Flussmessung bei Permanentmagnet-Synchronmaschinen mit Hilfe von separaten Wicklungen zur Optimierung der Drehmomentregelung

Scharnagl, Michael

The control of three-phase machines, especially of permanent magnet synchronous machines, has been investigated for decades and is used in industry as well as in the automotive sector for hybrid and electric vehicles. Due to increasing demands on efficiency and power density, the machines are mostly highly utilized and have a non-linear behavior due to saturation effects and harmonics. The resulting working point dependent machine parameters and the temperature dependency of machine parameters make it difficult to control these machines. The present work deals with the sensorless torque control of synchronous machines with the help of separate windings, so-called measuring coils. In this case, the use of position sensors is dispensed with and the information about the rotor position for controlling the iPmsm is determined from the signals of the measuring coils. Two types of torque control from iPmsm are being investigated: In low speed range, a sensorless method using high-frequency injection, based on the principle of _eld-oriented control, using inner dq-current control loop. Direct torque control is used for the higher speed range. With this method, the control variables flux and torque are calculated from the measurement coil signals and the measured phase currents. Signal processing is a prerequisite for a successful use of the measurement coil signals for the control. A specially developed measuring board is used for this. The flux acquisition is done by oversampling with delta-sigma-AD conversion, combined with software functions. Possible parameters on the quality of the measuring coil signals are verified in an FE simulation. This is followed by a consideration of possible measurement coil topologies, as well as a comparison of these. In this work, the basics of flux measurement for optimizing the torque control of three phase machines are created. This new type of control offers the potential to compensate the influence of non-linearities and temperatures, which could increase torque accuracy and system utilization.

Die Regelung von Drehstrommaschinen, insbesondere die von Permanentmagnet-Synchronmaschinen, wird seit Jahrzehnten untersucht und findet Anwendung in der Industrie, wie auch im automobilen Bereich bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Durch die steigenden Anforderungen an Wirkungsgrad und Leistungsdichte sind die Maschinen meist hoch ausgenutzt und haben ein nichtlineares Verhalten aufgrund von Sättigungseffekten und Oberwellen. Die daraus resultierenden, arbeitspunktabhängigen Maschinenparameter sowie die Temperaturabhängigkeit von Maschinenparametern erschweren die Regelung dieser Maschinen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der geberlosen Drehmomentregelung von Synchronmaschinen mithilfe von separaten Wicklungen, sogenannten Messwicklungen. Hierbei wird auf die Verwendung von Positionssensoren verzichtet, und die Information der Rotorlage für die Regelung der iPmsm wird aus den Signalen der Messwicklungen bestimmt. Zwei Arten der Drehmomentregelung von iPmsm werden untersucht: Im unteren Drehzahlbereich wird ein geberloses Verfahren mit Hilfe von Hochfrequenzinjektion, basierend auf dem Prinzip der feldorientierten Regelung, mittels unterlagerter dq-Stromregelung eingesetzt. Für den oberen Drehzahlbereich wird eine direkte Drehmomentregelung angewandt. Bei diesem Verfahren werden die Regelgrößen Fluss und Drehmoment aus den Messwicklungssignalen und den gemessenen Phasenströmen berechnet. Voraussetzung einer erfolgreichen Nutzung der Messwicklungssignale für die Regelung ist die Signalverarbeitung. Hierfür wird eine eigens entwickelte Messplatine verwendet. Die Flusserfassung erfolgt durch Überabtastung mit Delta-Sigma-AD-Wandlung, kombiniert mit Softwarefunktionen. Mögliche Einflussgrößen auf die Güte der Messwicklungssignale werden in einer FE-Simulation verifiziert. Eine Betrachtung möglicher Messwicklungstopologien schließt sich mit einem Vergleich an. In dieser Arbeit werden die Grundlagen der Flussmessung zur Optimierung der Drehmomentregelung von Drehstrommaschinen geschaffen. Diese neue Art der Regelung bietet das Potential, den Einfluss von Nichtlinearitäten sowie von Temperaturen zu kompensieren, wodurch die Drehmomentgenauigkeit und die Systemausnutzung erhöht werden könnten.

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Scharnagl, Michael: Flussmessung bei Permanentmagnet-Synchronmaschinen mit Hilfe von separaten Wicklungen zur Optimierung der Drehmomentregelung. Hagen 2021. FernUniversität in Hagen.

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