Lagegeberlose Regelung von permanentmagneterregten Synchronmaschinen mit hoher Sättigung und geringer Achsigkeit

Abstract

Die feldorientierte Regelung ermöglicht es, permanentmagneterregte Synchronmaschinen mit einer hohen Effizienz und Performance zu betreiben. Dazu ist eine kontinuierliche Information über die aktuelle Rotorposition notwendig, welche üblicherweise mit einem Lagegeber erfasst wird. Die Verwendung eines Lagegebers erhöht allerdings die Ausfallwahrscheinlichkeit, die Gesamtkosten und den Bauraum des Antriebssystems. Aufgrund dieser Nachteile werden in modernen Antriebssystemen zunehmend Verfahren eingesetzt, die die Rotorposition auf Basis von Strom- und Spannungsmessungen ermitteln. Nach dem derzeitigen Stand der Technik können allerdings nur Maschinen, die eine stark ausgeprägte Achsigkeit im gesamten Lastbereich aufweisen, mit uneingeschränkter Performance ohne Lagegeber betrieben werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger Konzepte für die lagegeberlose Regelung permanentmagneterregter Synchronmaschinen, die hinsichtlich der Positionserfassung ungünstige magnetische Eigenschaften besitzen. Ziel ist es, unter Berücksichtigung der Realisierbarkeit für den industriellen Einsatz eine hochdynamische Regelung für den gesamten Drehzahlbereich zu entwerfen. Zur Identifikation des Rotorwinkels werden im Tiefdrehzahlbereich anisotropiebasierte Verfahren und im Hochdrehzahlbereich EMK-basierte Verfahren eingesetzt. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der anisotropiebasierten Positionserfassung bei tiefen Drehzahlen und im Stillstand. Basierend auf dem aktuellen Forschungsstand werden bestehende lagegeberlose Verfahren weiterentwickelt und optimiert, sodass insbesondere Maschinen mit hoher Sättigung, hoher Kreuzsättigung und geringer Achsigkeit ohne signifikante Performanceeinbußen betrieben werden können. Die vorgestellten Regelungskonzepte werden bei drei exemplarischen Maschinen erprobt. Bei der ersten Maschine kann zufolge der Sättigung eine starke Reduktion der Achsigkeit mit steigender Last beobachtet werden. Durch eine neuartige Kombination zweier anisotropiebasierter Verfahren wird ein lagegeberloser Betrieb bis weit in den Überlastbereich ermöglicht. Des Weiteren wird die Regelung einer Maschine mit stark ausgeprägter Kreuzsättigung untersucht. Die Kreuzsättigung führt bei hohen Lasten zu Stabilitätsproblemen der anisotropiebasierten Positionserfassung. Diese Instabilität wird analysiert und auf Basis der Erkenntnisse eine Regelungsstrategie entwickelt, die durch Vorgabe einer speziellen Stromraumzeigertrajektorie einen stabilen Betrieb im gesamten Lastbereich gewährleistet. Zuletzt wird ein Konzept zur Identifikation der Rotorposition für eine Maschine mit Luftspaltwicklung vorgestellt, die eine nahezu verschwindende Achsigkeit besitzt. Trotz der geringen Achsigkeit kann durch den Einsatz spezieller Injektions- und Auswertealgorithmen eine zuverlässige Positionsinformation im gesamten Drehzahlbereich extrahiert werden. Die Leistungsfähigkeit der vorgestellten Regelungsstrategien wird anhand experimenteller Versuche nachgewiesen. Die Ergebnisse bestätigen die Qualität und Zuverlässigkeit der Verfahren.

Field-oriented control enables the operation of permanent magnet synchronous machines with a high level of efficiency and performance. The control structure requires continuous information of the angular rotor position, which is usually provided by a position sensor. However, position sensors increase the costs and size of the drive system and the probability of failure. Due to this set of drawbacks, position sensors are increasingly replaced by methods which extract the rotor position from measurements of phase currents and voltages. By using state-of-the-art methods, only machines with a certain level of saliency can be operated in a position sensorless mode without performance restrictions.The aim of this thesis is the development of novel concepts for the position sensorless control of permanent magnet synchronous machines, which have poor magnetic characteristics regarding saliency-based position estimation. The primary objective is to enable highly dynamic control for the whole speed range. Additionally, it should be possible to implement the developed control structures on cost-effective industrial drive systems. In order to estimate the rotor position,saliency-based methods are used in the low speed range, whereas for high speeds back EMF-based methods are deployed. This thesis is mainly focused on the saliency-based position estimation at low speeds and standstill. Based on the current state of research, existing position sensorless methods are improved and optimized to enable high performance control of heavily saturated and cross-saturated machines, as well as low salient machines. The proposed control structures are examined using three machines. Due to saturation, the saliency ratio of the first motor significantly decreases with increasing load. A novel control concept which combines two saliency-based methods is introduced. In spite of the disruptive impact of saturation, this approach enables position sensorless operation up into heavy overload range. Furthermore, the position sensorless control of a heavily cross-saturated machine is investigated. The cross-saturation leads to stability issues of the position estimation algorithm, especially at high loads. The stability behavior is analyzed and a control strategy is developed, which operates the motor along an appropriate current space vector trajectory to ensure stableoperation up to rated torque. Finally, a position sensorless control structure for a low salient machine with air-gap windings is developed. By using novel position estimation algorithms and injection patterns, a reliable position information can be obtained in the whole speed range. The capabilities of the developed position sensorless control structures are verified by experiments. The experimental results demonstrate the quality and reliability of the proposed methods.