Ziel dieses Buches war der Entwurf und die Untersuchung einer hochdynamischen Drehmomentregelung für einen Elektro- bzw. Hybridfahrzeugantrieb mit permanentmagneterregter Synchronmaschine (PMSM). Im Kapitel 2 werden Zahnspulenwicklungen für die vorhandene modulare PMSM ausgelegt und die Maschinenparameter mit Hilfe vom Programm SPEED bestimmt. Gegenstand des Kapitels 3 ist das mathematische Modell der PMSM. Es wird dabei zuerst auf die Raumzeigerdarstellung und Koordinatentransformation eingegangen und anschließend ein Gleichungssystem aufgestellt, das PMSM vollständig beschreibt. Das Kapitel 4 behandelt das Prinzip der direkten Drehmomentregelung der PMSM. Es wird die Arbeitsweise von einzelnen Regelungskomponenten erklärt und es werden die Modelle für die PMSM, den Umrichter, den Statorfluss- und Drehmomentregler, und den Schätzungsblock in Simulink gebildet. Anschließende Simulationen in Simulink-Umgebung untersuchen sowohl das Regelungsverhalten bei unterschiedlichen Abtastzeiten als auch den Einfluss der Regler-Toleranzbandbreite auf die Umrichter-Schaltfrequenz. Der Inhalt des Kapitels 5 ist die Optimierung der Regelungskomponenten. Es wird eine Maximales-Drehmoment-pro-Statorfluss-Kurve als Verweistabelle in das vorhandene Simulink-Modell der Regelung eingefügt und die Kompensation der temperaturabhängigen Änderung des Statorwiderstands durch Einsatz des proportional-integralen Schätzers durchgeführt. Im Anschluss wird die Regelung im rotorflussfesten -Koordinatensystem als Alternative vorgestellt. Das Kapitel 6 ist der Realisierung der Regelung in FPGA gewidmet. Es wird zuerst auf Digitalisierung der Regelungskomponenten und FPGA-Entwurf eingegangen, dann die digitale Regelung mit Hilfe von Programm Altera DSP Builder und Hardwarebeschreibungssprache VHDL in Simulink-Umgebung nachgebildet und schließlich alle Komponenten der direkten Drehmomentregelung mittels Programm Altera Quartus II in FPGA implementiert. In Kapitel 7 werden die Ergebnisse dieses Buches abschließend zusammengefasst.
Inhaltsverzeichnis
1;Inhaltsverzeichnis;3 2;Kurzfassung;5 3;Abstract;5 4;1 Einführung;7 4.1;1.1 Motivation;7 4.2;1.2 PMSM für EV;8 4.3;1.3 FPGA-Technologie;11 5;2 Parametrisierung der modularen PMSM;13 5.1;2.1 Auslegung einer Zahnspulenwicklung;13 5.1.1;2.1.1 Besonderheiten der Zahnspulenwicklung;13 5.1.2;2.1.2 Auslegungsbedingungen;14 5.1.3;2.1.3 Die Entwurfsmethoden;16 5.1.4;2.1.4 Bewertung der Wicklungsentwürfe;21 5.2;2.2 Parametrisierung durch SPEED;24 5.2.1;2.2.1 Geometrische Abmessungen;24 5.2.2;2.2.2 Berechnung der Maschinenparameter;26 6;3 Das mathematische Modell der PMSM;31 6.1;3.1 Raumzeigerdarstellung;31 6.2;3.2 Koordinatentransformation;34 6.3;3.3 Gleichungssystem der PMSM;35 7;4 Prinzip der direkten Drehmomentregelung;43 7.1;4.1 Modell der PMSM;43 7.1.1;4.1.1 Transformation der Spannungen vom Dreiphasensystem dq-KOS;44 7.1.2;4.1.2 Elektrische Strecke der PMSM;45 7.1.3;4.1.3 Mechanische Strecke der PMSM;46 7.1.4;4.1.4 Transformation der Ströme vom dq-KOS in Dreiphasensystem;47 7.2;4.2 Umrichter-Modell;48 7.3;4.3 Regelung-Modell;52 7.4;4.4 Maschinenmodell (Schätzungsmodell);58 7.5;4.6 Schaltfrequenz-Analyse;61 7.6;4.7 PI-Drehzahlregler;66 7.7;4.8 Simulationsergebnisse;67 8;5 Optimierung der Regelungskomponenten;69 8.1;5.1 Optimierung des Statorfluss-Sollwertes;69 8.2;5.2 Direkte Drehmomentregelung in dq-KOS;72 8.3;5.3 Kompensation der temperaturabhängigen Statorwiderstandsänderung;76 9;6 Realisierung DTC-Regelung in FPGA;81 9.1;6.1 Digitalisierung;81 9.2;6.2 Diskretisierung der Regelstrecke;83 9.3;6.3 Digitalisierung der Regelungskomponenten;84 9.3.1;6.3.1 FPGA-Entwurf;84 9.3.2;6.3.2 Realisierung einer Totzeit im Umrichter;86 9.3.3;6.3.3 FPGA-Realisierung der Schalttabelle;87 9.3.4;6.3.4 FPGA-Realisierung der Verweistabelle des optimalen Flusses;89 9.3.5;6.3.5 Realisierung des Statorfluss- und Drehmomentreglers in FPGA;90 9.3.6;6.3.6 Digitaler PI-Drehzahlregler;92 9.3.7;6.3.7 Taktsteuerung - Umsetzung;93 9.3.8;6.3.8 Statorspannung-Berechnung;94 9.3.9;6.3.9 Spannungs- und S
trom-Transformationen;95 9.3.10;6.3.10 Sektorbestimmung;97 9.3.11;6.3.11Drehmoment-Schätzung;99 10;Zusammenfassung;101 11;Anhang A;103 12;Anhang B;111 13;Anhang C;113 13.1;Literaturverzeichnis;113 14;Anhang D;115 14.1;Abkürzungen und Formelzeichenverzeichnis;115 15;Anhang E;119 15.1;Tabellenverzeichnis;119 16;Anhang F;121 16.1;Abbildungsverzeichnis;121 17;Autorenprofil;125
