Aufbau, Modellierung und nichtlineare Regelung eines Prüfstands für Synchron- und Gleichstrommotoren

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und der Aufbau der für die Ansteuerung von Gleich- und Wechselstrommotoren benötigten Leistungselektronik und Sensorik sowie die Implementierung von Momenten-, Drehzahl- und Positionsregelungen. Die Funktionsweise und der schaltungstechnische Aufbau einer Dreiphasenbrücke zur Erzeugung von variablen Gleich- und dreiphasigen Wechselspannungen werden behandelt. Dabei wird auf die Auswahl und Dimensionierung der Bauteile eingegangen und eine Abschätzung der notwendigen Kühlung der Leistungstransistoren anhand eines einfachen Modells der Wärmeleitung der Transistorhalterung durchgeführt. Es wird der Aufbau der Spannungs- und Temperatursensoren als auch der resistiven und magnetoresistiven Stromsensoren behandelt und es wird die Spannungsversorgung der Sensorik entworfen. Die mathematischen Modelle eines dreiphasigen, permanenterregten Synchronmotors und einer Schwungmasse werden hergeleitet, ein einfaches mathematisches Modell eines permanenterregten Gleichstrommotors wird erläutert und die Parameter der Modelle werden durch Versuchsreihen an den realen Systemen identifiziert. Basierend auf den mathematischen Modellen werden ein Drehzahl- und ein flachheitsbasierter Positionsregler mit unterlagertem Momentenregler für den Synchronmotor mit und ohne Schwungmasse als Last, sowie ein Drehzahlregler für den Gleichstrommotor entworfen und implementiert. Die entworfenen Regelungen werden in der Simulation und am realen Aufbau getestet und die entsprechenden Ergebnisse werden präsentiert.<br />

Aim of this work is the development and design of the power electronics and sensors needed for the control of DC and AC motors and the implementation of torque, speed and position control. The functional principle and the circuit design of a three-phase bridge, used to generate variable DC and three-phase AC voltages, are discussed.<br />Thereby, the selection and the dimensioning of the used components are covered and the required cooling of the power transistors is estimated by using a simple model for the heat conduction through the transistor bracket. The structure of the voltage and temperature sensors as well as the structure of the resistive and the magnetoresistive current sensors is discussed and the power supply of the sensors is designed. The mathematical models of a three-phase permanent magnet synchronous motor and a flywheel are derived, a simple mathematical model of a permanent magnet DC motor is explained and the parameters of the models are identified through experiments on the real systems. Based on the mathematical models, a closed-loop control for the rotational speed of the DC motor and a closed-loop control for the rotational speed as well as a flatness-based closed-loop control for the position with underlying torque controller of the AC motor with and without flywheel are developed and implemented. The controllers are tested by simulation as well as on the real system and the corresponding results are presented.