Regelung von direktangetriebenen elektrischen Maschinen für Verbrennungsmotoren

Abstract

Diese Arbeit handelt von der Regelung von elektrischen Maschinen, welche an einem Verbrennungsmotor direkt gekoppelt sind. Zu Beginn werden einige Grundlagen zur Regelung von permanent erregten Synchronmaschinen (PMSM) und die Funktionsweise von Vier-Takt-Ottomotoren erläutert. Es folgen dann die verschiedenen Versuchsaufbauten, die in dieser Arbeit genutzt wurden, um verschiedene mittelwertund dynamikbasierte Regelverfahren zu validieren. Zu den mittelwertbasierten Regelverfahren werden Verfahren gezählt, welche keine hochdynamische Drehmomentänderung innerhalb der vier Takte des Verbrennungsmotors benötigen. Hierzu gehört unter anderem die drosselklappenaktorlose Leistungsregelung. Das zu regelnde System ist nichtlinear. Zur Regelung des Systems wurde es zum einen mithilfe einer Taylorannäherung und zum anderen mit einer Ausgangsrückführung linearisiert. Zu dem linearisierten System konnte anschließend ein Regler ausgelegt werden. Ein weiteres mittelwertbasiertes Regelverfahren ist die winkelgeberlose Regelung. Hierbei wurden verschiedene Winkelschätzverfahren für die PMSM angewendet, um den elektrischen Winkel und das Drehmoment des Verbrennungsmotors zu schätzen, welches mit einem theoretischen Kompressionsdrehmoment verglichen wird, um den Kurbelwinkel zum elektrischen Winkel zu referenzieren. Die dynamikbasierten Regelverfahren sind Verfahren, welche innerhalb der vier Takte den Drehmoment-/ Kraftverlauf der elektrischen Maschine stark verändern. Hierdurch ist es unter anderem möglich, den Kolbenhubverlauf bei einem Verbrennungsmotor mit Kurbelwelle und bei einem Freikolbenmotor anzupassen. Außerdem kann die Einprägung eines hochdynamischen Drehmoments auf einer Nockenwelle dazu genutzt werden, um die Ventilsteuerzeiten zu variieren. Weiterhin wird eine hohe Regeldynamik benötigt, wenn eine nahezu konstante Drehzahl erforderlich ist. Hierfür muss ein Drehmoment eingeprägt werden, was das Drehmoment des Verbrennungsmotors kompensiert. Dies wird als Drehmomentdämpfung/-kompensation bezeichnet. Es wurden verschiedene Drehmomentdämpfungsmethoden getestet und die Ergebnisse nach Implementierungsaufwand und benötigten Sensoren verglichen

This work deals with the control of electrical machines that are directly coupled to an internal combustion engine. At the beginning, some basics for the control of permanently excited synchronous machines and the functioning of four-stroke gasoline engines are explained. This is followed by the various test setups that were used in this work to validate various average and dynamics-based control procedures. The average value-based control methods include methods that do not require a highly dynamic change in torque within the four cycles of the internal combustion engine. This includes throttle actuator-free power control. The system is nonlinear. To control the system, it was linearized on the one hand by using a Taylor approximation and on the other hand by using a feedback linearization. A controller could then be designed for the linearized system. Another control method, based on average values, is the control without an angle encoder. Here, angle estimation methods for the PMSM were used to estimate the electrical angle and the torque of the internal combustion engine, which is compared with a theoretical compression torque in order to reference the crank angle to the electrical angle. The dynamics-based control methods are methods that change the torque / force curve of the electrical machine significantly within the four cycles. This makes it possible, among other things, to adapt the piston stroke in an internal combustion engine with a crankshaft and in a free piston engine. In addition, the injection of a highly dynamic torque on a camshaft can be used to adjust the valve timing. High control dynamics are also necessary when an almost constant speed is required. For this, a torque must be applied, which compensates the torque of the internal combustion engine. This is known as torque damping / compensation. Different torque damping methods were tested and the results compared according to implementation effort and required sensors