Verbrennungsmotoren dominieren seit über einem Jahrhundert in ihrer Funktion als Traktionsantriebe in Automobilien und werden erst seit einigen Jahren aufgrund ihrer schlechten ökologischen
und ökonomischen Perspektiven stärker hinterfragt. Der Trend zu möglichst sparsamen und umweltfreundlichen Fahrzeugen setzt sich in Politik, Gesellschaft und Automobilindustrie
immer stärker durch. Nicht zuletzt aufgrund des Klimawandels und der absehbaren Verknappung und Verteuerung von Rohöl, erfreuen sich Elektromotoren als alternative Antriebstechnologie wachsender Beliebtheit. Zum einen stellt der Hybrid-Motor ein Antriebskonzept dar, mit dem eine höhere Effizienz gegenüber einem reinen Verbrennungsmotor erreicht werden kann. Zum anderen wecken rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge zunehmend das Interesse der Öffentlichkeit und stellen z.B. als Mega City Vehicle ein klimafreundliches Fahrzeugkonzept in
Großstädten dar.
Der Permanentmagnet-Synchronmotor mit eingebetteten Magneten (IPMSM) zeichnet sich durch
eine vergleichsweise hohe Leistungs- und Drehmomentdichte aus und wird daher zunehmend
als Traktionsantrieb in Hybrid- und Elektrofahrzeugen eingesetzt. Ein wesentlicher Grund für
die gesteigerte Leistungs- und Drehmomentdichte von IPMSM sind verbesserte Magnetmaterialien
aus Metallen der Seltenen Erden mit denen sich sehr hohe Energiedichten realisieren lassen.
Um diesen Motor als Traktionsantrieb einzusetzen, bedarf es einer Regelung, welche dem
Motor ein gefordertes Verhalten aufprägt. Dabei kommt meist eine feldorientierte Stromregelung
zum Einsatz, der weitere Regelkreise wie z.B. eine Drehzahlregelung, eine Schlupfregelung
oder eine aktive Schwingungsdämpfung überlagert werden. Der Fokus dieser Arbeit liegt
dabei auf der feldorientierten Stromregelung. Insbesondere aufgrund von Sättigungseffekten sowie
Stellgrößenbegrenzungen weist die Stromregelung jedoch eine stark arbeitspunktabhängige
Dynamik auf. Dies erschwert die Auslegung überlagerter Regelungsfunktionen, da für diese das
Verhalten der unterlagerten Stromregelung bekannt sein muss. Im Gegensatz dazu soll im Zuge
dieser Arbeit eine Stromregelung entworfen werden, welche dem betrachteten System ein
weitgehend lineares und somit arbeitspunktunabhängiges Verhalten aufprägt. Dieses definierte
Verhalten kann dann hinsichtlich überlagerter Regelkreise vorausgesetzt werden. Hierdurch istein erleichterter Entwurf und eine bessere Regelgüte für die überlagerten Regelfunktionen zu
erwarten.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Permanentmagnet-Sychronmotor (PMSM)
2.1 Aufbau und Bauformen
2.2 Modellierung
2.2.1 Koordinatensysteme und Raumzeiger
2.2.2 Allgemeine Spannungsgleichungen
2.2.3 Vernachlässigung von Eisen-Sättigungseffekten
2.2.4 Modellierung von Eisen-Sättigungseffekten
2.2.5 Drehmomentbildung
2.2.6 Wirkungsplan
2.3 Betriebsgrenzen eines IPMSM
2.3.1 Stromgrenze
2.3.2 Spannungsgrenze
2.3.3 Typische Motorkennlinien eines IPMSM
3 Betriebsstrategien eines IPMSM
3.1 Ein Überblick
3.2 Herleitung der MTPC-Strategie
3.3 Betriebsstrategie für den Flussschwächbereich
3.3.1 Unterer Flussschwächbereich
3.3.2 Oberer Flussschwächbereich
3.4 Vorstellung einer Gesamtbetriebsstrategie
4 Feldorientierte Stromregelung
4.1 Anforderungen an die Regelungsstruktur
4.2 Konzept der feldorientierten Stromregelung
4.2.1 Gesamtstruktur der feldorientierten Regelung
4.2.2 Erste Reglersynthese nach dem Symmetrischen Optimum (SO)
4.2.3 Anti-Reset-Windup (ARW)
4.2.4 Erste Simulationsergebnisse
4.3 Adaptive Stromregelung
4.3.1 Umsetzung am Beispiel eines PI-Reglers nach dem SO
5 Stromregelung mit definiertem dynamischem Verhalten
5.1 Erster Ansatz: Führungsglättung
5.2 Zweiter Ansatz: Internal Model Control
5.2.1 Theoretische Grundlagen
5.2.2 Implementierung des IMC-Reglers im IPMSM Stromregelkreis
5.2.3 Reduzierung der Auswirkung von Entkopplungsfehlern
5.3 Kombination der Ansätze
6 Implementierung und Validierung am Prüfstand
6.1 Versuchsaufbau
6.2 Überprüfung des Ansatzes mit Führungsglättung
6.3 Überprüfung des Ansatzes nach dem IMC-Verfahren
6.4 Überprüfung des kombinierten Ansatzes
7 Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist der Entwurf einer Stromregelung für einen Permanentmagnet-Synchronmotor mit eingebetteten Magneten (IPMSM), die dem System ein definiertes, arbeitspunktunabhängiges dynamisches Verhalten (PT1-Verhalten) aufprägt, um die Auslegung überlagerter Regelkreise zu erleichtern.
- Modellierung des IPMSM unter Berücksichtigung von Eisen-Sättigungseffekten.
- Entwicklung einer effizienten Arbeitspunktsteuerung (MTPC-Strategie).
- Design und Vergleich verschiedener Regleransätze (Führungsglättung, Internal Model Control, Kombination aus beiden).
- Validierung der Regelungsstrategien mittels Simulationen in MATLAB/Simulink.
- Experimentelle Verifizierung der Ergebnisse am Prüfstand unter realen Bedingungen.
Auszug aus dem Buch
2.2.4 Modellierung von Eisen-Sättigungseffekten
Die Berücksichtigung von Sättigungseffekten bzw. Kreuzsättigungseffekten spielt insbesondere bei hochausgenutzen IPMSM im Einsatzgebiet der elektrischen Traktionsantriebe eine wesentliche Rolle. Diese liegen vor, sofern arbeitspunktabhängige Fluss- und damit einhergehende Flussdichteänderungen zu einer Veränderung der relativen Permeabilität bzw. Reluktanz des Eisens im Flusspfad führen. Das Auftreten und die Modellierung derartiger Sättigungseffekte ist Untersuchungsgegenstand zahlreicher Veröffentlichungen der letzten Dekade. So werden z.B. in [3] [4] [14] [21] verschiedene Methoden vorgestellt dieses Phänomen zu behandeln. Die Untersuchungen zeigen dabei deutliche nichtlineare Sättigungseffekte, die sowohl durch Finite-Elemente-Methode (FEM)-Analysen oder durch Vermessung des Motors am Prüfstand nachgewiesen wurden.
Die in Kapitel 2.2.3 vorgestellte Beschreibung der magnetischen Flüsse mittels konstanter Induktivitäten in d- und q-Richtung ist für eine genaue Modellierung nicht ausreichend. In dieser Arbeit sollen daher die Eisen-Sättigungseffekte über Kennlinienfelder in den magnetischen Flüssen und Strömen modelliert werden. Dieser Ansatz basiert auf den Arbeiten [14] und [21]. Dabei wird der Gesamtfluss nicht in Permanent- und Ankerrückwirkungsanteil aufgespalten (wie in Gleichung 2.13), sondern als Funktion beider Stromkomponenten ausgedrückt:
ψd = fd(id,iq) ψq = fq(id,iq)
id = f_d^-1(ψd,ψq) iq = f_q^-1(ψd,ψq)
Die Funktionen fd und fq sind dabei bijektiv und besitzen somit eine Umkehrfunktion. Mit den Funktionen f_d^-1 und f_q^-1 kann daher auch von den aktuellen Flusswerten auf die Stromwerte geschlossen werden. Die Funktionen können im Vorfeld durch eine Vermessung der Maschine oder durch FEM-Analysen gewonnen werden. In einer simulativen Untersuchung mit dem Programm MATLAB/Simulink können diese dann über Look-Up Tables (LUTs) im Programmspeicher hinterlegt und während der Laufzeit abgerufen werden. In einer realen Untersuchung können die Daten entsprechend im Speicher eines digitalen Signalprozessors (DSP) oder dessen Speicher-Peripherie hinterlegt werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Motivation für den Einsatz von IPMSM in Traktionsantrieben und Vorstellung des Ziels, ein definiertes, arbeitspunktunabhängiges dynamisches Verhalten zu realisieren.
2 Permanentmagnet-Sychronmotor (PMSM): Theoretische Grundlagen, mathematische Modellierung unter Einbeziehung von Sättigungseffekten und Definition der Betriebsgrenzen.
3 Betriebsstrategien eines IPMSM: Diskussion von Betriebsstrategien wie der MTPC-Strategie zur wirkungsgradoptimierten Ansteuerung und deren Implementierung mittels Kennlinienfeldern.
4 Feldorientierte Stromregelung: Vorstellung des Regelungskonzepts, inklusive Entkopplungsmaßnahmen, Reglersynthese nach dem Symmetrischen Optimum und einer adaptiven Regelungsstruktur.
5 Stromregelung mit definiertem dynamischem Verhalten: Präsentation dreier Ansätze (Führungsglättung, IMC, kombinierter Ansatz) zur Erzielung eines definierten dynamischen Verhaltens.
6 Implementierung und Validierung am Prüfstand: Beschreibung des Versuchsaufbaus und experimentelle Untersuchung der entwickelten Regelungsverfahren.
7 Fazit und Ausblick: Zusammenfassende Bewertung der untersuchten Verfahren und Identifikation von Potenzialen für zukünftige Arbeiten.
Schlüsselwörter
IPMSM, feldorientierte Regelung, Stromregelung, Eisen-Sättigungseffekte, MTPC-Strategie, Internal Model Control, dynamisches Verhalten, Traktionsantrieb, Drehmomentsteuerung, PI-Regler, Symmetrisches Optimum, Prüfstand, Führungsglättung, adaptive Regelung, Kennlinienfelder
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit dem Entwurf einer Stromregelung für einen Permanentmagnet-Synchronmotor mit eingebetteten Magneten (IPMSM), der als Traktionsantrieb eingesetzt wird. Ziel ist es, dem Motor ein definiertes, lineares dynamisches Verhalten aufzuprägen, um überlagerte Regelkreise effizienter zu gestalten.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Themen sind die mathematische Modellierung des IPMSM unter Berücksichtigung von Sättigungseffekten, der Entwurf von Betriebsstrategien zur Wirkungsgradoptimierung sowie die Entwicklung und Validierung verschiedener Ansätze zur Stromregelung.
Welches primäre Ziel verfolgt der Autor mit der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, das stark arbeitspunktabhängige Dynamikverhalten des IPMSM zu linearisieren, damit für überlagerte Funktionen (wie Drehzahl- oder Schlupfregelung) ein bekanntes, definiertes Verhalten vorausgesetzt werden kann.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Der Autor nutzt sowohl analytische Herleitungen (Reglersynthese) als auch numerische Methoden, wobei insbesondere die Modellierung durch Kennlinienfelder (Look-Up Tables) zur Beschreibung nichtlinearer Sättigungseffekte im Vordergrund steht. Die Validierung erfolgt durch MATLAB/Simulink-Simulationen und experimentelle Tests an einem elektrischen Prüfstand.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden zunächst die theoretischen Grundlagen des Motors und die MTPC-Betriebsstrategie beschrieben. Anschließend folgen der Entwurf der feldorientierten Stromregelung, die Vorstellung dreier dynamischer Regelungsansätze (Führungsglättung, IMC-Verfahren und deren Kombination) sowie die experimentelle Überprüfung dieser Verfahren.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind IPMSM, feldorientierte Regelung, Sättigungseffekte, MTPC-Strategie, Internal Model Control (IMC), Traktionsantrieb und PT1-Sollverhalten.
Warum spielt die Sättigung des Eisens bei IPMSM eine so große Rolle?
Die Sättigungseffekte führen bei IPMSM dazu, dass sich die Induktivitätswerte arbeitspunktabhängig verändern. Ohne deren Modellierung wäre eine präzise Stromregelung über den gesamten Betriebsbereich nicht möglich, was die Dynamik und Robustheit negativ beeinflussen würde.
Welchen Vorteil bietet die Kombination aus IMC-Regler und SO-Hilfsregler?
Die Kombination nutzt das IMC-Verfahren, um das gewünschte Führungsverhalten einzuprägen, während der adaptive SO-Hilfsregler transiente Regelfehler und Störeinflüsse durch Kreuzkopplungen effektiv ausregelt, was mit den Einzelverfahren allein nicht in gleicher Güte erreicht werden konnte.
- Quote paper
- Oliver Wallscheid (Author), 2010, Entwurf einer Stromregelung mit definiertem dynamischem Verhalten für einen Permanentmagnet-Synchronmotor mit eingebetteten Magneten (IPMSM), Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/158984
