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Titelaufnahme

  • Titel
    Model-predictive direct self-control for optimal voltage utilization of permanent magnet synchronous machine drives / by Mario Peña López ; first reviewer: Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker, second reviewer: Prof. Dr. Fernando Briz
  • Autor
    López, Mario Peña
  • Gutachter
    Böcker, Joachim ; Briz, Fernando
  • Erschienen
    Paderborn, 2026
  • Umfang
    1 Online-Ressource (xv, 144 Seiten) : Illustrationen, Diagramme
  • Hochschulschrift
    Universität Paderborn, Dissertation, 2026
  • Anmerkung
    Tag der Verteidigung: 21.09.2026
  • Verteidigung
    2026-09-21
  • Sprache
    Englisch
  • Dokumenttyp
    Dissertation
  • Schlagwörter (GND)
    Paderborn
  • URN
    urn:nbn:de:hbz:466:2-59999 
  • DOI
    https://doi.org/10.17619/UNIPB/1-2761 
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Klassifikation
Zusammenfassung
  • Elektrische Antriebe sind ein wesentlicher Bestandteil von Transport- und Industrieanwendungen, und ihre Bedeutung nimmt weiter zu. Die Optimierung der Spannungsausnutzung kann ihre Effizienz sowie ihre Drehmoment- und Leistungsfähigkeit deutlich verbessern. Allerdings stoßen die meisten konventionellen Regelverfahren, wie die lineare feldorienterite Regelung (eng.: field-oriented control, FOC) in Kombination mit gängigen Pulsweitenmodulationsverfahren, hierbei an Grenzen. Trotz dieser Einschränkungen bleibt die FOC aufgrund ihrer Etabliertheit, ihrer relativen Einfachheit und weiterer Vorteile wie Robustheit, der Industriestandard bezüglich der Regelung von Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM). Vor diesem Hintergrund besteht das Ziel dieser Arbeit darin, eine Regelung mit geringem Rechenaufwand bereitzustellen, die zur Maximierung der Spannungsausnutzung (d. h. Blocktaktung) als ergänzende Erweiterung der industriellen Standard-FOC eingesetzt werden kann. Hierfür wird die modellprädiktive direkte Selbstregelung (eng.: model predictive direct self-control, MPDSC) vorgeschlagen. Diese Regelstrategie wurde für die zeitdiskrete Regelung hochausgenutzter PMSM Antriebe entwickelt, welche starke magnetische (Kreuz-)Sättigungseffekte sowie ein geringes Verhältnis von Abtast- zu Grundfrequenz aufweisen können. Die Strategie ist für den Einsatz bei hohen Drehzahlen vorgesehen, wenn die Maschine im Feldschwächbereich betrieben wird. Ein besonderer Fokus liegt auf dem Übergang zwischen MPDSC und FOC mit minimalen betrieblichen Beeinträchtigungen. Darüber hinaus werden Erweiterungen der Strategie betrachtet, die den Einsatz alternativer Schaltmuster im Vergleich zur Blocktaktung ermöglichen. Abschließend wird eine umfassende Robustheitsanalyse durchgeführt, um das Verhalten des Regelung gegenüber Parameterabweichung, Strögrößen und Messrauschen zu untersuchen. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich nicht nur für Fertigungs- und Automatisierungsantriebe, welche nahezu lineares Magnetisierungsverhalten aufweisen, sondern auch für hochausgenutzte Maschinen, wie sie typischerweise in Transportanwendungen zu finden sind. Es erreicht Blocktaktungsbetrieb mit präziser Drehmomentregelung sowie Robustheit gegenüber Störungen und Modellabweichungen. Umfassende simulative und experimentelle Untersuchungen zeigen die Leistungsfähigkeit der vorgeschlagenen MPDSC im Betrieb an der Spannungsgrenze.
Abstract
  • Electric drives are an integral part of transportation and industrial applications, and their importance continues to grow. The optimization of voltage utilization can significantly enhance their torque and power capabilities, as well as reduce losses in some operating points. However, most conventional control methods such as linear field-oriented control (FOC) in combination with standard pulse width modulation schemes face limitations in fully utilizing the available voltage. Despite these limitations, and due to its established history, relative simplicity, and other advantages such as robustness, FOC remains the industrial standard for controlling permanent magnet synchronous machine (PMSM) drives.Within this context, the goal of this work is to provide a control solution with low computational burden that allows maximization of voltage utilization (i.e., six-step operation) as a complementary addition to the industrial standard FOC. For this, the model predictive direct self-control (MPDSC) strategy is proposed. This control strategy has been developed for discrete-time control of highly utilized PMSMs, including significant magnetic (cross-)saturation and low sampling-to-fundamental-frequency ratio. This strategy is intended for use at high speed when the machine is operated in the flux-weakening range.Special focus is placed on the transition between MPDSC and FOC with minimal operational disruptions. Furthermore, enhancements to the strategy enabling the use of alternative switching patterns to six-step operation are considered. Finally, a comprehensive robustness analysis is provided to study the control performance when subjected to model inaccuracies, external disturbances and sensor noise. The proposed solution is suitable not only for industrial and automation drives with almost linear magnetic behavior, but also for highly utilized machines typically found in transportation applications. It achieves six-step operation with accurate torque control as well as robustness against disturbances and model inaccuracies. Comprehensive simulation and experimental results demonstrate the performance of the proposed MPDSC while operating at the voltage limit.
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