Modeling and controller design for transverse flux machines including harmonic phase current components

In modernen Anwendungen ist der Stromregelkreis der innerste Regelkreis einer Antriebsregelkaskade für elektrische Maschinen. Dieser bestimmt maßgeblich die erzielbare Leistungsfähigkeit der gesamten Antriebsregelung. Die Anforderungen an die Dynamik und Genauigkeit eines geschlossenen Stromregelkreises sind insbesondere bei Transversalflussmaschinen sehr hoch, um einen hochdynamischen Betrieb mit geringer Drehmomentwelligkeit erzielen zu können. Die Eingrößen-Stromregelstrecke weist durch das elektromagnetische Verhalten der Maschine periodische Störgrößen und Parameterverläufe auf. Hieraus resultieren bei mangelhafter Kompensation dieser periodischen Signale Harmonische der Synchronfrequenz im Strangstrom. Um die gewünschte Genauigkeit der Stromregelung zu erzielen, muss das nichtlineare Verhalten der Maschine in der Regelung berücksichtigt werden. Inhalt dieser Arbeit ist die Herleitung eines dynamischen Modells der Transversalflussmaschine, welches die Dynamik des Strangsstromes für die Synchronfrequenz sowie ihre Harmonischen beschreibt. Es wird eine Transformation der Modellgleichungen vorgestellt, welche die Darstellung des eingeschwungenen Zustands des Wechselstromes einschließlich seiner Harmonischen durch Gleichgrößen ermöglicht. Die spektrale Beschreibung der Stromdynamik erlaubt die analytische Auslegung einer spektralen Zustandsregelung für Transversalflussmaschinen. Diese wird in Kombination mit einem multiresonanten Regler in einer Modellfolgeregelung eingesetzt. Die Identifikation der Streckenparameter wird ebenso wie die Regelung experimentell erprobt. Es werden sowohl permanenterregte Transversalflussmaschinen wie auch Transversalflussreluktanzmaschinen beschrieben.In modern applications the phase current control loop represents the inner loop of a drive control system for electrical machines. It largely determines the achievable performance of the entire drive cascade. The dynamics and accuracy requirements of a closed loop phase current control system are very high, particularly for transverse flux machines, in order to achieve a highly dynamic operation with low torque ripple. The SISO plant of the phase current control loop shows periodic disturbances and parameters due to the electromagnetic behavior of the machine. This results in harmonics of the synchronous frequency in the phase current for an inadequate compensation of these periodic signals. In order to achieve the desired accuracy of the phase current control loop, the nonlinear behavior of the machine must be considered in the controller design. This work presents the derivation of a dynamic model of the transverse flux machine, which describes the dynamics of the synchronous frequency and its harmonics. A model transformation is introduced in order to describe the steady-state of the alternating phase current including its harmonics by a set of DC signals. The spectral description of the phase current dynamics allows the analytical derivation of a spectral state-feedback controller for transverse flux machines. This state-feedback controller is combined with a multi-resonant controller in a model-tracking control scheme. The identification procedure of the system parameters, and the control scheme are tested and validated experimentally. This work describes both permanent magnet excited transverse flux machines and transverse flux reluctance machines

Modellbildung, Parameteridentifikation und Regelung hoch ausgenutzter Synchronmaschinen

Was passiert, wenn permanentmagneterregte Elektromotoren bei gleicher Leistung immer kleiner und leichter werden? Wie verändert sich das elektromagnetische Verhalten? Was folgt daraus für die optimale Regelung der Motoren? Die vorliegende Arbeit beantwortet diese Fragen und behandelt die Modellbildung, Parameteridentifikation und Regelung wechselrichtergespeister, magnetisch anisotroper, hoch ausgenutzter, permanentmagneterregter Synchronmotoren

Modellbildung, Parameteridentifikation und Regelung hoch ausgenutzter Synchronmaschinen

What happens when permanent-magnet electric motors with identical power become smaller and lighter? How changes the electromagnetic behavior? What consequences arise with respect to optimal motor control? This study answers these questions and discusses modeling, parameter identification, and control over inverter-fed, magnetically anisotropic, highly utilized, permanent-magnet synchronous motors

Zylindrischer Linearmotor mit konzentrierten Wicklungen für hohe Kräfte

Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Auslegung einer zylindrisch aufgebauten permanenterregten Synchronlinearmaschine. Die Besonderheit der vorgestellten Maschine ist das neuartige Statorkonzept, bei dem die Spulen nicht in solenoiden Wicklungen, sondern als diskrete Einzelspulen angeordnet sind. Diese Spulen sind auf flussführenden Kernen radial um den zylindrischen Läufer herum angeordnet und in Gruppen zu je acht Spulen auf eine Phase des Drehstromsystems geschaltet. Zur Homogenisierung des Flusses im Luftspalt sind die Kerne jeder Spulengruppe mit einem Eisenring verbunden. Dieser besondere Aufbau des Stators ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung der Spulen, da diese außerhalb des Motors gefertigt werden und erst zur Endmontage aufgeschoben werden können. Der Läufer des Linearmotors besteht aus einem Eisenrohr, auf das radial magnetisierte ringförmige Magnete aufgeschoben werden. Eine Verklebung oder Laminierung ist nicht erforderlich. Sowohl Läufer als auch Stator der vorgestellten Maschine werden nicht geblecht, was wiederum einen Kostenvorteil gegenüber anderen Konstruktionen darstellt. Zur Berechnung der Motorkraft wird sowohl ein einfaches analytisches Modell abgeleitet, als auch die numerische Feldberechnung verwendet. Mit Hilfe dieser Methoden wird anschließend die Konstruktion des Motors und die Auslegung der einzelnen Komponenten optimiert. Dabei wird ein Schwerpunkt auf die Maximierung der Schubkraft bei gleichzeitiger Minimierung der Rastkräfte gelegt. Für die Regelung des Motors wird ein Servoumrichter verwendet, wozu ein Positionssensor entwickelt wird, der den besonderen konstruktiven Aufbau des Motors ausnutzt. In diesem Zusammenhang wird ein mathematisches Modell des Linearmotors abgeleitet, um das Regelverhalten des Motors zu simulieren. Zur Verifikation der Motorkonstruktion und der aufgestellten Modelle wird ein Prototyp aufgebaut und umfassend vermessen. Die Messungen haben gezeigt, dass alle zu Beginn der Arbeit gestellten Anforderungen hervorragend erreicht wurden. Die angestrebte Schubkraft des Motors von 500 Newton wird nahezu über den gesamten Verfahrbereich erreicht. Die Simulationsergebnisse der entwickelten mathematischen Modelle erreichen eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten

Dynamische Feldschwächung bei am einphasigen Netz betriebenen EC-Motoren mit schlankem Zwischenkreis

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Betrieb von einphasig gespeisten ECLüftermotoren mit schlankem Zwischenkreis. Beim einphasigen Industrienetz besteht das Problem, dass im Lüftermotor aufgrund der bis auf null Volt pulsierenden Zwischenkreisspannung ein Luftspaltdrehmoment mit hohem Anteil an Oberschwingungen auftritt. Um dies zu vermeiden, müssen in der Praxis diskrete Speicherelemente wie Elektrolytkondensatoren und Eisenkerndrosseln als Energiespeicher in den Zwischenkreis des Umrichters eingebaut werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, welches ein nahezu konstantes Luftspaltdrehmoment bei einphasig gespeisten EC-Lüftermotoren mit schlankem Zwischenkreis gewährleistet. Mit dem Verfahren, der so genannten dynamischen Feldschwächung, können die bislang erforderlichen Energiespeicher wie Spulen und Elektrolytkondensatoren ersetzt werden. Zur Herleitung des Verfahrens der dynamischen Feldschwächung sind auf der Basis eines sättigungsfrei und damit linear arbeitenden Lüftermotors die notwendigen mathematischen Grundgleichungen entwickelt worden. Der Ansatz eines sättigungsfrei arbeitenden Lüftermotors erlaubt die einfache Umsetzung einer Konstruktionsvorschrift für einen speziell auf das Verfahren abgestimmten Motor auf Basis der regelungstechnisch relevanten Motorparameter. Mithilfe eines nichtlinearen Kalman-Filters zur automatischen Bestimmung der regelungstechnischen Motorparameter wird dann der gebaute sättigungsfrei arbeitende Lüftermotor auf einem Prüfstand vermessen. Dabei hat sich gezeigt, dass das Verfahren der dynamischen Feldschwächung eine gute Übereinstimmung zwischen den analytischen und den simulierten Ergebnissen liefert. Das Verfahren der dynamischen Feldschwächung kommt bei einer mittleren Motorleistung von etwa P123 = 200 W und einem Wirkungsgrad von ca. η = 80 % mit einer sehr kleinen Zwischenkreiskapazität von Czk = 14 μF aus. Im Vergleich dazu benötigt ein Serienlüftermotor eine Zwischenkreiskapazität von Czk = 204 μF

BLDC-Motor mit schlankem Zwischenkreis am einphasigen Netz: Ventilatoranwendungen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Betrieb von einphasig gespeisten EC-Lüftermotoren mit schlankem Zwischenkreis. Beim einphasigen Industrienetz besteht das Problem, dass im Lüftermotor aufgrund der bis auf null Volt pulsierenden Zwischenkreisspannung ein Luftspaltdrehmoment mit hohem Anteil an Oberschwingungen auftritt. Um dies zu vermeiden, müssen in der Praxis diskrete Speicherelemente wie Elektrolytkondensatoren und Eisenkerndrosseln als Energiespeicher in den Zwischenkreis des Umrichters eingebaut werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, welches ein nahezu konstantes Luftspaltdrehmoment bei einphasig gespeisten EC-Lüftermotoren mit schlankem Zwischenkreis gewährleistet. Mit dem Verfahren, der so genannten dynamischen Feldschwächung, können die bislang erforderlichen Energiespeicher wie Spulen und Elektrolytkondensatoren ersetzt werden. Zur Herleitung des Verfahrens der dynamischen Feldschwächung sind auf der Basis eines sättigungsfrei und damit linear arbeitenden Lüftermotors die notwendigen mathematischen Grundgleichungen entwickelt worden. Der Ansatz eines sättigungsfrei arbeitenden Lüftermotors erlaubt die einfache Umsetzung einer Konstruktionsvorschrift für einen speziell auf das Verfahren abgestimmten Motor auf Basis der regelungstechnisch relevanten Motorparameter. Mithilfe eines nichtlinearen Kalman-Filters zur automatischen Bestimmung der regelungstechnischen Motorparameter wird dann der gebaute sättigungsfrei arbeitende Lüftermotor auf einem Prüfstand vermessen. Dabei hat sich gezeigt, dass das Verfahren der dynamischen Feldschwächung eine gute Übereinstimmung zwischen den analytischen und den simulierten Ergebnissen liefert.Das Verfahren der dynamischen Feldschwächung kommt bei einer Motorleistung von etwa 200 Watt und einem Wirkungsgrad von ca. 80% mit einer sehr kleinen Zwischenkreiskapazität von 14uF aus. Im Vergleich dazu benötigt ein Serienlüftermotor eine Zwischenkreiskapazität von 204uF

Modellierung, elektromechanische Auslegung und Validierung eines Radnabenmotors mit nutenloser Luftspaltwicklung und hoher gravimetrischer Leistungsdichte

Magdeburg, Univ., Fak. für Maschinenbau, Diss., 2014von Norman Borchard

Hochdynamische Power Hardware-in-the-Loop Emulation hoch ausgenutzter Synchronmaschinen mit einem Modularen-Multiphasen-Multilevel Umrichter

Um die gestiegenen Anforderungen an elektrische Antriebe im Hinblick auf Zuverlässigkeit und Sicherheit zu erfüllen, wurden in den letzten Jahren PHIL-Emulatoren für elektrische Maschinen entwickelt. Aufgrund funktionaler Einschränkungen können diese Emulatoren das Verhalten einer realen Maschine jedoch bisher nicht äquivalent nachbilden. Die vorliegende Arbeit setzt an diesem Punkt an und zeigt auf, wie ein PHIL-Prüfstand konzipiert sein muss, um eine Synchronmaschine ganzheitlich nachzubilden

Delta-Sigma signal processing in control engineering

In modernen Anwendungen werden überabtastende Analog-zu-Digital Umsetzer eingesetzt. Eine besondere Klasse sind die Delta-Sigma-Analog-zu-Digital Umsetzer (ADU). Sie werden bei sehr hohen Abtastfrequenzen betrieben, in der Regel bei dem 64- bis 1024-fachen der Signalfrequenz, dafür besitzen sie eine sehr geringe Quantisierung, bis zu einem Bit. Mit entsprechenden digitalen Filtern lassen sich mit dem Verfahren Wortbreiten von 12 bis 16 Bit erreichen. Allerdings begrenzt dabei das Filter die erzielbare Kleinsignalbandbreite. Mit der weiterentwickelten und vorgestellten ΔΣ Signalverarbeitung (ΔΣSV) kann auf die Filterung verzichtet werden. In dieser Arbeit werden unterschiedliche Verfahren zur ΔΣSV evaluiert. Das Ergebnis stellen sowohl Klassen für lineare, als auch eine Klasse für nichtlineare Operationen dar, die eine gute Abbildungsqualität besitzen und alle Funktionen aus der jeweiligen Klasse abbilden können. Basierend auf diesen Operationen wird die Strom- und Spannungsregelung einer dreiphasigen Last vorgestellt. Zur Umsetzung der hochfrequenten Bitströme in leistungshalbleitertaugliche Schaltfrequenzen wird ein hysteresebasierter Modulator, der echte Raumzeigermodulation mit beiden Nullvektoren beherrscht, eingesetzt. Für diesen wird ein Schaltfrequenzregler vorgestellt und unterschiedliche Stromregler erprobt. Abschließend wird eine drehgeberlose Geschwindigkeitsregelung in ΔΣSV vorgestellt.In modern applications oversampling analog-to-digital converters (ADC) are used. A special class are the Delta-Sigma-ADCs. They operate at very high sampling frequencies, usually at 64 up to 1024 times the signal frequency, but have a very low quantization, down to one bit. With corresponding digital filters, word sizes from 12 to 16 Bit can be achieved. However, the filters limit the achievable small signal bandwidth. In order to ommit these, the ΔΣ signal processing (ΔΣSP) has been developed. In this thesis different methods for ΔΣSP are evaluated. As a result, a class for linear as well as a class for nonlinear operations is presented, which have a good projection quality and can map all functions of the respective class. Based on these operations, the current and voltage regulation of a threephase load is presented. To convert the high-frequency bitstreams into switching frequencies suitable for power semiconductors, a hysteresis-based modulator is presented which outputs true space vector modulation with both zero vectors. For this modulator a switching frequency controller is presented and diferent current controllers are evaluated. Concluding, an encoderless speed control is presented in ΔΣSP