Modellierung und Regelung von Transversalflussmaschinen unter Berücksichtigung harmonischer Stromkomponenten

Klöck, Jan

In modernen Anwendungen ist der Stromregelkreis der innerste Regelkreis einer Antriebsregelkaskade für elektrische Maschinen. Dieser bestimmt maßgeblich die erzielbare Leistungsfähigkeit der gesamten Antriebsregelung. Die Anforderungen an die Dynamik und Genauigkeit eines geschlossenen Stromregelkreises sind insbesondere bei Transversalflussmaschinen sehr hoch, um einen hochdynamischen Betrieb mit geringer Drehmomentwelligkeit erzielen zu können. Die Eingrößen-Stromregelstrecke weist durch das elektromagnetische Verhalten der Maschine periodische Störgrößen und Parameterverläufe auf. Hieraus resultieren bei mangelhafter Kompensation dieser periodischen Signale Harmonische der Synchronfrequenz im Strangstrom. Um die gewünschte Genauigkeit der Stromregelung zu erzielen, muss das nichtlineare Verhalten der Maschine in der Regelung berücksichtigt werden. Inhalt dieser Arbeit ist die Herleitung eines dynamischen Modells der Transversalflussmaschine, welches die Dynamik des Strangsstromes für die Synchronfrequenz sowie ihre Harmonischen beschreibt. Es wird eine Transformation der Modellgleichungen vorgestellt, welche die Darstellung des eingeschwungenen Zustands des Wechselstromes einschließlich seiner Harmonischen durch Gleichgrößen ermöglicht. Die spektrale Beschreibung der Stromdynamik erlaubt die analytische Auslegung einer spektralen Zustandsregelung für Transversalflussmaschinen. Diese wird in Kombination mit einem multiresonanten Regler in einer Modellfolgeregelung eingesetzt. Die Identifikation der Streckenparameter wird ebenso wie die Regelung experimentell erprobt. Es werden sowohl permanenterregte Transversalflussmaschinen wie auch Transversalflussreluktanzmaschinen beschrieben.

In modern applications the phase current control loop represents the inner loop of a drive control system for electrical machines. It largely determines the achievable performance of the entire drive cascade. The dynamics and accuracy requirements of a closed loop phase current control system are very high, particularly for transverse flux machines, in order to achieve a highly dynamic operation with low torque ripple. The SISO plant of the phase current control loop shows periodic disturbances and parameters due to the electromagnetic behavior of the machine. This results in harmonics of the synchronous frequency in the phase current for an inadequate compensation of these periodic signals. In order to achieve the desired accuracy of the phase current control loop, the nonlinear behavior of the machine must be considered in the controller design. This work presents the derivation of a dynamic model of the transverse flux machine, which describes the dynamics of the synchronous frequency and its harmonics. A model transformation is introduced in order to describe the steady-state of the alternating phase current including its harmonics by a set of DC signals. The spectral description of the phase current dynamics allows the analytical derivation of a spectral state-feedback controller for transverse flux machines. This state-feedback controller is combined with a multi-resonant controller in a model-tracking control scheme. The identification procedure of the system parameters, and the control scheme are tested and validated experimentally. This work describes both permanent magnet excited transverse flux machines and transverse flux reluctance machines.

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Klöck, Jan: Modellierung und Regelung von Transversalflussmaschinen unter Berücksichtigung harmonischer Stromkomponenten. 2016.

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