Control methods for low-inductance and high-power permanent magnet synchronous motors with high number of poles

Abstract

In dieser Dissertation wird eine OTMIC Regelung (Combined Optimal Torque and Modal Current Control) für Synchronmotoren mit geringer Induktivität, hoher Leistung und hoher Anzahl der Permanentmagnete vorgestellt. Diese Regelungsmethode wurde bei Radnabenmotoren mit nutenloser Luftspaltwicklung und kombinierter Wicklung implementiert, die von der Otto von Guericke Universität entwickelt und patentiert wurden. Eine niedrige Phaseninduktivität, eine hohe Polpaarzahl und zusätzliche Oberwellen in dem Magnetfeld erschweren die Motorregelung. Aufgrund der geringen Induktivität ist eine hohe Schaltfrequenz erforderlich, um die Phasenstromrippel zu minimieren. Das bedeutet, dass der Steueralgorithmus sehr einfach zu implementieren sein sollte und gleichzeitig eine hohe Dynamik und Systemstabilität bieten sollte, um Motorverluste und Drehmomentrippeln zu reduzieren. Der in dieser Dissertation vorgeschlagene und validierte OTMIC-Kontrollansatz entspricht diesen Anforderungen. Zusätzlich zu dieser Methode wird in der Arbeit auch eine modifizierte sechsstufige Kommutierung mit einer Quellenstromregelung ohne Verwendung einer hohen Schaltfrequenzen aufgrund der Optimierung eines DC-DC-Wandlers vorgestellt. Diese Methode ist der OTMIC-Regelung in der Systemdynamik deutlich unterlegen. Aufgrund seiner Einfachheit kann es jedoch eine Anwendung im Elektrotransport mit geringer und mittlerer Leistungsebene finden. Darüber hinaus kann der Optimierungsalgorithmus des Wandlers in Systemen verwendet werden, um die Abmessungen, Gewicht und Verluste des Wandlers zu minimieren. Somit deckt diese Dissertation den Hauptbereich von Aufgaben ab, die sich beim Entwurf von Steuerungssystemen für elektrische Antriebe mit niedriger Induktivität und hoher Leistung auf der Basis der PMSM ergeben. Darüber hinaus können die in dieser Dissertation vorgestellten Algorithmen auch für standardmäßige PMSM-Antriebe mit hoher Phaseninduktivität verwendet werden.

In this dissertation, a Combined Optimal Torque and Modal Current Control (OTMIC) approach for low inductance and high-power permanent magnets synchronous motors is presented. This control method has been implemented on slotless air gap winding and combined winding wheel-hub motors developed and patented by Otto von Guericke University. A low phase inductance, a high number of poles and additional harmonics in a magnetic field of these motors make the motor control a challenge. Due to low inductance, a high switching frequency is required to minimize phase current ripples. This means that the control algorithm should be significantly simple to implement, and at the same time it should be able to provide high dynamics and system stability reducing motor losses and torque ripples. The OTMIC control approach proposed and validated in this dissertation is consistent with these requirements. In addition to this method, a modified six-step commutation with a source current control without using a high switching frequency due to optimization of a DC-DC converter is also presented in the work. This method is significantly inferior to the OTMIC control in the system dynamics. However, it can find its application in inexpensive and low and middle-power mobile applications due its simplicity. In addition, the converter optimization algorithm can be used in systems where dimensions, weight and loss of the electric drive elements matter. The control methods presented in this paper can be applied to standard PMSMs with high inductance. Thus, this dissertation covers the main range of tasks that arise during designing of control systems for low-inductance and high-power electric drives based on the PMSMs. Moreover, the algorithms presented in this dissertation can also be applied to conventional PMSM drives with high phase inductance.