Sensitivitätsanalyse und Echtzeit-Implementierung eines Kalman-Filter-basierten geberlosen Regelungsverfahrens für permanentmagneterregte Synchronmaschinen

  • Motivation

    Die permanentmagneterregte Synchronmaschine (PSM) ist in der jüngeren Vergangenheit in den Fokus der Wissenschaft und Industrie gerückt. Durch maximale Ausnutzung des magnetischen Materials der PSM kann bei vergleichsweise geringem Bauvolumen ein hohes Drehmoment erzeugt werden. Insbesondere im Antriebsstrang von Automobilen ist eine hohe Leistungsdichte gewünscht. Die hochdynamische Regelung der PSM wurde am ETI im Rahmen mehrerer Dissertationen erforscht. Für die Regelung einer PSM muss stets die Richtung des Permanentmagnetflusses bekannt sein. Üblicherweise werden zur Messung der Rotorlage Drehgeber eingesetzt. Die Nachteile sind höhere Kosten, zusätzlich benötigter Bauraum sowie eine geringere Zuverlässigkeit.

    Deshalb sind geberlose Regelverfahren Gegenstand aktueller Forschung. Bei diesen Verfahren wird die aktuelle Drehzahl sowie der Rotorlagewinkel aus den gemessenen Maschinenströmen und -spannungen ermittelt. Die Qualität dieser Identifikation hängt deshalb maßgeblich von der Genauigkeit der eingesetzten Sensoren ab.

    Wenn Messwerte nur ruaschbehaftet vorliegen oder bestimmte Größen nicht messbar sind, bietet sich der Einsatz eines Kalman-Filters an. Vor diesem Hintergrund soll ein Rotorlageidentifikationsverfahren untersucht werden, das auf dem Unscented Kalman-Filter basiert.

     

    Aufgabenstellung

    Das in dieser Arbeit betrachtete Verfahren wurde bereits in einer Simulationsumgebung implementiert und untersucht. Die erste Aufgabe ist die Bewertung des Verfahrens in Form einer Sensitivitätsanalyse. Da es sich um einen modellgestützten Algorithmus handelt, können insbesondere Ungenauigkeiten der Modellparameter zu fehlerhafter Identifikation oder Instabilität des Verfahrens führen. Für die elektrische Maschine werden unter anderem die Einflüsse der Flussverkettung, des elektrischen Widerstands, möglicher Oberwellen, aber auch der mechanischen Strecke betrachtet. Auch die Auswirkungen der Messunsicherheiten von Strom- und Spannungsmessung werden untersucht.

    Um den Rechenaufwand und die Genauigkeit des Verfahrens in der Realität bewerten zu können, erfolgt eine echtzeitfähige Implementierung für einen Antriebsumrichter. Das ETI-DSP-System bietet hierfür neben digitalem Signalprozessor auch einen leistungsfähigen FPGA und eine Messgrößenerfassung. In Verbindung mit einem am ETI vorhandenen Maschinenprüfstand wird das Verfahren schließlich an einer realen Maschine validiert. Hierbei wird auch ein praktisches Vorgehen für die Bestimmung der Filter-Matrizen und -Vektoren des Kalman Filters erarbeitet.