Model-based control of permanent magnet synchronous motors with inter-turn winding short circuit

Abstract

Ausfallsicherheit und Fehlertoleranz sind unverzichtbare Systemeigenschaften in sicherheitskritischen Anwendungen mit Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSMn). Ein Kurzschluss zwischen den Windungen einer Statorspule ist einer der häufigsten und schwerwiegendsten Fehlerfälle in PMSMn. Je nach Schweregrad verschlechtert dieser die Drehmomentenregelgüte, führt zu magnetischer Sättigung und einem nicht Grundwellenverhalten des Motors. Dementsprechend ist die fehlertolerante Regelung von PMSMn im Fall eines Teil-Wicklungskurzschlusses eine entscheidende Aufgabe. Diese Arbeit zielt auf einen optimalen fehlertoleranten Betrieb von PMSMn im Fall eines Teil-Wicklungskurzschlusses ab. Für diese Aufgabe wird eine auf Reluktanznetzwerken basierende Modellbildungsmethodik abgeleitet. Reluktanznetzwerke ermöglichen die systematische Berücksichtigung von magnetischer Sättigung und nicht Grundwellenverhalten von Elektromotoren. Die Methodik verwendet Graphentheorie und ermöglicht die mathematische Modellierung einer breiten Klasse von elektromagnetischen Aktoren. Insbesondere können PMSMn mit Teil-Wicklungskurzschluss systematisch beschrieben werden. Die hohe Modellgüte wird durch einen Vergleich des echtzeitfähigen Modells mit Messungen, sowohl für den fehlerfreien Fall als auch für den Fehlerfall für einen dreiphasigen, bzw. einen zweimal dreiphasigen PMSM nachgewiesen. Die umfassende Systembeschreibung der PMSMn bildet im Weiteren die Grundlage für den Entwurf eines modellbasierten Fehleridentifikationsalgorithmus und einer modellbasierten fehlertoleranten Momentenregelung. Die charakteristischen Parameter des Wicklungskurzschlusses werden anhand der Fehleridentifikation bestimmt und anschließend in der fehlertoleranten Regelung verwendet. Die entwickelte nichtlineare Regelungsstrategie hat eine kaskadierte Struktur; sie umfasst eine einschritt-modellprädiktive Regelung (MPC) mit unterlagerten PI-Stromregler. Die Zuverlässigkeit des modellbasierten Fehleridentifikationsalgorithmus und die hohe Momentenregelgüte der vorgeschlagenen fehlertoleranten Regelung werden anhand einer Reihe verschiedener Experimente auf einem Prüfstand mit dem dreiphasigen PMSM nachgewiesen. Darüber hinaus werden die Vorteile des zweimal dreiphasigen PMSMs hinsichtlich der Fehlertoleranz in Simulationsstudien demonstriert.

System reliability and fault tolerance are essential features in safety-critical applications with permanent magnet synchronous motors (PMSMs). An inter-turn winding short circuit is one of the most common and serious fault cases in PMSMs. Depending on the severity, such faults lead to a deterioration of the torque control performance, magnetic saturation, and a non-fundamental wave behavior of the motor. Hence, the fault-tolerant control of PMSMs with an inter-turn winding short circuit is a crucial task. This work aims for an optimal fault-tolerant operation of PMSMs in case of an inter-turn winding short circuit. For this task, a magnetic equivalent circuit based (MEC) modeling framework is derived. MECs allow for the systematic consideration of magnetic saturation and non-fundamental wave behavior of electric motors. The framework utilizes graph theory and can be applied to a wide range of electromagnetic actuators. In particular, PMSMs with an inter-turn winding short circuit can be described in a straightforward way. The high model accuracy of the resulting real-time capable model is demonstrated by a comparison with measurements both in the fault-free case and in case of an inter-turn winding short circuit for a three-phase and a dual three-phase PMSM, respectively. The MEC model of the PMSMs builds the foundation for the design of a model-based fault-identification scheme and a model-based fault-tolerant torque control strategy. The characteristic parameters of the winding fault are estimated by the fault-identification method and subsequently used in the fault-tolerant control algorithm. The developed nonlinear control strategy has a cascaded structure comprising a one-step model-predictive control (MPC) and subordinate PI current controllers. The feasibility of the model-based fault-identification scheme and the high torque control performance of the proposed fault-tolerant control strategy is proven by a number of different experiments performed on a test stand with the three-phase PMSM. Moreover, the advantages of the dual three-phase PMSM regarding fault tolerance are demonstrated in numerical simulations.