Validierung und Vergleich von effizienten Regelungsstrategien für Asynchronmaschinen

Abstract

In this diploma thesis, different torque and flux control techniques of an induction motor are implemented and compared.First, the induction motor is modeled using the magnetic linear inverse Gamma-model and is described in the stator and rotor flux oriented coordinate systems. The parameters of the machine are calculated based on the Fourier coefficients of the measured quantities.In order to estimate the stator and rotor fluxes, a modern Luenberger observer with disturbance estimator, based on the reduced order models of the induction motor, is used and verified in simulations. To compensate the computing time, the stator current is predicted by an additional Luenberger observer.As chosen control strategies of an induction motor, the industrial standard field-oriented control and the newly developed deadbeat direct torque and flux control are compared. Within the field-oriented control strategy, the stator current dynamics is controlled on the one hand by two PI controllers, on the other hand by different Model Predictive Controllers. The studied model predictive strategies are a Finite Control Set MPC, a suboptimal MPC and a suboptimal onestep MPC.The implemented control methods including the observer are compared in simulations. The main aspects of the comparison are the dynamic performance, the behavior at the upper limit of the control variables as well as the influence of model uncertainties, as parameter disturbances and voltage error caused by the nonlinarities of the inverter.Finally, the control methods are verified by measurements on a motor testbench. For the measurements, an induction motor developed for the automotive industry is used.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden unterschiedliche Konzepte zur Fluss- und Drehmomentenregelung für Asynchronmaschinen implementiert und gegenübergestellt. Zuerst wird die betrachtete Maschine mit einem magnetisch linearen inversen Gamma-Modell modelliert und in den statorfesten und rotorflussfesten Koordinatensystemen beschrieben. Die Maschinenparameter werden anhand von Messungen mithilfe von Fourierkoeffizienten bestimmt.Zur Schätzung des Stator- und Rotorflusses wird ein Luenberger Beobachter mit geschätzter Störung, basierend auf Maschinenmodellen reduzierter Ordnung, verwendet und in Simulationen verifiziert. Um die benötigte Rechenzeit zu kompensieren, wird der Statorstrom mit einem zweiten Luenberger Beobachter in den nächsten Zeitpunkt prädiziert.Als Regelungsstrategien werden die, in industriellen Anwendungen als Standard etablierte, feldorientierte Regelung und die kürzlich publizierte Deadbeat Direct Torque and Flux Control gegenübergestellt. Im Rahmen der feldorientierten Regelungsstrategie wird die Stromdynamik einerseits mit zwei PI-Zustandsreglern und andererseits mit unterschiedlichen modellprädiktiven Regelungsmethoden geregelt. Die betrachteten modellprädiktiven Verfahren sind eine Finite Control Set MPC, eine suboptimale Mehrschritt-MPC und eine suboptimale Einschritt-MPC. Die implementierten Regelungsstrategien inklusive Beobachter werden in Simulationen gegenübergestellt. Die wichtigsten Aspekte sind dabei das dynamisches Verhalten, der Umgang mit der Stellgrößenbeschränkung und die Abhängigkeit von Modellungenauigkeiten, wie z.B. Parameterabweichungen und die Nichtlinearitäten des Inverters.Als Letztes werden die Regelungsmethoden an einem Motorprüfstand mit Messungen verifiziert. Für die Messungen wird eine für die Automobilindustrie entwickelte Asynchronmaschine verwendet.