Modellprädiktive Direkte Drehmomentregelung permanent erregter Synchronmotoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Joachim Böcker
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316493223

Derzeit werden für Elektro- und Hybridfahrzeuge hauptsächlich permanent erregte Synchronmotoren mit eingebetteten Magneten (IPMSM) eingesetzt, die sich durch eine hohe Leistungs- und Drehmomentdichte sowie einen guten Wirkungsgrad auszeichnen. Zur Ausschöpfung des vollen Leistungspotentials eines IPMSM ist eine adäquate Regelung unerlässlich. Konventionelle Regelungen für IPMSM basieren derzeit auf PI-Stromreglern. Damit verglichen, besitzen Modellprädiktive Regelungen (MPC) das Potenzial einer deutlich besseren Regelperformance: Bei einer MPC ist im Regler ein Prozessmodell der Regelstrecke hinterlegt, mit dem der Regler in jedem Zeitschritt die optimale zukünftige Stellgröße ermittelt. Hierdurch weist die MPC eine Vielzahl an Vorteilen gegenüber der PI-Regelungsstruktur auf. Die online-Optimierung stellt jedoch enorme Anforderungen an die Rechenleistung. Neuartige Ansätze und heutige leistungsstarke Rechenhardware ermöglichen mittlerweile zwar den Einsatz von MPC für IPMSM, diese Ansätze bringen jedoch weitere Probleme wie eine hohe Strom- bzw. Drehmomentschwankung mit sich.Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines MPC-Verfahrens, welches auf die Regelung von IPMSM im Antriebsstrang von Automobilen zugeschnitten ist. Unter den möglichen Varianten wird der Ansatz der Direkten MPC verfolgt. Im Gegensatz zur klassischen MPC werden hierbei während der online-Optimierung nur die direkt durch den Umrichter realisierbaren Stellgrößen (die sich aus den möglichen Schaltzuständen ergeben) berücksichtigt. Hierdurch wird die Optimierung sehr ressourcensparend ausgeführt, so dass sich echtzeitfähige Online-MPC-Verfahren auf kostengünstiger Hardware realisieren lassen. Da die Berechnungen einfach parallelisiert werden können, bietet sich die Implementierung auf einem FPGA oder einer Multikern-Prozessorarchitektur an. Die MPC wird hier als Direkte Modellprädiktive Drehmomentregelung umgesetzt, wobei die Arbeitspunktwahl durch den inhärenten Optimierungsalgorithmus ausgeführt wird. Diese Arbeitspunktoptimierung trägt unter anderem zur Verlustminimierung bei. Zur Reduzierung der Strom- bzw. Drehmomentschwankung wird die Pulssignalgenerierung neu entwickelt: Die Pulsmuster werden ähnlich wie bei der Vektormodulation in Abhängigkeit der Gütefunktionale optimiert. Dies führt zu einer Reduktion der Stromschwankung trotz relativ großer Reglerzykluszeit, so dass der Rechenaufwand hierdurch deutlich reduziert werden kann. Durch den Einsatz einer Selbstoptimierung zur Gewichtung des Gütefunktionals wird die Drehmomentdynamik für jeden Betriebspunkt online optimiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen