Um die Leistungsdichte und Dynamik elektrischer Antriebe für gegebenen Maximalstrom und Zwischenkreisspannung zu maximieren, wird in dieser Arbeit eine modellprädiktive Flussregelung für Synchronmaschinen vorgestellt. Hierbei werden Arbeitspunkte für gegebene Referenzdrehmomente in kürzest möglicher Zeit erreicht, wobei transiente Überströme sowie Drehmomentüber- und unterschwinger verhindert werden. Zudem kann die gesamte Zwischenkreisspannung des Umrichters nahtlos von der linearen Modulation bis zur Übermodulation und Blocktaktung ausgenutzt werden. Dieser nahtlose Übergang wird durch einen harmonischen Referenzgenerator (HRG) ermöglicht, welcher unvermeidbaren Flussoberschwingungen im Übermodulationsbereich berechnet und zur mittleren Flussreferenz addiert. Das spezifische Schaltverhalten des Umrichters im Übermodulationsbereich wird durch eine Pulsunterdrückung sichergestellt. Dies führt zu einer ca. 10 % höheren Leistung des Antriebs über der Nenndrehzahl im Vergleich zu Regelungen, die auf den linearen Modulationsbereich beschränkt sind. Das Optimierungsproblem zur zeitoptimalen Regelung ohne Strom- und Drehmomentgrenzen wird in jedem Abtastschritt gelöst und über eine Vordrehung des Referenzflusses im statorfesten Koordinatensystem eingearbeitet. Transiente Überströme und Drehmomentüber- und unterschwinger werden durch Zustandsbeschränkungen der modellprädiktiven Flussregelung verhindert. Die Zeit bis zum Erreichen des Nennmoments ausgehend vom Nullmoment bei Nenndrehzahl konnte im Vergleich zur Proportional-Integral feldorientierte Regelung um 67 % und zu einem Dead-Beat-Regler um 57 % reduziert werden. Experimentelle und simulative Untersuchungen bestätigen zeitoptimales Regelverhalten der vorgestellten Regelung über den gesamten Modulationsbereich.

In order to maximize the power density and dynamics of electric drives for a given maximum current and DC-link voltage, a continuous control set model predictive flux control (CCS-MPFC) scheme for synchronous machines is presented in this work. Here, operating points for given reference torques are reached in the shortest possible time, i.e., time-optimal control performance, while transient overcurrents as well as torque overshoots and undershoots are prevented. In addition, the entire DC-link voltage of the inverter can be utilized seamlessly from linear modulation to overmodulation and six-step operation. This seamless transition is enabled by a harmonic reference generator, which calculates unavoidable flux harmonics in the overmodulation range and adds them to the mean flux reference. The specific switching behavior of the inverter in the overmodulation range is ensured by a pulse clipping scheme. This results in approx. 10 % higher power of the drive above the nominal speed compared to drive control schemes that are limited to the linear modulation range. The time-optimal control problem without current and torque limits is solved in each sampling period and incorporated via a pre-rotation of the reference flux in the stator-fixed coordinate system. To prevent transient overcurrents as well as torque overshoots and undershoots, current and torque limits are incorporated via state constraints of the CCS-MPFC. The time to reach the rated torque from zero torque at rated speed was reduced by 67 % compared to proportional-integral field-oriented control and by 57 % compared to a deadbeat controller. Experimental and simulative investigations confirm time-optimal control behavior of the proposed control method in the entire modulation range.