Dissertation Morales Caporal
Dr.-Ing. Roberto Morales Caporal
"Encoderless predictive direct torque control of the synchronous reluctance machine at low and zero speed" (2007)
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der „Prädiktiven Direkten Drehmomentregelung“ (PDTC) für die synchrone Reluktanzmaschine (SynRM) für den Betrieb mit und ohne Drehgeber. Insbesondere wird dabei der bei sensorlosen Regelverfahren immer problematische Bereich der niedrigen mechanischen Winkelgeschwindigkeiten untersucht. Das vorgeschlagene Regelverfahren vereint die hohe Dynamik der direkten Drehmomentregelung (DTC) mit den Vorteilen, die sich aus einer konstanten Schaltfrequenz und konstanten, relativ langen Abtastzeiten ergeben.
PDTC ist ein modellbasiertes Verfahren, das die Einschaltzeiten der möglichen Spannungsraumzeiger abhängig vom augenblicklich geforderten Drehmoment im Voraus berechnet. Die Einschaltdauer der Spannungsraumzeiger wird so berechnet, dass der gewünschte Wert des Drehmoments möglichst schnell erreicht wird. Dabei wird der Einfluss der in Frage kommenden Spannungsraumzeiger auf die Trajektorie des Statorflussraumzeigers berücksichtigt. Anschließend werden diejenigen Spannungsraumzeiger auf die Maschine geschaltet, die zum kleinsten Fehler in der Trajektorie des Statorflussraumzeigers führen.
Im Bereich sehr kleiner Statorfrequenzen reicht ein Betrieb mit nur zwei Spannungsraumzeigern pro Schaltzyklus nicht aus, um den Statorflussraumzeiger in der gewünschten Bahn zu führen. Deshalb ist ein zweiter aktiver Spannungsraumzeiger erforderlich, um den Statorfluss auf der Soll - Trajektorie zu halten. Im Laufe der Arbeit wurde eine geeignete Strategie zur Stützung des Flusses entwickelt, die ausführlich erörtert wird.
In einem zweiten Teil der Arbeit wird eine Methode zur Ermittlung der Rotorposition der synchronen Reluktanzmaschine bei geringen Statorfrequenzen einschließlich Nullfrequenz vorgestellt, so dass ein sensorloser Betrieb des Antriebs möglich wird.
Infolge der gegebenen magnetischen Anisotropie der Maschine ist die Statorinduktivität abhängig von der Rotorposition, und sie kann mit Hilfe eines Spannungs-Testsignals und des resultierenden Stromes ermittelt werden. Die verwendete Testspannung ist so konzipiert, dass sie keine zusätzlichen, störenden Drehmomentanteile verursacht. Zur Bestimmung der Induktivität wird die zeitliche Ableitung des von dem Spannungstestsignal hervorgerufenen Stromes anhand zweier Abtastwerte zu geeigneten Zeitpunkten gebildet. Die zeitliche Ableitung der Phasenströme enthält die Information über die Rotorposition. Sie werden mit Hilfe eines Quadratur-Phasenregelkreises (QPLL) verarbeitet und auf diese Weise wird eine Glättung des Signals erreicht, ohne einen Phasenfehler zu verursachen. Das entwickelte Verfahren benötigt keine zusätzlichen Sensoren außer der üblicherweise vorhandenen Stromsensoren. Im Gegensatz zu anderen Methoden sind keine speziellen Stromsensoren und keine Spannungserfassung erforderlich.
Die in der Arbeit vorgeschlagenen Algorithmen wurden in einer DSP-FPGA Hardware-Platform implementiert und in einem experimentellen Laborprüfstand bestehend aus konventionellen Komponenten mit einer kommerziell erhältlichen SynRM erprobt. Messergebnisse bei niedrigen Statorfrequenzen inklusiver Nullfrequenz bestätigen die guten dynamischen Eigenschaften der im Rahmen der Arbeit vorgeschlagenen und untersuchten Regelverfahren für die synchrone Reluktanzmaschine.
PDTC ist ein modellbasiertes Verfahren, das die Einschaltzeiten der möglichen Spannungsraumzeiger abhängig vom augenblicklich geforderten Drehmoment im Voraus berechnet. Die Einschaltdauer der Spannungsraumzeiger wird so berechnet, dass der gewünschte Wert des Drehmoments möglichst schnell erreicht wird. Dabei wird der Einfluss der in Frage kommenden Spannungsraumzeiger auf die Trajektorie des Statorflussraumzeigers berücksichtigt. Anschließend werden diejenigen Spannungsraumzeiger auf die Maschine geschaltet, die zum kleinsten Fehler in der Trajektorie des Statorflussraumzeigers führen.
Im Bereich sehr kleiner Statorfrequenzen reicht ein Betrieb mit nur zwei Spannungsraumzeigern pro Schaltzyklus nicht aus, um den Statorflussraumzeiger in der gewünschten Bahn zu führen. Deshalb ist ein zweiter aktiver Spannungsraumzeiger erforderlich, um den Statorfluss auf der Soll - Trajektorie zu halten. Im Laufe der Arbeit wurde eine geeignete Strategie zur Stützung des Flusses entwickelt, die ausführlich erörtert wird.
In einem zweiten Teil der Arbeit wird eine Methode zur Ermittlung der Rotorposition der synchronen Reluktanzmaschine bei geringen Statorfrequenzen einschließlich Nullfrequenz vorgestellt, so dass ein sensorloser Betrieb des Antriebs möglich wird.
Infolge der gegebenen magnetischen Anisotropie der Maschine ist die Statorinduktivität abhängig von der Rotorposition, und sie kann mit Hilfe eines Spannungs-Testsignals und des resultierenden Stromes ermittelt werden. Die verwendete Testspannung ist so konzipiert, dass sie keine zusätzlichen, störenden Drehmomentanteile verursacht. Zur Bestimmung der Induktivität wird die zeitliche Ableitung des von dem Spannungstestsignal hervorgerufenen Stromes anhand zweier Abtastwerte zu geeigneten Zeitpunkten gebildet. Die zeitliche Ableitung der Phasenströme enthält die Information über die Rotorposition. Sie werden mit Hilfe eines Quadratur-Phasenregelkreises (QPLL) verarbeitet und auf diese Weise wird eine Glättung des Signals erreicht, ohne einen Phasenfehler zu verursachen. Das entwickelte Verfahren benötigt keine zusätzlichen Sensoren außer der üblicherweise vorhandenen Stromsensoren. Im Gegensatz zu anderen Methoden sind keine speziellen Stromsensoren und keine Spannungserfassung erforderlich.
Die in der Arbeit vorgeschlagenen Algorithmen wurden in einer DSP-FPGA Hardware-Platform implementiert und in einem experimentellen Laborprüfstand bestehend aus konventionellen Komponenten mit einer kommerziell erhältlichen SynRM erprobt. Messergebnisse bei niedrigen Statorfrequenzen inklusiver Nullfrequenz bestätigen die guten dynamischen Eigenschaften der im Rahmen der Arbeit vorgeschlagenen und untersuchten Regelverfahren für die synchrone Reluktanzmaschine.