Modellprädiktive Regelung permanent erregter Synchronmotoren im Antriebsstrang von Automobilen

Zur Ausschöpfung des vollen Leistungspotentials von permanent erregten Synchronmotoren mit eingebetteten Magneten (IPMSM) im Antriebsstrang von Automobilen ist eine adäquate Regelung unerlässlich. Konventionelle Regelungen basieren derzeit meist auf PI-Stromreglern, obwohl Modellprädiktive Regelungen (MPCs) eine deutlich bessere Regelperformance besitzen: Eine MPC ermöglicht durch Auswertung eines Prozessmodells die Berechnung optimaler zukünftiger Stellgrößen. Eine echtzeitfähige Implementierung dieser Berechnungen stellt jedoch – insbesondere bei Systemen mit kleinen Zeitkonstanten, wie dem betrachteten IPMSM – enorme Anforderungen an die Rechenleistung.

In der vorliegenden Arbeit wird ein MPC-Verfahren entwickelt, welches speziell auf die Regelung von IPMSM im Antriebsstrang von Automobilen ausgelegt ist. Im Gegensatz zur klassischen MPC berücksichtigt dieses als Vektor-MPC bezeichnete Verfahren während der online-Optimierung nur die durch den Umrichter realisierbaren Stellgrößen. Hierdurch kann die Optimierung sehr ressourcensparend durchgeführt werden und auch für Systeme mit Zeitkonstanten im Millisekunden-Bereich sind echtzeitfähige online-MPCs realisierbar. Im Gegensatz zur klassischen MPC zeichnet sich die Vektor-MPC zudem durch die Möglichkeit einer parallelen Berechnung aus und bietet sich damit für eine Implementierung auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array) an.

Das Verfahren der Vektor-MPC wird in der vorliegenden Arbeit zunächst mit Hilfe von Simulationen für die Regelung des IPMSM optimiert, bevor die Regelung an einem Motor-Prüfstand implementiert wird. Die Echtzeitfähigkeit, die gute Regelperformance und die Verbesserung gegenüber einer PIRegelung werden anhand von Simulations- und Messergebnissen nachgewiesen.