Zeitdiskrete prädiktive Schaltzustandsauswahl bei leistungselektronischen Stellgliedern

Schon seit den Anfängen der modernen Leistungselektronik wurden für den Betrieb der leistungselektronischen Stellglieder verschiedene Modulationsverfahren entwickelt, von denen die Pulsweitenmodulation (PWM) die bei Weitem größte Verbreitung erfahren hat. Im Gegensatz zur PWM sind direkte Steuerverfahren, wie zum Beispiel die Zeitdiskrete Schaltzustandsänderung oder Zweipunkt- und Hystereseregler in der modernen Antriebstechnik nur wenig verbreitet. Durch eine neuartige digitale Umsetzung eines solchen direkten Steuerverfahrens mit Hilfe eines leistungsfähigen Mikrocontrollers und die Anwendung von Prädiktionsberechnungen entsteht ein außerordentlich leistungsfähiges und flexibles Steuerverfahren. Auf Basis zeitdiskreter Modellgleichungen wird hierzu das Verhalten der Anlage für jeden möglichen Schaltzustand vorausberechnet. Schließlich wird derjenige Schaltzustand ausgewählt, welcher ein Optimierungskriterium in Form einer mathematisch formulierten Gütefunktion bestmöglich erfüllt. Die anschließende Schaltzustandseinstellung erfolgt ebenso wie die Schaltzustandsauswahl in einem diskreten Zeitraster. Dieses Prinzip der Zeitdiskreten Prädiktiven Schaltzustandsauswahl (ZPS) ermöglicht die Realisierung äußerst dynamischer Stromregler für eine Vielzahl leistungselektronischer Stellglieder. In dieser Arbeit wird dieses Steuerverfahren vorgestellt. Sein Betriebsverhalten wird zunächst für einphasige, dann für dreiphasige Anordnungen untersucht. Dabei wird gezeigt, wie die ZPS auf einen abtastenden Mehrpunktregler zurückgeführt werden kann. Er erfolgt eine grundlegende Analyse der wichtigen Eigenschaften des Steuerverfahrens, wie zum Beispiel der resultierenden mittleren Schaltfrequenz, des Effektivwerts des Verzerrungsstromes oder der erzielbaren Dynamik. Für den dreiphasigen Fall werden hierzu „Auswahlfiguren“ eingeführt, die die Funktion der Gütefunktion und die Entstehung der Pulsmuster grafisch veranschaulichen. Anhand dieser Auswahlfiguren können auch erweiterte Gütefunktionen mit gewichteten Nebenkriterien untersucht werden. Durch diese erweiterten Gütefunktionen kann die ZPS für die Steuerung einer Vielzahl von Schaltungen mit erstaunlichen Eigenschaften eingesetzt werden. Für viele derartige Anordnungen werden im Rahmen dieser Arbeit Ausführungsbeispiele vorgestellt und deren Leistungsfähigkeit anhand von Messungen belegt.