Modeling and optimal torque control of saturated surface-mounted permanent magnet synchronous machines

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der mathematischen Modellierung und der optimalen Drehmomentenregelung einer permanenterregten Synchronmaschine mit Oberflächenmagneten und ausgeprägter magnetischer Sättigung. Das mathematische Modell der Maschine beruht auf der Beschreibung des Magnetkreises durch ein Reluktanznetzwerk. Die Gleichungen des Netzwerkes werden dabei effizient durch Anwenden der Graphentheorie berechnet und die Dynamik ist durch das Faradaysche Induktionsgesetz gegeben. Das Modell wird mit Hilfe von Drehmomentenmessungen kalibriert und validiert. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem Entwurf einer nichtlinearen Regelungsstrategie für das Drehmoment der Maschine. Der geforderte Betriebsbereich umfasst Überlastbetrieb (magnetische Sättigung) und den Betrieb bei sehr hohen Drehzahlen (Spannungsbegrenzung durch den Umrichter). Die Berechnung von optimalen Strömen und Verkettungsflüssen führt zu einem vereinfachten Entwurfsmodell, welches eine Abschätzung der Spannungen an den Maschinenklemmen erlaubt. Eine Zwei-Freiheitsgrad-Regelkreisstruktur bestehend aus einer flachheitsbasierten Vorsteuerung und einem zeitvarianten Fehlerregler wird entwickelt. Umfangreiche Simulationen und experimentelle Versuche zeigen die hohe Güte der Regelung. Die Spannungsgrenze des Umrichters bei sehr hohen Drehzahlen wird eingehalten. Im unteren Drehzahlbereich zeigt sich eine deutliche Verbesserung gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik. Der letzte Teil dieser Arbeit behandelt die experimentelle Bestimmung der Reglerparameter auf Basis von Messungen. Die Auswirkung der experimentell bestimmten Reglerparameter auf die Genauigkeit der Drehmomentenregelung wird anhand von Simulationsstudien untersucht.