Nichtlineare modellprädiktive Drehmomentregelung elektrischer Antriebssysteme für hochdynamische Anwendungen

Nichtlineare modellprädiktive Regelungsverfahren werden zunehmend zum performanten Betrieb nichtlinearer Mehrgrößensystemen eingesetzt. Der Grund hierfür liegt nicht zuletzt in der systematischen Berücksichtigung von (nichtlinearen) Beschränkungen. Typischerweise liegen die Abtastzeiten solcher Systeme im (Sub-)Millisekundenbereich und die Regelung muss in einem eingebetteten System mit begrenzten Ressourcen implementiert werden. Insbesondere in zeitkritischen Anwendungen mit limitierter Rechenleistung ist die echtzeitfähige Umsetzung von MPC-Algorithmen nach wie vor eine große Herausforderung.

Mit einer nichtlinearen Dynamik, Abtastzeiten im dreistelligen Mikrosekundenbereich und nichtlinearen Beschränkungen stellt die Drehmomentregelung elektrischer Drehstrommaschinen exakt solch eine Herausforderung dar. Um dieser Aufgabenstellung zu begegnen, wird im Rahmen dieser Arbeit ein MPC-Verfahren zur schnellen und energieeffizienten Drehmomentregelung von permanenterregten Synchronmaschinen (PMSMs) und Asynchronmaschinen (ASMs) unter Berücksichtigung der Beschränkungen in der Phasenspannung sowie im Phasen- und Zwischenkreisstrom entwickelt.

Zur Erhöhung der Energieeffizienz im Hinblick auf die Kupferverluste wird in dieser Arbeit zudem sowohl für die PMSM als auch für die ASM eine neue Sollstromvorgabe vorgestellt. Die Berechnung der Sollwerte basiert auf einem hierarchischen, statischen Optimierungsproblem und stellt sicher, dass die so berechneten Sollwerte stationär alle Beschränkungen erfüllen.

Experimentelle Ergebnisse verdeutlichen die Performance der vorgestellten Regelungen in zahlreichen Szenarien. Um die erzielten Ergebnisse besser einordnen zu können, wird bei beiden Maschinen zum Vergleich auch eine klassische feldorientierte Regelung implementiert.