Magnetic equivalent circuit modeling and optimal control of a permanent magnet linear synchronous motor

Abstract

Eine besondere Herausforderung für moderne Produktionsanlagen liegt in dem Transport von Produktionsgütern zwischen einzelnen Produktionsstationen oder innerhalb eines Produktionsschrittes. Die steigende Nachfrage nach individuellen Vorgaben seitens der Kunden setzt dabei den Fokus auf die Entwicklung von flexiblen Produktionslinien. Die Verwendung von Permanentmagnet-Linearsynchronmotoren (PMLSM) hat sich hierbei als eine vielversprechende Lösung etabliert. Die Besonderheit dabei ist die Konstruktion des Motors mit einer passiven beweglichen Transporteinheit (Shuttle) für den Materialtransport. In dieser Arbeit wird ein PMLSM untersucht, mit dem Zweck die Qualität des Transportprozesses zu verbessern. Der dabei betrachtete Motor ist mit mehreren Shuttles ausgestattet und besteht aus einer Zusammensetzung von Statorsegmenten. Ein zentrales Ziel dieser Arbeit ist es ein detailliertes Verständnis über das Verhalten der elektrischen Maschine zu erlangen. Dafür wird ein ausführliches mathematisches Modell entwickelt, welches die zugrundeliegenden elektrischen und magnetischen Vorgänge innerhalb des Motors beschreibt. Dieses Modell liefert eine genaue Abbildung der Prozesse für eine Vielzahl an Motorkonfigurationen und Operationsszenarien. Im Weiteren wird dieses Modell mit Messdaten abgeglichen, welche an einem Prüfstand ermittelt wurden. Auf Basis des abgeglichenen Modells wird im Anschluss eine indirekte Kraftregelung entworfen. Dabei werden Kraftvorgaben auf Vorgaben für die zugehörigen Spulenströme abgebildet, welche in weiterer Folge von einem Stromregler gestellt werden. Eine systematische Herangehensweise zur Berechnung der Stromvorgaben bietet hierbei das Lösen eines Optimierungsproblems. Das Optimierungsproblem ist so definiert, dass die Ohmschen Verluste in den Statorspulen minimiert werden während die Ströme eine Kraftvorgabe bestmöglich für jeden Positionswert umsetzen. Die Optimierungsaufgabe wird offline gelöst und die errechneten optimalen Spulenströme und Verkettungsflüsse werden in Kennfeldern gespeichert. Der Stromregler ist in Form eines Zwei-Freiheitsgrad Reglers ausgeführt, bestehend aus einer flachheitsbasierten Vorsteuerung und eines PI-ähnlichen Fehlerreglers für die Ströme. Die Verwendung eines PMLSM für Transportaufgaben erfolgt zumeist unter der Vorgabe eines Positions- und Geschwindigkeitsprofils welchem das Shuttle folgen soll. Aus diesem Grund wurde der Stromregler um einen flachheitsbasierten Trajektorienfolgeregler für Positionstrajektorien erweitert, welche im Gesamten auf eine kaskadierte Reglerstruktur führen. Um zu einer fundierten Bewertung der entwickelten Konzepte zu gelangen, ist es notwendig, die erarbeitete Lösung mit dem Stand der Technik zu vergleichen. Hierzu wird zusätzlich eine feldorientierte Regelungsstrategie entworfen, welche auf der Annahme basiert, dass alle relevanten Motorgrößen entlang der Shuttleposition einen sinusförmigen Verlauf aufweisen. Beide Konzepte werden auf einem Prüfstand implementiert und für eine Vielzahl an Szenarien und Motorkonfigurationen getestet. Neben der Positionier- und Kraftgenauigkeit als wesentliche Bewertungskriterien, wird auch ein besonderer Fokus auf die Effizienz der optimalen Regelungsstrategie gelegt. Dabei konnte eine erhebliche Reduktion der Ohmschen Verluste im Vergleich zu der feldorientierten Regelungsstrategie erzielt werden. Zusätzlich konnte eine Verbesserung der Positioniergenauigkeit in allen Betriebsszenarien nachgewiesen werden.

In modern manufacturing plants, the task of transporting material within and between processing stations constitutes a central challenge within the overall production process. An increasing desire to meet individual customer demands sets the focus on the development of flexible production lines. In this environment, the usage of linear motors has become more prominent in recent time, especially in the form of permanent magnet linear synchronous motors (PMLSMs), where the moving part (shuttle) of the motor is built as a passive unit comprising the permanent magnets.In this work, such a PMLSM is investigated with the aim to improve the quality of the transportation task. The motor at hand can be equipped with multiple shuttles and consists of a composition of stator segments. A major goal of this thesis is to arrive at a detailed understanding of the electric machine. This is achieved by deriving a thorough mathematical model, which is capable of reproducing the magnetic and electric behavior for various operation scenarios and motor configurations. The derived mathematical model is further calibrated to measurement data acquired from a test stand. On the basis of the calibrated model, an indirect force control strategy is developed, where a current controller tracks current references, which are calculated according to desired forces. A systematic approach for the calculation of the current references is proposed as an optimization problem, where the ohmic losses in the stator coils should be minimized while the deviation between the modeled force and the desired force becomes small for each motor position. The optimization problem is solved offline and the resulting optimal current references and optimal flux linkages are stored in a look-up table. The current controller, which represents the indirect force controller, is implemented in the form of a two degrees-of-freedom control structure using a flatness-based feedforward controller and a PI-like current error feedback controller. Since the central purpose of the motor is to move the shuttle along predefined trajectories, the indirect force controller is extended by a flatness-based position controller to form a cascaded motion control structure.In order to give a profound validation of the derived concepts, a comparison with state-of-the-art methods and solutions is mandatory. The controller is therefore compared with the industrial standard in the form of a field-oriented control strategy, which is based on the assumption that the motor quantities exhibit a sinusoidal shape along the movement of the shuttle. Both concepts are evaluated on a test bench for a variety of scenarios and motor configurations. While the tracking accuracy of the position and forces serves as the main attribute to evaluate the proposed concepts, a special attention is paid to the efficiency of the optimal control strategy. A substantial reduction of the ohmic losses was achieved in comparison to the industrial standard control concept while the tracking performance showed an improvement for various operation scenarios.