Optimierungspotenzial bei Servoumrichtern für permanenterregte Synchronmaschinen

Gröling, Christian

Ziel dieser Arbeit ist es, weitere Verbesserungspotenziale in der Regelung von permanenterregten Synchronmaschinen zur Anwendung in der Servotechnik aufzuzeigen. Hierzu wurde ein auf einem FPGA basierendes Referenzsystem aufgebaut. Die Komponenten dieses Systems sind gleich- oder höherwertig zu am Markt verfügbaren Standardlösungen, so dass diese damit mühelos abgebildet werden können. Das Referenzsystem wird zur Untersuchung neuer Techniken (z.B. Überabtastung) und Technologien verwendet, um deren Nutzen im Bereich der Servotechnik anhand von Messungen und Versuchen zu quantifizieren. Der Fokus der Untersuchungen liegt hierbei auf den Kerneigenschaften Dynamik und Genauigkeit, die bei jeder Servo-Anwendung eine hohe Relevanz haben. Die dynamischen Eigenschaften eines Servoregelkreises werden hauptsächlich von Rechen- und Laufzeiten beeinflusst. Dem Stromregelkreis als innerstem Regelkreis einer Servoregelung kommt hierbei eine entscheidende Bedeutung zu. In dieser Arbeit wird eine Methode vorgestellt, um mit Hilfe eines FPGAs und schneller A/D-Wandler die Rechen- und Laufzeiten des Stromreglers derart zu reduzieren, dass sie vernachlässigbar klein werden. Das Resultat ist eine entscheidende Dynamiksteigerung der Antriebsregelung. Zur Ausnutzung dieses Dynamikvorteils wird eine alternative Implementierung eines Luenberger Geschwindigkeitsbeobachters vorgestellt. Dieser wurde derart erweitert, dass eine spezifische hochfrequente Resonanz auf dem Winkelistwert ausgeblendet werden kann ohne das zusätzliche Verzögerungen entstehen. Zur Verbesserung der Kerneigenschaft Genauigkeit werden systematische sowie stochastische Fehler auf den Zustandsgrößen "Strom" und "Winkel" untersucht und falls möglich kompensiert. Die Reduktion stochastischer Fehler erfolgt hierbei durch Überabtastung der Sensorsignale. Die Betrachtung der systematischen Fehler erstreckt sich auf umdrehungssynchrone Fehler des Lagesensors und Hochfrequenzabweichungen auf den Strommessungen.

This thesis points out further potential for improvements for the control of permanent magnet excited synchronous machines in servo applications. A FPGA based reference system has been designed whose components are either equivalent or of higher value to these of available standard solutions. Therefore common servo drive solutions can be easily emulated within the reference set-up. Consequently, the system is used to investigate advanced techniques (e.g. Oversampling) and technologies and to evaluate their benefits for servo applications. The investigations focus on the major factors "dynamic" and "accuracy" which play an important role in every servo application. The dynamic characteristics of a control loop are mainly determined by computing time and signal delays. The current control loop as the innermost controller in a cascaded control scheme has a major significance for the maximal dynamic of the system. This thesis presents a new method to reduce computing time and signal delays of the current controller so that they become negligibly small. This is achieved by the use of FPGAs and high speed A/D converters. It results in a significant increase of dynamic for the entire cascaded control. In order to make use of the dynamic gain, an alternative implementation of a Luenberg observer is presented. In comparison to common observer structures it was extended to remove a specific mech. resonance frequency from the actual position without causing additional delays. Thus the operation of the servo control with full dynamic is possible. To further improve the accuracy of the system, systematical and stochastic errors on the state variables "current" and "position" are investigated and, if possible, compensated. A decrease of stochastic errors is achieved by oversampling methods, which are performed on the FPGA. The examination of systematic errors takes into account angle dependent errors of the position sensor and high frequency deviations on the current measurement.

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Gröling, Christian: Optimierungspotenzial bei Servoumrichtern für permanenterregte Synchronmaschinen. 2009.

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