Modellprädiktive Regelung permanent erregter Synchronmotoren im Antriebsstrang von Automobilen
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Zur Ausschöpfung des vollen Leistungspotentials von permanent erregten Synchronmotoren mit eingebetteten Magneten (IPMSM) im Antriebsstrang von Automobilen ist eine adäquate Regelung unerlässlich. Konventionelle Regelungen basieren derzeit meist auf PI-Stromreglern, obwohl Modellprädiktive Regelungen (MPCs) eine deutlich bessere Regelperformance besitzen: Eine MPC ermöglicht durch Auswertung eines Prozessmodells die Berechnung optimaler zukünftiger Stellgrößen. Eine echtzeitfähige Implementierung dieser Berechnungen stellt jedoch – insbesondere bei Systemen mit kleinen Zeitkonstanten, wie dem betrachteten IPMSM – enorme Anforderungen an die Rechenleistung. In der vorliegenden Arbeit wird ein MPC-Verfahren entwickelt, welches speziell auf die Regelung von IPMSM im Antriebsstrang von Automobilen ausgelegt ist. Im Gegensatz zur klassischen MPC berücksichtigt dieses als Vektor-MPC bezeichnete Verfahren während der online-Optimierung nur die durch den Umrichter realisierbaren Stellgrößen. Hierdurch kann die Optimierung sehr ressourcensparend durchgeführt werden und auch für Systeme mit Zeitkonstanten im Millisekunden-Bereich sind echtzeitfähige online-MPCs realisierbar. Im Gegensatz zur klassischen MPC zeichnet sich die Vektor-MPC zudem durch die Möglichkeit einer parallelen Berechnung aus und bietet sich damit für eine Implementierung auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array) an. Das Verfahren der Vektor-MPC wird in der vorliegenden Arbeit zunächst mit Hilfe von Simulationen für die Regelung des IPMSM optimiert, bevor die Regelung an einem Motor-Prüfstand implementiert wird. Die Echtzeitfähigkeit, die gute Regelperformance und die Verbesserung gegenüber einer PIRegelung werden anhand von Simulations- und Messergebnissen nachgewiesen.