Modellbasierte prädiktive Regelung und Fehlererkennung für permanenterregte Synchronmaschinen

Abstract

Elektrische Antriebe nehmen heute einen großen Stellwert in den Ingenieurswissenschaften ein. Sie ermöglichen die Automatisierung vieler komplexer Prozesse und setzen dabei neue Maßstäbe in der Präzision und Effizienz. Doch damit steigen auch die Anforderungen an den Antrieb und seine Regelung. Insbesondere ist der Trend zu einer „intelligenten Regelung“ mit Zustandsüberwachung und Fehlertoleranz zu verzeichnen. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Erforschung dieses Themas leisten. In ihrem Rahmen wird eine in der Antriebstechnik populär werdende Regelstrategie der modellbasierten prädiktiven Regelung (kurz MPC) auf den Einsatz als fehlertolerante Regelstrategie mit integrierter Echtzeit-Fehlererkennung untersucht. Dafür wird im ersten Teil der Arbeit eine direkte Positionsregelung der permanenterregten Synchronmaschine (kurz PMSM) auf Basis von MPC entwickelt. Bei der Berechnung der Stellgrößentrajektorie berücksichtigt der entwickelte Regelalgorithmus explizit die vorhandenen Spannungs- und Stromgrenzen. Weiterhin wird ein Überschwingen der Rotorposition als Regelgröße durch eine weiche Begrenzung minimiert. Die Experimentalergebnisse belegen die eindeutige Überlegenheit des entwickelten Regelalgorithmus gegenüber der klassischen PI-basierten feldorientierten Regelung sowohl in Bezug auf das Führungsverhalten, als auch auf das Störverhalten, was auf die bessere Ausnutzung der Systemgrößen durch die explizite Berücksichtigung der Beschränkungen zurückzuführen ist. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit den Möglichkeiten, die der Einsatz der MPC als Regelstrategie in Bezug auf die Fehlererkennung eröffnet. Dies wird an zwei konkreten Fehlerarten, dem Zwischenwindungskurzschluss und der offenen Phase analysiert. Die entwickelte Fehlererkennungsstrategie nutzt die der MPC innewohnende Prädiktion zur Berechnung des Residuums zwischen der erwarteten und eingetretenen Systemreaktion. Dadurch wird das Führungsverhalten des Systems eliminiert und die fehlerspezifischen Merkmale erscheinen klarer. Speziell für die Erkennung eines Zwischenwindungskurzschlusses wird weiterhin ein neues Koordinatensystem eingeführt, was die Detektion auch unter nicht-stationären Bedingungen erlaubt. Die anschließenden Experimentalergebnisse bestätigen eine schnelle und zuverlässige Fehlererkennung selbst im transienten Zustand. Schließlich fließen die Ergebnisse aus dem ersten und zweiten Teil in einen im dritten Teil dieser Arbeit entwickelten fehlertoleranten Regelalgorithmus für eine Drehmomentregelung MPC-Basis ein. Die Fehlertoleranz bezieht sich weiterhin auf den Zwischenwindungskurzschluss und eine offene Phase und bedarf einer Hardwareanpassung in Form eines mit dem Zwischenkreis des Wechselrichters verbunden Neutralleiters. Der entwickelte Regelalgorithmus benötigt keine Strukturanpassung beim Übergang vom fehlerfreien Zustand zum Fehlerfall, wie die meisten fehlertoleranten Regelstrategien mit dieser Hardwaretopologie. Dies wird unter anderem durch eine explizite Regelung des Neutralleiterstroms erreicht. Die Experimentalergebnisse bestätigen eine sehr dynamische, fehlertolerante Regelperformance mit einem im Drehmomentverlauf kaum erkennbaren Übergang vom fehlerfreien Zustand zum Fehlerfall.

Electric drives play a major role in engineering today. They make the automation of many complex processes possible and set new standards in precision and efficiency. But this also increases the demands on the drive and its control. In particular, there is a trend towards intelligent control with condition monitoring and fault tolerance. The present work is intended to contribute to research into this topic. In this context, model-based predictive control (MPC) that is becoming popular in drive technology is being investigated for use as a fault-tolerant control strategy with integrated real-time fault detection. For this purpose, in the first part of the thesis, a direct position control of the permanent magnet synchronous motor (PMSM) is developed based on MPC. When calculating the control variable trajectory, the developed control algorithm explicitly considers the existing voltage and current limits. Furthermore, overshoot of the rotor position as a controlled variable is minimized by a soft constraint. The experimental results demonstrate the clear superiority of the developed control algorithm compared to the classic PI-based field-oriented control in terms of both reference and disturbance behavior, which is due to the better utilization of the system variables by explicitly taking the constraints into account. The second part of the dissertation deals with the possibilities that the use of the MPC opens up with regard to fault detection. This is analyzed using two specific types of faults, the inter-turn short circuit and the open phase. The developed fault detection strategy uses the MPC’s inherent prediction to calculate the residual between the expected and the occurring system response. This eliminates the reference behavior of the system and the fault-specific pattern appears more clearly. Futhermore, for the detection of an inter-turn short circuit, a new coordinate system has been presented, which allows detection even under non-stationary conditions. The subsequent experimental results confirm rapid and reliable fault detection even in the transient state. Finally, the results from the first and second part flow into a fault-tolerant torque control algorithm, based on MPC and developed in the third part of this work. Again, the fault tolerance relates to the inter-turn short circuit and an open phase and requires hardware modification in the form of a neutral conductor connected to the DC-link bus of the inverter. The developed control algorithm does not require any structural adjustment when transitioning from the fault-free state to the fault, like most fault-tolerant control strategies with this hardware topology. This is achieved, among other things, by explicitly regulating the neutral conductor current. The experimental results confirm a very dynamic, fault-tolerant control performance with a transition from the fault-free state to the fault that is hardly noticeable in the torque curve.