Entwurf einer Stromregelung mit definiertem dynamischem Verhalten für einen Permanentmagnet-Synchronmotor mit eingebetteten Magneten (IPMSM)

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Permanentmagnet-Sychronmotor (PMSM)

2.1 Aufbau und Bauformen

2.2 Modellierung

2.2.1 Koordinatensysteme und Raumzeiger

2.2.2 Allgemeine Spannungsgleichungen

2.2.3 Vernachlässigung von Eisen-Sättigungseffekten

2.2.4 Modellierung von Eisen-Sättigungseffekten

2.2.5 Drehmomentbildung

2.2.6 Wirkungsplan

2.3 Betriebsgrenzen eines IPMSM

2.3.1 Stromgrenze

2.3.2 Spannungsgrenze

2.3.3 Typische Motorkennlinien eines IPMSM

3 Betriebsstrategien eines IPMSM

3.1 Ein Überblick

3.2 Herleitung der MTPC-Strategie

3.3 Betriebsstrategie für den Flussschwächbereich

3.3.1 Unterer Flussschwächbereich

3.3.2 Oberer Flussschwächbereich

3.4 Vorstellung einer Gesamtbetriebsstrategie

4 Feldorientierte Stromregelung

4.1 Anforderungen an die Regelungsstruktur

4.2 Konzept der feldorientierten Stromregelung

4.2.1 Gesamtstruktur der feldorientierten Regelung

4.2.2 Erste Reglersynthese nach dem Symmetrischen Optimum (SO)

4.2.3 Anti-Reset-Windup (ARW)

4.2.4 Erste Simulationsergebnisse

4.3 Adaptive Stromregelung

4.3.1 Umsetzung am Beispiel eines PI-Reglers nach dem SO

5 Stromregelung mit definiertem dynamischem Verhalten

5.1 Erster Ansatz: Führungsglättung

5.2 Zweiter Ansatz: Internal Model Control

5.2.1 Theoretische Grundlagen

5.2.2 Implementierung des IMC-Reglers im IPMSM Stromregelkreis

5.2.3 Reduzierung der Auswirkung von Entkopplungsfehlern

5.3 Kombination der Ansätze

6 Implementierung und Validierung am Prüfstand

6.1 Versuchsaufbau

6.2 Überprüfung des Ansatzes mit Führungsglättung

6.3 Überprüfung des Ansatzes nach dem IMC-Verfahren

6.4 Überprüfung des kombinierten Ansatzes

7 Fazit und Ausblick

Zielsetzung & Themen

Ziel der Arbeit ist der Entwurf einer Stromregelung für einen Permanentmagnet-Synchronmotor mit eingebetteten Magneten (IPMSM), die dem System ein definiertes, arbeitspunktunabhängiges dynamisches Verhalten (PT1-Verhalten) aufprägt, um die Auslegung überlagerter Regelkreise zu erleichtern.

• Modellierung des IPMSM unter Berücksichtigung von Eisen-Sättigungseffekten.
• Entwicklung einer effizienten Arbeitspunktsteuerung (MTPC-Strategie).
• Design und Vergleich verschiedener Regleransätze (Führungsglättung, Internal Model Control, Kombination aus beiden).
• Validierung der Regelungsstrategien mittels Simulationen in MATLAB/Simulink.
• Experimentelle Verifizierung der Ergebnisse am Prüfstand unter realen Bedingungen.

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung: Motivation für den Einsatz von IPMSM in Traktionsantrieben und Vorstellung des Ziels, ein definiertes, arbeitspunktunabhängiges dynamisches Verhalten zu realisieren.

2 Permanentmagnet-Sychronmotor (PMSM): Theoretische Grundlagen, mathematische Modellierung unter Einbeziehung von Sättigungseffekten und Definition der Betriebsgrenzen.

3 Betriebsstrategien eines IPMSM: Diskussion von Betriebsstrategien wie der MTPC-Strategie zur wirkungsgradoptimierten Ansteuerung und deren Implementierung mittels Kennlinienfeldern.

4 Feldorientierte Stromregelung: Vorstellung des Regelungskonzepts, inklusive Entkopplungsmaßnahmen, Reglersynthese nach dem Symmetrischen Optimum und einer adaptiven Regelungsstruktur.

5 Stromregelung mit definiertem dynamischem Verhalten: Präsentation dreier Ansätze (Führungsglättung, IMC, kombinierter Ansatz) zur Erzielung eines definierten dynamischen Verhaltens.

6 Implementierung und Validierung am Prüfstand: Beschreibung des Versuchsaufbaus und experimentelle Untersuchung der entwickelten Regelungsverfahren.

7 Fazit und Ausblick: Zusammenfassende Bewertung der untersuchten Verfahren und Identifikation von Potenzialen für zukünftige Arbeiten.

Schlüsselwörter

IPMSM, feldorientierte Regelung, Stromregelung, Eisen-Sättigungseffekte, MTPC-Strategie, Internal Model Control, dynamisches Verhalten, Traktionsantrieb, Drehmomentsteuerung, PI-Regler, Symmetrisches Optimum, Prüfstand, Führungsglättung, adaptive Regelung, Kennlinienfelder

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?

Die Arbeit befasst sich mit dem Entwurf einer Stromregelung für einen Permanentmagnet-Synchronmotor mit eingebetteten Magneten (IPMSM), der als Traktionsantrieb eingesetzt wird. Ziel ist es, dem Motor ein definiertes, lineares dynamisches Verhalten aufzuprägen, um überlagerte Regelkreise effizienter zu gestalten.

Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?

Die zentralen Themen sind die mathematische Modellierung des IPMSM unter Berücksichtigung von Sättigungseffekten, der Entwurf von Betriebsstrategien zur Wirkungsgradoptimierung sowie die Entwicklung und Validierung verschiedener Ansätze zur Stromregelung.

Welches primäre Ziel verfolgt der Autor mit der Arbeit?

Das primäre Ziel ist es, das stark arbeitspunktabhängige Dynamikverhalten des IPMSM zu linearisieren, damit für überlagerte Funktionen (wie Drehzahl- oder Schlupfregelung) ein bekanntes, definiertes Verhalten vorausgesetzt werden kann.

Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?

Der Autor nutzt sowohl analytische Herleitungen (Reglersynthese) als auch numerische Methoden, wobei insbesondere die Modellierung durch Kennlinienfelder (Look-Up Tables) zur Beschreibung nichtlinearer Sättigungseffekte im Vordergrund steht. Die Validierung erfolgt durch MATLAB/Simulink-Simulationen und experimentelle Tests an einem elektrischen Prüfstand.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Im Hauptteil werden zunächst die theoretischen Grundlagen des Motors und die MTPC-Betriebsstrategie beschrieben. Anschließend folgen der Entwurf der feldorientierten Stromregelung, die Vorstellung dreier dynamischer Regelungsansätze (Führungsglättung, IMC-Verfahren und deren Kombination) sowie die experimentelle Überprüfung dieser Verfahren.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Wichtige Begriffe sind IPMSM, feldorientierte Regelung, Sättigungseffekte, MTPC-Strategie, Internal Model Control (IMC), Traktionsantrieb und PT1-Sollverhalten.

Warum spielt die Sättigung des Eisens bei IPMSM eine so große Rolle?

Die Sättigungseffekte führen bei IPMSM dazu, dass sich die Induktivitätswerte arbeitspunktabhängig verändern. Ohne deren Modellierung wäre eine präzise Stromregelung über den gesamten Betriebsbereich nicht möglich, was die Dynamik und Robustheit negativ beeinflussen würde.

Welchen Vorteil bietet die Kombination aus IMC-Regler und SO-Hilfsregler?

Die Kombination nutzt das IMC-Verfahren, um das gewünschte Führungsverhalten einzuprägen, während der adaptive SO-Hilfsregler transiente Regelfehler und Störeinflüsse durch Kreuzkopplungen effektiv ausregelt, was mit den Einzelverfahren allein nicht in gleicher Güte erreicht werden konnte.