Estimation of permanent-magnet synchronous machine parameters based on fast current and voltage measurements

Abstract

Diese Diplomarbeit behandelt die potentielle Verbesserung der Motorregelung von permanenterregten Synchronmaschinen im Hinblick auf die Drehmomentgenauigkeit durch die Schätzung wesentlicher Systemparameter aus Strom- und Spannungsmessungen. Das betrachtete System besteht aus einer permanenterregten Synchronmaschine mit eingebetteten Magneten, einem 3-phasigen Spannungszwischenkreis-Umrichter und einem klassischen feldorientierten Regelungskonzept. Für dieses System sollen wesentliche Parameter wie die verketteten Flüsse in d- und q-Richtung und die Wicklungswiderstände im laufenden Betrieb aus Messungen der Ströme und Spannungen des Motors ermittelt werden. Insbesonders soll untersucht werden, inwiefern die Schätzung der Parameter verbessert werden kann, wenn die Messungen mit einem vielfachen der PWM-Frequenz des Umrichters durchgeführt werden. Dazu wird ein Modell der Synchronmaschine mathematisch hergeleitet und in Simulink implementiert. Für den Umrichter wird ein in Matlab/Simulink vorhandenes Modell an die Anforderungen angepasst. Um Simulationen im geschlossenen Kreis durchführen zu können, wird eine flachheitsbasierte Momentenregelungsstrategie sowohl für den Normalbetrieb als auch für den Feldschwächbetrieb entwickelt und in Simulink implementiert. Zur Schätzung der Motorparameter werden in dieser Arbeit mehrere auf der Methode der kleinsten Fehlerquadrate basierende Schätzverfahren vorgestellt. Die Schätzgüten und die praktische Anwendbarkeit der Methoden wird schließlich anhand von Simulation evaluiert und miteinander verglichen.

This thesis deals with the potential improvement of the motor control of a permanentmagnet synchronous machine (PMSM) in terms of torque precision by the estimation of the essential system parameters based on phase current and voltage measurements. The considered system consists of a permanent-magnet synchronous machine with embedded magnets, a 3-phase voltage-source inverter and a classic field-oriented control approach. For this system, essential parameters, like flux linkages in d- and q-direction and the winding resistances, shall be determined on-line by the measured currents and voltages of the motor. It will be particularly examined how the estimation of the parameters can be improved if the measurements are carried out with a multiple of the PWM frequency of the inverter. The synchronous motor model is mathematically derived and implemented in Simulink. For the inverter, an existing Matlab/Simulink model is chosen and adapted to the requirements. A flatness-based torque control strategy is designed and implemented in Simulink for normal operation as well as for field weakening to perform simulations in closed loop. For estimating the motor parameters, several parameter estimation methods based on the least squares estimation principle will be introduced in this work. The accuracy and the practical applicability of the methods will be evaluated and compared by simulations.