Modellierung und optimale Regelung von elektrischen Motoren mit redundanten Wicklungssystemen

Projektschwerpunkte

• Modellierung von PMSM mit redundanten Statorwicklungen
• Detektion von Fehlern der PMSM
• Optimale fehlertolerante Regelungsstrategien für PMSM mit redundanten Statorwicklungen

Beschreibung

Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSM) werden aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte in vielen industriellen und automotiven Anwendungen eingesetzt. In einigen dieser Anwendung (z.B. elektrische Servolenksysteme) kann ein Fehler des Motors (z.B. Kurzschluss von Statorwicklungen oder Kabelbruch), des Inverters oder der Sensorik (Positions- und Stromsensorik) zu einem unerwünschten und potenziell gefährlichen Verhalten führen. Um einen sicheren Betrieb der PMSM auch im Fehlerfall zu gewährleisten, wurden Konstruktionen mit redundanten Statorwicklungen und Inverterzweigen in der Literatur vorgeschlagen, siehe, z.B., Fig. 1. Die große Anzahl von möglichen Motorkonstruktionen beruht immer auf der Grundidee, mehr als drei Statorwicklungen zu verwenden die durch unabhängige Inverterzweige angesteuert werden. Dies ermöglicht den Betrieb der PMSM im Fall eines einzelnen Fehlers, wenngleich eventuell mit verringerter Leistung. Verwendet man zusätzlich eine Positionsschätzung für die PMSM, so kann die PMSM auch im Fall eines Fehlers des Positionssensors betrieben werden.

Aufbau von Statorwicklungen mit einem Dreiphasen-Wicklungssystem und zwei Dreiphasen-Wicklungssysteme

Die Mehrzahl der bekannten fehlertoleranten Regelungsstrategien und sensorlosen Positionsschätzmethoden basieren auf einem magnetisch linearen Grundwellenmodell der PMSM in dq-Darstellung. In dieser Forschungskooperation mit der Firma Robert Bosch GmbH werden Strategien zur Fehlerdetektion, zum fehlertoleranten Betrieb sowie für die optimale (sensorlose) Regelung von Permanentmagnet-Synchronmotoren entwickelt, die eine systematische Berücksichtigung der magnetischen Sättigung sowie von beliebigen Feldverläufen erlauben. Die Basis für diese Methoden bildet eine Beschreibung der PMSM mit Hilfe von Reluktanznetzwerken, welche zu Modellen mit geringer Komplexität führt, die besonders für die Systemanalyse und den Reglerentwurf geeignet sind. Die betrachteten Anwendungen der resultierenden Schätz- und Regelungsstrategien liegen in automotiven Anwendungen, wie z.B. elektrische Servolenksysteme oder elektrischen Antriebsstränge.

Projektpartner

• Robert Bosch GmbH