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Geberloser Betrieb von permanentmagneterregten Synchronmaschinen für den gesamten Drehzahlbereich

Leitung:Prof. Dr.-Ing. Axel Mertens
Bearbeitung:Dr.-Ing. Karsten Wiedmann

Am IAL wird seit mehreren Jahren der positionsgeberlose/sensorlose Betrieb von permanent-magneterregten Synchronmaschinen (PMSYM) untersucht.  Im unteren Drehzahlbereich wird eine anisotropiebasierte Rotorlageschätzung durchgeführt. Mit anderen Worten wird die Abhängigkeit der Stranginduktivitäten von der  Rotorlage ausgewertet. Im oberen Drehzahlbereich basiert die Rotorlageschätzung auf der Auswertung der EMK.

Der geberlose Betrieb von PMSYM stellt seit über 20 Jahren einen Schwerpunkt auf dem Forschungsgebiet geregelter Antriebe dar. Zahlreiche Veröffentlichungen haben sich mit grundlegenden Verfahren (HF-Injektionen, INFROM-Methode, etc.) und der Minderung störender Einflüsse befasst. Die im Folgenden aufgeführten Punkte verdeutlichen, welche Themengebiet noch immer  eine Herausforderung darstellen:

1.  In der Regel basieren die anisotropiebasierte und EMK-basierte Rotorlageschätzung auf einer unterschiedlichen Ausgangstruktur, was oftmals deren Kombination bzw. den Übergang der Verfahren erschwert und die  benötigte Rechenleistung erhöht.

2. Bei anisotropiebasierten Verfahren ist es entscheidend, den Einfluss einer dynamischen Stromregelung gering zu halten, damit die Dynamik der übergeordneten Drehmoment- bzw. Drehzahlregelung nicht gemindert werden muss. Hierfür sind in der Regel die Kenntnis des sättigungsabhängigen Verlaufs der Induktivitäten  und/oder aufwendige Filterstrukturen notwendig.

3. Die geberlose Systemidentifikation ist von entscheidender Bedeutung, um Einflüsse wie z.B. Sättigungseffekte (s. Punkt 2), Oberwelleneffekte oder nichtlineare Effekte des Umrichters berücksichtigen bzw. mindern zu können.

4. Die Rechenintensität der angewendeten Verfahren, soll möglichst gering gehalten werden. Oftmals werden Verfahren vorgeschlagen, die Divisionen durch variable Größen bzw. Matrizeninversionen beinhalten.

Die Berücksichtigung aller aufgeführten Aspekte in einem Verfahren bzw. in einer methodischen Vorgehensweise ist äußerst komplex und trägt dazu bei, dass sich die geberlose Regelung von PMSYM in industriellen Anwendungen noch nicht in einem Maße durch gesetzt hat, wie es prinzipiell möglich wäre. In der Regel ist eine gute Vorabkenntnis des Antriebssystems (AS) notwendig, um einen geberlosen Betrieb ausreichender Güte zu gewährleisten.

Im Rahmen einer Dissertation wurde am IAL ein Verfahren entwickelt, dass hinsichtlich der aufgeführten Kriterien entscheidende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik erzielt. Das Verfahren basiert auf dem Model Reference Adaptives System (MRAS)–Ansatz, wobei ein Flussbeobachter der Ständerflussverkettung die Grundlage bildet. Anhand des Beobachterschätzfehlers lassen sich sowohl die Rotorlage für den gesamten Drehzahlbereich als auch entscheidende Systemparameter identifizieren. Hierfür wird u.a. das Gradientenabstiegsverfahren herangezogen, das für seine geringe Rechenintensität bekannt ist. Dieses „Self-Sensing“-MRAS (SS-MRAS) ist modular aufgebaut. Einzelne Features, wie z.B. die Identifikation der transienten Induktivitäten im Arbeitspunkt oder Minderung von Oberwelleneffekten können bei Bedarf hinzugezogen werden, wenn das AS nur unzureichend bekannt ist. In diesem Zusammenhang wurde ebenfalls ein Autocommissioning für den Stillstand der Maschine entwickelt, für das keine speziellen Betriebspunkte angefahren werden müssen.

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