Entwicklung und Vergleich einer nichtlinearen Drehmomentregelung für Asynchronmaschinen in Automotive-Anwendungen

Abstract

Das Ziel der Arbeit ist es, eine nichtlineare Drehmomentregelung für die magnetisch gesättigte Asynchronmaschine zu entwickeln, die sämtliche Nichtlinearitäten und Verkopplungen der Zustände im Reglerentwurf systematisch berücksichtigt. Dabei wird mithilfe von differentialgeometrischen Methoden ein Trajektorienfolgeregler entworfen, der einer hinreichend oft stetig differenzierbaren Solltrajektorie für das elektromagnetische Drehmoment und dem Rotorfluss folgt. Zur Schätzung der nicht messbaren Zustände wird ein Extended Kalman Filter entworfen. Um die nichtlineare Regelung mit dem Stand der Technik zu vergleichen, wird zusätzlich eine feldorientierte Regelung implementiert. Aus dem Fahrprofil eines elektrischen Fahrzeuges sind nur das gewünschte Drehmoment und die Drehzahl bekannt. Die Aufgabe der Trajektorienplanung ist es, aus diesen beiden Informationen eine optimale Trajektorie für den Rotorfluss und das Drehmoment zu planen, ohne dabei Strom- oder Spannungsgrenzen zu verletzen. Dabei wird ein Ansatz untersucht bei dem die beiden Trajektorien durch stückweise definierte Polynomfunktionen dargestellt werden. Die Parametrierung erfolgt durch eine beliebige Anzahl an Stützstellen, zwischen denen die Polynome definiert werden. Zur einfachen Auswertung der Strom- und Spannungsgrenzen wird die Eigenschaft der differenziellen Flachheit genutzt. Es wird in der Arbeit gezeigt, dass auch die magnetisch nichtlineare ASM differenziell flach ist. Die beiden Regelungskonzepte werden einander in praxisorientierten Testszenarien gegenübergestellt. Die Simulationen zeigen, dass sich die beiden Regelungen für den ungestörten Fall kaum unterscheiden. Bei Berücksichtigung von Messrauschen in den gemessenen Statorströmen kommt es bei der feldorientierten Regelung zu einem erhöhten Rauschen in der Stellgröße und dem Drehmoment. Grund dafür ist die direkte Stromregelung, welche die mit Messrauschen behafteten Statorströme auf die entsprechenden Sollwerte regelt. Bei der Trajektorienplanung hat sich gezeigt, dass ab einer gewissen Anzahl an Stützstellen es zu keiner weiteren Verbesserung der Drehmomentanstiegszeit mehr kommt. Ein guter Kompromiss zwischen schnellem Drehmomentanstieg und Rechenzeit wurde mit 3 Stützstellen für den Rotorfluss und 4 für das Drehmoment erreicht. Dennoch kann die Trajektorienplanung aufgrund zu hoher Rechenzeit nicht echtzeitfähig implementiert werden, weshalb es hier noch an weiterer Forschungsarbeit bedarf.

The aim of this work is to develop a nonlinear torque control for the magnetically saturated induction motor that systematically considers all nonlinearities and state couplings in the controller design. Using differential geometric methods, a trajectory tracking controller is designed that follows a sufficiently smooth reference trajectory for the electromagnetic torque and the rotor flux. An extended Kalman filter is designed to estimate the unmeasurable states. To compare the nonlinear controller with the State of the Art, a field-oriented control is also implemented. From the driving profile of an electric vehicle, only the desired torque and speed are known. The task of trajectory planning is to plan from these two pieces of information an optimal trajectory for the rotor flux and torque, without violating current or voltage limits. An approach is investigated in which the two trajectories are represented by piecewise defined polynomial functions. The parameterization is carried out by an arbitrary number of support points, between which the polynomials are then defined. The property of differential flatness is used for the simple evaluation of current and voltage limits. It is shown in the work that the magnetically nonlinear induction motor is also differentially flat. The two control concepts are compared in practice-oriented test scenarios. The simulations show that the two controls hardly differ from each other for the undisturbed case. When considering measurement noise in the measured stator currents, the field-oriented control leads to increased noise in the control input and the torque. This is due to the direct current control, which regulates the measured stator currents with noise to the corresponding reference values. Trajectory planning has shown that beyond a certain number of support points, there is no further improvement in the torque rise time. A good trade-off between fast torque rise and computation time was achieved with 3 support points for the rotor flux and 4 for the torque. Nevertheless, due to the high computation time, the trajectory planning cannot be implemented in real time, so further research is needed here.