Ganzheitliche Modellbildung, Regelungssynthese und Auslegungssystematik für örtlich konzentrierte Mehrmotorenantriebssysteme - Fortsetzungsantrag

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Joachim Böcker
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389029890

Gegenstand des 2017 bewilligten Projekts waren industrielle rekonfigurierbare Mehrmotorenantriebssysteme, d. h. Antriebssysteme, bei denen mehrere über ein Getriebe zusammengeschaltete Asynchronmotoren die geforderte Leistung bereitstellen. Das Projekt wurde von zwei Fachgebieten der Universität Paderborn bearbeitet, um sowohl die elektrotechnischen als auch die maschinenbaulichen Aspekte zu analysieren und zu modellieren. Während der Forschungsarbeiten zu den elektrotechnischen Schwerpunkten durch das Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik (LEA) ergaben sich neue Fragestellungen, die in einem einjährigen Folgeprojekt bearbeitet werden sollen. Im vorangegangenen Projekt erarbeitete LEA zunächst Modelle des Umrichters, mit denen die Strangspannungen eines geregelten Asynchronmotors mit hoher Genauigkeit geschätzt werden können. Basierend auf dieser Spannungsschätzung und der Modellierung zahlreicher nichtlinearer elektromagnetischer Effekte des Asynchronmotors wurde eine Struktur zur genauen Drehmoment- und Verlustschätzung abgeleitet. Die darin enthaltenen Modellparameter werden mittels am Prüfstand aufgenommener Messdaten offline identifiziert. Dieses Verfahren wurde mit einem thermischen Modell kombiniert und erstmalig gezeigt, dass eine simultane elektrisch-thermische Modellierung und Offline-Identifikation hohes Potential sowohl für eine präzise Drehmomentregelung als auch für eine effiziente Betriebsstrategie bietet. Diese Hauptergebnisse des Vorprojekts wurden in verschiedenen Konferenz- und Journalbeiträgen publiziert. Bislang wurden die elektrischen und thermischen Teilmodelle nur geringfügig verkoppelt. Im Anschlussprojekt erfolgt nun die Integration beider Domänen hinsichtlich weiterer wichtiger Aspekte wie dem thermischen Einfluss auf das Sättiungsverhalten des Motors und auf den Skin-Effekt in den elektrischen Leitern, so dass eine hochpräzise Drehmoment- und Temperaturschätzung eines Asynchronmotors ermöglicht und so das gesamte Potential des Ansatzes genutzt wird. Aus diesem Mehr-Domänen-Modell wird im nächsten Schritt eine adaptive Betriebsstrategie abgeleitet, um einen gegebenen Motor im kompletten Betriebsbereich effizienzoptimal und dennoch mit geringen Anforderungen an die notwendige Regelungshardware betreiben zu können. In der Literatur werden meist nur einzelne Nichtlinearitäten des Motors in der Drehmomentregelung bzw. in der Betriebsstrategie berücksichtigt, wodurch signifikante Ungenauigkeiten bzw. vermeidbare Verluste entstehen. Weitere Punkte im Folgeprojekt betreffen das strukturierte Vorgehen zur optimierten Messdatenaufnahme für die Offline-Identifikation sowie eine detaillierte Beurteilung, inwiefern auf einzelne Messgrößen (z. B. die Rotortemperatur) bei der Identifikation verzichtet werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen