusammenhang erscheinen zwei Punkte von besonderem Interesse: • Da die Zykluszeit zum Abarbeiten des Regelungsalgorithmus die Abtastrate begrenzt, erscheint es erstrebenswert, Möglichkeiten zu einer schnelleren Abarbeitung des Regelungsalgorithmus zu untersuchen. Ein Ansatz könnte darin bestehen, die Algorithmen so zu gestalten, dass sich einige Teilprobleme, beispielsweise Beobachter- und Regelungsalgorithmus parallelisieren lassen. Besonders lohnenswert erscheint in diesem Zusammenhang auch die Untersuchung von algebraischen Identifikationsalgorithmen, die strukturell bereits gute Möglichkeiten zur Parallelsisierung aufweisen. Diese Überlegungen sind auch aus praktischer Sicht relevant, da mit FPGA-Schaltkreisen bereits Hardware verfügbar ist, die für eine parallele Abarbeitung von Algorithmen prädestiniert ist. • Eine weitere Möglichkeit zu weiterführenden Untersuchungen wird darin gesehen, Möglichkeiten zur Verringerung der Schaltverluste durch den Einsatz von Gleitregimereglern zu untersuchen. Dies wird dadurch motiviert, dass Gleitregimeregler nur dann zu einem Wechsel des Schaltzustandes führen, wenn ein bestimmtes Fehlermaß überschritten wird. Dadurch kann im Vergleich zu Verfahren, die mit einer festen Schaltfrequenz arbeiten die Schalthäufigkeit in bestimmten Intervallen reduziert werden, ohne dass die Leistungsfähigkeit der Regelung beeinträchtigt wird.
Publications
- Direkte Rotorfluss- und Drehmomentregelung mit adaptiver Schalttabelle für industrielle Asynchronantriebe. Dissertation TU Berlin, 2010
Weitendorf, N.
