Modellierung und optimale Regelung eines Permanentmagnet-Linear-Synchronmotors im Fehlerfall

Abstract

This thesis deals with the modeling and optimal control of a permanent magnet linear synchronous motor. A model of the motor using magnetic equivalent circuits is presented. Based on this model, an optimal control strategy is developed to control the motor force, which can be achieved by calculating and controlling the corresponding optimal coil currents. A special focus of this work lies on the treatment of failures, such as the open and short circuit of a whole coil. For calculating the optimal currents, nonlinear constrained optimization problems for the faultless case as well as for the fault cases of an open circuit and a short circuit of a coil are presented. A comparison between different optimization algorithms is conducted to find the most suitable algorithm for solving the derived nonlinear constrained optimization problems. Furthermore, a simplified model is introduced which allows a computationally efficient calculation of the optimal solution. The obtained solutions of the optimization problems are presented and discussed in a subsequent chapter. These solutions are stored in lookup tables to be validated on a test bench. Moreover, simulations are performed to evaluate if the optimization problem can be solved online. These simulations incorporate the full as well as the simplified model.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung und optimalen Regelung eines Permanentmagnet-Linear-Synchronmotors. Es wird ein Reluktanzmodell des Motors vorgestellt, welches als Grundlage für die optimale Regelung dient. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der optimalen Kraftregelung, welche sich auf die Berechnung der entsprechenden optimalen Ströme zurückführen lässt. Neben dem fehlerlosen Betrieb liegen besonders die Fehlerfälle des Leerlaufs und des Kurzschlusses einer gesamten Spule im Fokus dieser Arbeit. Zur Berechnung der optimalen Ströme werden Optimierungsprobleme für die entsprechenden Betriebsfälle formuliert. Es folgt ein Vergleich unterschiedlicher Optimierungsalgorithmen, um zu eruieren, welcher am besten zur Lösung der präsentierten Optimierungsprobleme geeignet ist. Zusätzlich wird ein vereinfachtes Modell des Permanentmagnet-Linear-Synchronmotors vorgestellt, welches eine sehr recheneffiziente Lösung erlaubt. Anschließend werden die Lösungen der Optimierungsprobleme präsentiert und diskutiert sowie Besonderheiten in den jeweiligen Betriebsfällen herausgearbeitet. Die entsprechenden Lösungen der Optimierungsprobleme werden als Kennfelder gespeichert. Diese Kennfelder werden anschließend an einem Prüfstand validiert und die Messergebnisse diskutiert. Abschließend wird die Echtzeitfähigkeit der Lösung der vorgestellten Optimierungsprobleme in Simulationen evaluiert. Diese Evaluierungen umfassen sowohl das vollständige als auch das vereinfachte Modell des Motors.