Ressourcen-Effiziente Sensorlose Regelung für Kleinst-Permanentmagneterregte Synchronmaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Nienhaus
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458222494

In den vergangenen Jahren hat die Verwendung von PMS Motoren sowohl in industriellen als auch in low-cost Anwendungen stark zugenommen, da diese Motoren eine hohe Dynamik bei einem robusten und kompakten Aufbau aufweisen. Nichtsdestotrotz müssen zur korrekten Ansteuerung solcher Maschinen Positionssensoren wie Encoder und Resolver eingesetzt werden. Für den erfolgreichen und kostengünstigen Einsatz von PMSM muss auf Sensoren verzichtet werden und stattdessen sensorlose Ansteuerverfahren über einen großen Drehzahlbereich implementiert werden. Insbesondere für Klein- und Mikroantriebe ist es von großer Bedeutung, recheneffiziente sensorlose Ansteuerungsverfahren einzusetzen, sodass Abmaße und Kosten der Recheneinheiten und Ansteuerungselektroniken weiter reduziert werden können. Unter den sensorlosen Ansteuerungsverfahren hat sich in den letzten Jahren die Verwendung von Maschinenanisotropien als erfolgsversprechender Ansatz herausgestellt, um Synchronmaschinen im gesamten Drehzahlbereich inklusive Stillstand anzusteuern. Eine Unterkategorie dieser Verfahren wertet Stromwelligkeiten (Stromrippel) aus, die inhärent vorhanden sind, da diese von schaltenden Leistungsstufen hervorgerufen werden. Dieser Forschungsantrag schlägt ein sensorloses Ansteuerungsverfahren basierend auf einer hybriden analogen/digitalen Auswertestrategie vor, um den Rechenaufwand drastisch zu reduzieren, aber zeitgleich die Performanz der einschlägigen Techniken beizubehalten. Ausgangspunkt für dieses Projekt ist die IDIM-Technik (Integrator-Based Direct Inductance Measurement), die in Vorarbeiten erfolgreich zur sensorlosen Regelung von einphasigen elektromagnetischen Aktoren wie Ventilen eingesetzt wurde. Dies geschieht durch einen analogen Integrator, der die Stromrippel synchron zur PWM-Periode integriert. Durch Abtastung dieses Integrators kann die Induktivität des Aktors mit hohem Signalrauschverhältnis ermittelt werden, was eine robuste sensorlose Regelung erlaubt. Eine direkte Anwendung dieses Verfahrens auf dreiphasige Maschinen bedarf der Auswertung der Stromwelligkeiten in einer PMSM unter Berücksichtigung der rückinduzierten Spannung, der verschiedenen Schaltzustände des Inverters sowie der hervorgerufenen Nichtlinearitäten und Totzeiten des Inverters. In dem veranschlagten Projekt werden diese Effekte mit dem Ziel analysiert und modelliert, eine effektive Maschinenanregungs- und Messstrategie zu entwerfen, um die genannten Effekte zu kompensieren. Zusammen mit dem analogen Integrator der IDIM-Technik soll damit ein Algorithmus zur sensorlosen Positionsermittlung synthetisiert, implementiert und validiert werden, der insbesondere wenig Rechenleistung benötigt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Emanuele Grasso