Selbstlernende sensorlose Antriebe

Aufgrund ihrer Robustheit, den geringen Kosten und den ausgezeichneten dynamischen Eigenschaften sind Antriebe mit Asynchronmaschinen in allen industriellen Anwendungen heutzutage weit verbreitet. Durch den ständig steigenden Kostendruck hat sich in den vergangenen Jahren ein eigener Forschungszweig gebildet, mit dem Ziel den mechanischen Sensor an der Rotorwelle zu eliminieren. Nach dem derzeitigen Wissenstand ist eine mechanisch sensorlose Regelung im Bereich geringer elektrischer Drehzahl (Statorfrequenz gleich null) nur möglich, wenn zusätzlich zur Grundwelle auch die hochfrequenten bzw. transienten elektrischen Eigenschaften der Maschine berücksichtigt werden. Wird eine hochfrequente oder transiente elektrische Anregung zusätzlich zur Grundwellenspannung durch den Wechselrichter realisiert, so kann die resultierende Stromantwort der Maschine gemessen und ausgewertet werden. Diese transiente Stromantwort wird durch Asymmetrien in der Maschine, hervorgerufen beispielsweise durch räumliche Sättigung oder Nutung, moduliert. Durch geeignete Algorithmen kann so die zur hochdynamischen Regelung der Maschine benötigte Rotor- bzw. Flussposition errechnet werden. All diese Methoden, die auf einer zusätzlichen Anregung der Maschine basieren, sind bei Verwendung der Asynchronmaschine derzeit noch auf den Laborbereich beschränkt. Es gibt noch keine Berichte von industriellen Anwendungen. In dem beantragten Projekt sollen zwei der aktuellen Hauptprobleme bei der sensorlosen Regelung untersucht und gelöst werden. Ein Problem ist die aufwendige Bestimmung aller notwendigen Regelungsparameter. Da sowohl das Design der Maschine und des Wechselrichters, als auch die Art der Anregung einen großen Einfluss auf die Signale haben, müssen derzeit bei jeder Änderung von Maschine, Wechselrichter, oder Anregung aufwendige Messreihen von Spezialisten durchgeführt werden. Im Rahmen des Projektes sollen Neuronale Netze, Beobachteransätze und klassische Optimierungsmethoden angewandt werden, um die optimalen Werte aller benötigten Parameter zu bestimmen. Dieser Bestimmungsvorgang soll selbsttätig ablaufen, und ohne Verwendung aufwendiger Messeinrichtungen. Das zweite Problem ist die Trennung der unterschiedlichen Signalanteile im resultierenden Regelsignal. In jeder Maschinen sind ständig flussfeste und rotorfeste Asymmetrien vorhanden. In einigen Betriebspunkten kommt es daher zu einer Überlappung der Frequenzen von flussfester und rotorfester Asymmetrie. Eine Rekonstruktion der einzelnen Signalanteile ist dann in der Realität kaum noch möglich. Durch die Kombination von Demodulationsverfahren und Zustandsbeobachtern soll eine Stabilisierung in diesen kritischen Betriebspunkten erreicht werden. Dadurch kann die Qualität von sensorlosen Drehmoment-, Drehzahl- bzw. Positionsregelungen erhöht werden.

In den letzten Jahrzehnten hat die Verbreitung umrichtergespeister Antriebe ständig zugenommen. Im Vergleich zu direkt ans elektrische Netz gekoppelten Maschinen bietet der Betrieb mit Umrichtern die Vorteile der Drehzahlvariabilität und hohen Dynamik. Aufgrund ihrer Robustheit und ihres relativ niedrigen Preises ist die Asynchronmaschine der am weitesten verbreitete Maschinentyp. Um eine Regelung dieser Maschinen im gesamten Drehzahl- und Momentenbereich realisieren zu können, ist die genaue Kenntnis der Rotor- und/oder Flussposition nötig. Am Anfang der Entwicklung der Regelung von Asynchronmaschinen wurden hierfür zusätzliche Sensoren angebracht, welche die Flussinformation lieferten. Diese Sensoren und speziell die zusätzlich notwendige Verkabelung stellen eine weitere Quelle für einen Ausfall des gesamten Antriebssystems dar. Heutzutage werden mathematische Maschinenmodelle zur Ermittlung der Flussinformation, welche für die Regelung der Maschine nötig ist, verwendet. Dies führt zu einer erhöhten Zuverlässigkeit des Antriebs. In bestimmten Arbeitspunkten können diese Modelle die benötigte Information ohne einen zusätzlichen Drehzahlsensor jedoch nicht liefern. Demzufolge ist auch für diesen Ansatz eine weitere Komponente nötig. Dies führt zu erhöhten Kosten und einer Zunahme der Größe, sowie wiederum zu einer Verminderung der Zuverlässigkeit des Antriebs. Für eine zuverlässige Regelung der Asynchronmaschine muss im Weiteren auch die genaue Kenntnis über die elektrischen Parameter der Maschine sichergestellt werden. Ziel dieses Projekts war es, eine Regelungsstruktur zu entwickeln, welche den Betrieb der Maschine am Umrichter ohne zusätzliche Sensoren ermöglicht. Durch Anlegen von Testspannungen an die Maschine und Messungen der Stromantwort ist es möglich, ein Signal zu berechnen, welches die Information über die Rotor- und/oder Flussposition beinhaltet. Die einzigen Sensoren, die dafür benötigt werden, sind die Stromsensoren, welche in modernen Antriebssystemen bereits vorhanden sind. Da das Design der Maschine sowie des Umrichters sehr großen Einfluss auf das Regelungssignal hat, wird eine große Anzahl an Parametern zur Inbetriebnahme der sensorlosen Maschinenregelung eines neuen Antriebssystems benötigt. Die Einstellung der Regelung ist daher sehr zeitaufwendig und muss von einem erfahrenen Ingenieur durchgeführt werden. Um einer praktischen Anwendung der sensorlosen Regelung näher zu kommen, war es eines der Hauptziele dieses Projekts, eine Methode zu entwickeln, die eine weitgehend automatisierte Bestimmung der benötigten Parameter ermöglicht. Die Einstellung der Regelung kann nun ohne erfahrenen Ingenieur und sogar ohne spezielle Test- und Messgeräte durchgeführt werden. In bestimmten Arbeitspunkten der Maschine beinhaltet das Regelungssignal störende Komponenten. Daher war das zweite Hauptziel des Projekts diese Komponenten von der Information, welche für die Regelung benötigt wird zu separieren. Die Ergebnisse des Projekts sind sehr vielversprechend und bedeuten einen weiteren Schritt in Richtung industrieller Anwendung der sensorlosen Regelung von Asynchronmaschinen.