Modellierung, optimale Ansteuerung und sensorlose Positionsbestimmung von PMSM mit unabhängiger Spulenansteuerung

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine permanenterregte Synchronmaschine mit eingebetteten Permanentmagneten sowie unabhängigen Zahnspulenwicklungen (PMSM) modelliert und optimale Ansteuerungen sowie eine sensorlose Positionsbestimmung entwickelt und analysiert. Bei dem ermittelten mathematischen Modell, welches aus den Konstruktionsplänen und aus Messungen erstellt wird, wird der Fokus auf eine genaue Modellierung der magnetischen Sättigungseffekte sowie der Beschreibung der Luftspalte mithilfe der Methode der magnetischen Ersatzschaltbilder (magnetic-equivalent-circuits, MEC) gerichtet. Darauf aufbauend werden bei dem Konzept der optimalen Ansteuerung für ein gefordertes Drehmoment die benötigten Spulenströme berechnet. Dieses Konzept berücksichtigt selektierbare Zahnspulenwicklungen, um auch bei Fehlerfällen in den Umrichtern oder im Motor einen Betrieb gewährleisten zu können. Mit der Unabhängigkeit der Zahnspulenwicklungen ist es nun möglich, einzelne Spulen nicht für die Bildung des Drehmomentes sondern als Sensorspule zu verwenden. Die Separierung der Spulenfunktionalitäten eröffnet nun ein weites Gebiet für den Einsatz von Beobachterkonzepten bzw. Schätzverfahren zur Bestimmung der Rotorlage der PMSM, welche den Grundstein für eine sensorlose Regelung legen. Mit der gezielten Überlagerung von kleinen Signalen an den Spulenströmen wird ein Schätzverfahren zur Bestimmung der Rotorlage für den Stillstand bis hin zu kleinen Drehzahlen entworfen. Bei mittleren und hohen Drehzahlen wird im Wesentlichen die induzierte Spannung in den Sensorspulen aufgrund der Drehbewegung des Rotors zur Positionsschätzung herangezogen. Als Messgrößen dienen die Ströme in den drehmomentbildenden Zahnspulen sowie die induzierten Spannungen in den Sensorspulen. Der Vergleich zwischen den gemessenen und geschätzten Spannungen in den Sensorspulen bildet den Ausgangspunkt zur Identifikation der Rotorlage. Die Rotorlagenbestimmung ist vom Stillstand bis hin zur Nenndrehzahl der PMSM möglich, wobei die elektrischen Widerstände in den Zahnspulen keinen Einfluss auf die Schätzung haben. Am Ende der Arbeit werden die Konzepte anhand von Simulationsergebnissen gegenübergestellt und analysiert.

Within this thesis, a permanent excited synchronous machine with interior permanent magnets and independent tooth coil windings (PMSM) is modeled. Further, an optimal control strategy and a sensorless position estimation are developed and analyzed. The focus of the mathematical model, which is derived from the construction and measurements, is directed to an accurate modeling of the magnetic saturation effects as well as the description of the air gaps by means of the method of magnetic-equivalent-circuits (MEC). Based on this, an optimal control concept is derived to calculate the required coil currents for a desired torque. This concept takes into account a selection of the healthy tooth coil windings such that even in the event of faults at the converters or at the motor an operation is possible. Due to the electrical independent tooth coil windings it is also possible to use individual coils as sensor coils. The separation of the coils into sensor and actuator coils opens a wide area for the use of observer concepts or estimation methods for determining the rotor position of the PMSM in order to lay the foundation for position sensorless control. A superposition of small signals to the tooth coil currents builds the principle for an estimation of the rotor position from standstill to low rotational speed. To determine the rotor position at higher rotational speed, the induced voltage at the sensor coils due to the rotor movement is used. The coil currents in the actuator coils as well as the induced voltages in the sensor coils are measured. The comparison between the measured and estimated sensor coil voltages is the basis for the rotor position identification. The rotor position determination is possible from standstill to the nominal rotational speed of the PMSM with the advantageous property that the electrical resistances in the tooth coils have no influence on the estimation. At the end of the study, the simulation results are compared and analyzed.