Selbstoptimierende und modelladaptive Regelung von elektrischen Antriebssystemen mittels vorausschauender Pulsmusterplanung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Elektrische Antriebe erfüllen vielfältige Aufgaben und sind ein wesentlicher Baustein der modernen Industriegesellschaft. Mittlerweile werden die meisten Antriebe geregelt betrieben, wobei neben der eigentlichen Erfüllung des Regelziels auch Nebenaspekte wie verlustreduzierter Betrieb, maximale Spannungsausnutzung und hohe Regeldynamik von den Anwendern gewünscht oder gefordert werden. Um diese Ziele zu erreichen, wurde in diesem Projekt ein durchgängiges Konzept zur selbstoptimierenden und modelladaptiven Regelung von Syn-chronmaschinen erforscht. Das Konzept lässt sich in zwei Stufen unterteilen. In einer ersten Stufe wird das elektrische Verhalten von hochausgenutzten Synchronmaschinen mit (Kreuz-)Sättigungseffekten während des Betriebs identifiziert. Hierfür wird eine direkte modellprädiktive Stromregelung ohne Modulator eingesetzt. Die dabei entstehende natürliche Anregung aufgrund der schaltfrequenten Stromschwankung ist für die Identifikation der Maschine vorteilhaft. Das zur Regelung benötigte Prädiktionsmodell wird mit der Methode der rekursiven kleinsten Quadrate kontinuierlich geschätzt. Dabei können physikalische Parameter wie differentielle Induktivitäten und Flussverkettungen kontinuierlich angepasst und in Kennfeldern abgelegt werden. In einem zweiten Schritt wird eine modulatorbasierte modellprädiktive Flussregelung realisiert. Durch den Einsatz eines Modulators können Stromverzerrungen und damit Verluste reduziert werden. Mit Hilfe der in der ersten Stufe identifizierten Maschinencharakteristik ist die Flussregelung in der Lage, Arbeitspunkte für vorgegebene Solldrehmomente in minimaler Zeit zu erreichen, wobei Drehmoment- und Stromgrenzen als Zustandsgrenzen be-rücksichtigt werden, so dass transiente Überströme sowie Über- und Unterschwingen des Drehmoments vermieden werden. Darüber hinaus kann der gesamte Modulationsbereich des Umrichters vom linearen Modulationsbereich bis zur Übermodulation einschließlich Blockbetrieb fließend und vollständig ausgenutzt werden. Dies führt zu einer um ca. 10 % höheren Leistung des Antriebs bei hohen Drehzahlen gegenüber dem linearen Modulationsbereich. Um weiterhin eine hohe Regelgüte und -genauigkeit zu gewährleisten, werden die Kennfelder der Flussverkettung während des Betriebs bei ausreichend hohen Drehzahlen kontinuierlich korrigiert, um Temperatur- und Alterungseinflüsse zu kompensieren. Da dieses zweistufige Konzept nur minimale Vorkenntnisse über den elektrischen Antriebsstrang erfordert und mit einer geringen Anzahl von Einstellparametern auskommt, kann ein elektrisches Antriebssystem ohne großes Expertenwissen in Betrieb genommen werden. Das untersuchte Konzept wurde anhand einer hochausgenutzten permanenterregten Synchronmaschine mit vergrabenen Magneten simulativ verifiziert und durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen validiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Torque Characteristics of a Per-manent Magnet Motor: 74 Million Samples for Data Driven Learning.
A. Brosch; O. Wallscheid & J. Böcker
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Data-Driven Recursive Least Squares Estimation for Model Predictive Current Control of Permanent Magnet Synchronous Motors. IEEE Transactions on Power Electronics, 36(2), 2179-2190.
Brosch, Anian; Hanke, Soren; Wallscheid, Oliver & Bocker, Joachim
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Model Predictive Control of Permanent Magnet Synchronous Motors in the Overmodulation Region Including Six-Step Operation. IEEE Open Journal of Industry Applications, 2, 47-63.
Brosch, Anian; Wallscheid, Oliver & Bocker, Joachim
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Torque and Inductances Estimation for Finite Model Predictive Control of Highly Utilized Permanent Magnet Synchronous Motors. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 17(12), 8080-8091.
Brosch, Anian; Wallscheid, Oliver & Bocker, Joachim
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Long-Term Memory Recursive Least Squares Online Identification of Highly Utilized Permanent Magnet Synchronous Motors for Finite-Control-Set Model Predictive Control. IEEE Transactions on Power Electronics, 38(2), 1451-1467.
Brosch, Anian; Wallscheid, Oliver & Bocker, Joachim
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Model Predictive Torque Control for Permanent-Magnet Synchronous Motors Using a Stator-Fixed Harmonic Flux Reference Generator in the Entire Modulation Range. IEEE Transactions on Power Electronics, 38(4), 4391-4404.
Brosch, Anian; Wallscheid, Oliver & Bocker, Joachim
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Time-Optimal Model Predictive Control of Permanent Magnet Synchronous Motors Considering Current and Torque Constraints. IEEE Transactions on Power Electronics, 38(7), 7945-7957.
Brosch, Anian; Wallscheid, Oliver & Böcker, Joachim
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Time-Optimal Model Predictive Control of Permanent Magnet Synchronous Motors in the Whole Speed and Modulation Range Considering Current and Torque Constraints. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).
Brosch, Anian; Wallscheid, Oliver & Böcker, Joachim
