Modeling and High-Precision Tracking Control of a Segmented Stator Permanent Magnet Linear Synchronous Motor

Abstract

Permanentmagnet-Linearsynchronmotoren (PMLSMs) spielen eine bedeutende Rolle in einer Vielzahl technischer Anwendungen. Von der Erzeugung linearer Bewegung in mechatronischen Systemen über industrielle Fertigungs- und Transportsysteme bis hin zum Personenverkehr, beispielsweise in Magnetschwebebahnen (MAGLEVs). Insbesondere in industriellen Transportsystemen haben PMLSMs aufgrund ihrer hohen Performance und der einzigartigen Fähigkeit, mehrere Produkte unabhängig voneinander am selben Statorsetup zu transportieren, stark an Bedeutung gewonnen. Zudem ermöglichen Motorkonzepte mit segmentierten Statoren und unterschiedlichen Statorgeometrien eine erhebliche Steigerung der Flexibilität von PMLSMs. Diese Arbeit betrachtet einen PMLSM mit segmentiertem Stator, bei dem verschiedene Segmenttypen, die jeweils eine unterschiedliche Krümmung aufweisen, zum Einsatz kommen, wodurch die Realisierung komplexer Motoranordnungen ermöglicht wird. Als Grundlage für Analysen, Simulationen und der Reglerauslegung wird ein hochgenaues und recheneffizientes mathematisches Modell der gekrümmten Segmente entwickelt, welches auf einem bestehenden Modell für gerade Segmente (ohne Krümmung) aufbaut. Das Modell berücksichtigt systematisch nichtlineare Effekte wie Sättigung und Rastkräfte und kann mit Messungen kalibriert werden, um seine Genauigkeit weiter zu verbessern. Die hohe Modellgenauigkeit wird durch Prüfstandsmessungen validiert, welche sowohl die hohe Übereinstimmung der modellierten Kräfte mit den Messwerten als auch die Genauigkeit der magnetischen Größen zeigt. Zur Regelung der Shuttlebewegung wird in dieser Arbeit eine Regelungsstrategie, bestehend aus einer unterlagerten Kraftregelung und einer überlagerten Positionsregelung, vorgestellt. Die Kraftregelung wird als Stromregelung umgesetzt. Dazu werden optimale Ströme, basierend auf dem hochgenauen mathematischen Modell, berechnet. Dies ermöglicht eine indirekte Kraftregelung, da keine direkte Kraftmessung zur Verfügung steht. Durch die Vielzahl an Spulen innerhalb eines Segments ergeben sich zahlreiche Freiheitsgrade im Motoraufbau. Ein optimierungsbasierter Ansatz zur Berechnung der Spulenströme nutzt diese Freiheitsgrade nicht nur zur Erzeugung einer bestimmten Vortriebskraft auf ein Shuttle, sondern auch zur Verfolgung weiterer Ziele, wie der Minimierung ohmscher Verluste oder der Reduzierung der Belastung spezifischer elektrischer Komponenten, beispielsweise eines Spannungsreglers, durch die Minimierung des Summenstroms. In typischen industriellen Transportsystemen führen die beweglichen Einheiten (Shuttles oder Mover) positionsgeregelte Bewegungen aus. Da eine gleichmäßige und präzise Bewegung der Shuttles, insbesondere bei Bearbeitungsvorgängen während des Transports, entscheidend ist, ist eine hochgenaue Positionsmessung erforderlich. Im betrachteten PMLSM kommen anisotrope magnetoresistive (AMR) Sensoren zum Einsatz, um die Position der Shuttles zu erfassen, indem die Richtung des Magnetfelds der auf den Shuttles montierten Permanentmagnete (PMs) beim Vorbeifahren an den Sensoren detektiert wird. Toleranzen in der Montage der Sensoren, in der Sensorelektronik sowie in der Magnetisierung der PMs beeinträchtigen die Genauigkeit der Positionsmessung. Ohne geeignete Kalibrierung führt dies zu signifikanten Messfehlern. Daher wird in dieser Arbeit eine einfach anzuwendende und kostengünstige Kalibrierungsmethode vorgestellt, die auf iterativem Lernen basiert. Die Methode wird auf einem Prüfstand validiert und zeigt ihre Wirksamkeit und Robustheit gegenüber Verschleiß der Shuttles sowie gegenüber Montage- und Fertigungstoleranzen. Basierend auf einem mechanischen Modell des Shuttles wird ein Positionsregler als überlagerte Regelungsschleife entwickelt. In Kombination mit der optimalen Kraftregelung erreicht der Positionsregler eine hohe Positionsgenauigkeit innerhalb der Segmente. Aufgrund der segmentierten Statorstruktur treten jedoch größere Störungen, und damit größere Positionsabweichungen, an den Segmentübergängen auf, wenn das Shuttle den Übergang von einem Segment zum nächsten durchfährt. Für diese Bereiche existiert kein hochgenaues Modell, da die dort auftretenden Störungen stark von Fertigungs-, Montage- und Aufbautoleranzen abhängen, die bei der Endmontage des Motors beim Kunden entstehen. Eine exakte Modellierung dieser Übergänge ist daher mit ausreichender Genauigkeit nicht praktikabel. Fertigungstoleranzen beeinflussen zudem die Positionsgenauigkeit innerhalb der Segmente, wenn auch in geringerem Maße. Zur Kompensation dieser Modellabweichungen wird eine lernbasierte Kraftvorsteuerung präsentiert, um eine hochpräzise Trajektorienfolgeregelung über die gesamte Länge des gekrümmten segmentierten Stators des PMLSM zu ermöglichen. Validierungen der Methode an einem Prüfstand zeigen deren Effektivität. Zudem führt der Einsatz der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Regelungsstrategie im Vergleich zum Stand der Technik zu einer signifikanten Effizienzsteigerung. Darüber hinaus belegen Experimente, dass die Methode robust gegenüber Shuttlevariationen und Verschleiß ist, wodurch eine hohe Regelgüte für alle industriell relevanten Einsatzfälle sichergestellt wird. Typischerweise sind in einem PMLSM Setup mehrere Shuttles gleichzeitig im Betrieb. Um den Durchsatz zu maximieren und somit die Produktivität zu steigern, müssen die Shuttles mit geringen Abständen zueinander betrieben werden. Dies stellt zusätzliche Herausforderungen dar, da die Interaktion zwischen den Shuttles mit abnehmendem Abstand zunimmt. Diese Arbeit erweitert die für den Einzelshuttlebetrieb entwickelte Regelungsstrategie auf Mehrshuttlebetrieb. Die gleiche hohe Positionsgenauigkeit, welche für den Einzelshuttlebetrieb erzielt wird, wird ebenso für den Mehrschuttlebetrieb über die gesamte Motorstrecke erreicht, auch wenn mehrere Shuttles in engem Abstand zueinander fahren. Somit wird ein effizienter und kollisionsfreier Betrieb in Hochdurchsatzanwendungen sichergestellt.

Permanent magnet linear synchronous motors (PMLSMs) play a vital role in a variety of applications, from their use as components in mechatronic systems to generate linear motion to industrial manufacturing and transportation systems, as well as passenger transport, such as magnetically levitated vehicles (MAGLEVs). In particular, PMLSMs have gained significant attention in industrial transportation systems due to their high performance and unique ability to transport multiple products independently using a single motor setup. Moreover, motor designs featuring a segmented stator with different stator geometries significantly enhance the flexibility of PMLSMs. This work considers a segmented stator PMLSM with different segment types, each featuring a different curvature, enabling the realization of complex motor setups. As a basis for analysis, simulation, and controller design, a highly accurate and computationally efficient mathematical model of the curved motor segments is developed, building upon an existing model for straight segments (which do not exhibit a curvature). The model systematically accounts for nonlinear effects such as saturation and cogging forces and can be calibrated with measurements to further improve its accuracy. The high accuracy of the model is validated through test bench measurements, confirming high accuracy in both the force and the magnetic quantities. In order to control the movement of the shuttles, this work presents a control strategy consisting of a subordinate force controller and a superimposed position controller. The force controller is implemented as a current controller, where optimal currents, computed based on the highly accurate mathematical model, are applied, enabling an indirect force control strategy since no direct force measurement is available. The motor setup features many coils within each segment, introducing multiple degrees of freedom. By using an optimization approach to obtain the coil currents, these degrees of freedom can be utilized not only to generate a specific tractive force on a shuttle but also to pursue objectives such as minimizing the ohmic losses or reducing the load on specific electrical components, such as a voltage balancer, by minimizing the sum current.In typical industrial transportation applications, the moving units (shuttles or movers) execute position-controlled movements. Since smooth and accurate shuttle motion is vital, especially for applications that involve on-the-move processing, a highly precise position measurement is required. In the considered PMLSM, anisotropic magnetoresistive (AMR) sensors are employed to measure the shuttles' positions by detecting the magnetic field direction of the permanent magnets (PMs) mounted on the shuttles as they pass by the sensors. Tolerances in the sensor mounting, the sensor electronics, and the magnetization of the PMs affect the position measurement and can result in intolerably high position errors if the sensor system is not calibrated properly. To address this, the present work proposes a user-friendly and cost-effective online calibration method utilizing iterative learning. The method is validated on a test bench, showing its effectiveness and robustness against shuttle wear and mounting, as well as manufacturing tolerances.Based on a mechanical model of the shuttle, a position controller is designed as a superimposed control loop. When combined with the optimal force control strategy, the position controller achieves high position-tracking accuracy within the segments. However, due to the segmented stator design, larger disturbances, and thus larger position errors, occur at segment transitions, where the shuttle moves from one segment to another. No highly accurate model is available for these regions, as the disturbances strongly depend on manufacturing, mounting, and assembly tolerances introduced during the final assembly of the motor setup at the customer's site. Consequently, exact modeling of these transitions is not feasible with sufficient accuracy. Manufacturing tolerances also affect tracking accuracy within the segments, albeit to a lesser extent. To account for these model-plant mismatches, a learning-based feedforward force compensation is proposed to achieve high-precision position tracking over the entire curvilinear track of the segmented stator PMLSM. The method is validated on a test bench, demonstrating its effectiveness. Moreover, a comparison with state-of-the-art control strategies reveals a significant increase in motor efficiency when using the proposed method. Additionally, experiments confirm that the approach is robust to shuttle variations and wear, ensuring high tracking performance across all industrially relevant cases.Typically, multiple shuttles operate on the motor simultaneously. To maximize throughput and thereby increase productivity, shuttles must operate in close proximity, enabling high-density transport of products. However, this introduces additional challenges due to interactions between shuttles as the inter-shuttle distance decreases. This work extends the control strategy developed for the single-shuttle operation to multiple shuttles. The same high-precision position tracking performance achieved for single-shuttle operation is maintained along the entire motor track, even when shuttles operate in close proximity, ensuring efficient and collision-free operation in high-throughput applications.