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
- Einleitung
- Modellbildung des IPMSM
- Stromregelung
- Drehmomentregelung
- Berechnung des statischen Betriebsverhaltens
- Zusammenfassung
- Entwicklung einer Stromregelung mit definiertem dynamischen Verhalten
- Regelung eines einzelnen Stromkreises
- Entwurf einer Stromregelung mit definiertem dynamischen Verhalten
- Simulation und Ergebnisse
- Entwicklung einer Drehmomentsteuerung
- Drehmomentübertragungsfunktion des IPMSM
- Drehmomentsteuerung und Simulationen
- Experimentelle Validierung
- Aufbau des Versuchsstandes
- Messung der Stromregelung
- Messung der Drehmomentsteuerung
- Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Stromregelung mit definiertem dynamischen Verhalten für einen Permanentmagnet-Synchronmotor mit eingebetteten Magneten (IPMSM). Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Regelung zu entwickeln, die dem IPMSM ein PT1-Verhalten mit definierbarer Zeitkonstante einprägt, sowie eine Drehmomentsteuerung zu realisieren, die der Stromregelung geeignete Arbeitspunkte in Abhängigkeit des Solldrehmoments hinsichtlich minimaler Stromwärmeverluste vorgibt.
- Modellierung des IPMSM
- Entwurf einer Stromregelung mit definiertem dynamischen Verhalten
- Entwicklung einer Drehmomentsteuerung
- Simulation und experimentelle Validierung
- Anwendung des IPMSM im Bereich der Elektrotraktion
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 2 erläutert die Modellbildung des IPMSM, wobei die relevanten Gleichungen für die Strom- und Drehmomentregelung hergeleitet werden. Die Besonderheiten des IPMSM im Vergleich zu anderen Elektromotoren, wie z.B. die asymmetrischen Induktivitäten und Sättigungseffekte, werden berücksichtigt. Kapitel 3 befasst sich mit der Entwicklung einer Stromregelung mit definiertem dynamischen Verhalten. Es werden verschiedene Ansätze zur Realisierung einer solchen Regelung vorgestellt und das Verfahren der Internal Model Control (IMC) detailliert beschrieben.
Kapitel 4 beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Drehmomentsteuerung. Es wird die Drehmomentübertragungsfunktion des IPMSM hergeleitet und die Drehmomentsteuerung in Abhängigkeit des Solldrehmoments und der Stromwärmeverluste optimiert. Kapitel 5 beschreibt die experimentelle Validierung der entwickelten Regelung am Prüfstand. Die Ergebnisse der Messungen werden mit den Simulationsergebnissen verglichen und diskutiert.
Schlüsselwörter
Permanentmagnet-Synchronmotor (IPMSM), Stromregelung, Drehmomentsteuerung, Internal Model Control (IMC), PT1-Verhalten, Sättigungseffekte, Elektrotraktion.
- 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
