The first part of this work explains the basics for control of synchronous machines. The model of the permanent magnet synchronous machine, two point voltage source inverter and the pulse width modulation technique are described respectively. Afterwards the field oriented control is illustrated. Following, an overview of sensorless control techniques for standstill and higher speeds is given. The techniques chosen to cover the whole speed range – integration of voltage and injection of a rotating carrier signal with direct phase analysis – are explained in detail. This includes the demodulation of the high frequency (HF) current space phasor for extracting the position signals with synchronous-frame-filtering and bandpass-highpass-combination. The standard technique for estimating the starting position using the HF signal and the cross saturation effect is also described. For the practical demonstration a two-phase hybrid stepper motor (HSM) with 50 pole pairs, characterized by nearly identical Ld/Lq and pronounced iron saturation, was chosen. The HSM causes a significant undesired harmonic in the HF current vector. The compensation of the undesired anisotropy is realized with an anisotropy model, which is described in detail. A theoretical analysis, backed up with practical measurements, demonstrates that small angle errors cause inaccuracies in the cross saturation compensation and the anisotropy model. This leads to instabilities at specific rotor positions. Resulting from the saturation characteristics of the HSM, small shifts of the injected current space phasor, like those caused by angle errors, change the amplitude of the HF positive sequence. A newly designed HF-amplitude-controller is used to register these changes and generate a correction angle to stabilize the sensorless control. For this purpose correction factors calculated from the motor parameters are used. Final tests show, that the HF-amplitude-controller allows loads up to 1.5 nominal torque at standstill and enables the control to exceed the dynamic limits given by the signal processing for a short time. The observed dynamics are sufficient for industrial applications with moderate dynamic requirements.
Im ersten Teil der Arbeit werden die wichtigsten Grundlagen zur Regelung von Synchronmaschinen aufgeführt. Im Einzelnen wird das Modell der PMSM, der Zweipunkt-Wechselrichters und das Verfahren der Pulsweitenmodulation vorgestellt. Anschließend wird die Feldorientierte Regelung erläutert Es folgt eine Übersicht gängiger Verfahren zur sensorlosen Regelung für Stillstand und mittlere/hohe Drehzahlen. Die zur Abdeckung des gesamten Drehzahlbereiches gewählten Verfahren - Integration der Spannung und Einspeisung eines rotierenden Trägersignals mit direkter Winkelauswertung – werden detailliert beschrieben. Unter anderem wird dabei die Demodulation des hochfrequenten (HF) Stromraumzeigers zur Extraktion der Positionssignale mit synchronous-frame-filtering und Bandpass-Hochpass-Kombination hergeleitet. Auch das Standardverfahren zur Bestimmung der Startposition mittels HF-Signal und der Effekt der Kreuzsättigung werden beschrieben. Für die praktische Umsetzung wird ein zweiphasiger Hybridschrittmotor (HSM) mit 50 Polpaaren gewählt, der sich durch nahezu identisches Ld/Lq und eine ausgeprägte Eisensättigung auszeichnet. Der HSM erzeugt eine ausgeprägte Harmonische im HF-Stromraumzeiger. Die Kompensation dieser unerwünschten Anisotropie erfolgt mit Hilfe eines Anisotropiemodells, welches im Detail beschrieben wird. Eine theoretische Abhandlung, untermauert mit Messungen, demonstriert, dass kleine Winkelfehler an bestimmten Rotorpositionen aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Kreuzsättigungskompensation und im Anisotropiemodell zur Instabilität führen. Das Sättigungsverhalten des HSM sorgt dafür, dass kleine Verschiebungen des eingeprägten Stromvektors, wie sie durch Winkelfehler entstehen, die Amplitude des HF-Mitsystems verändern. Ein neu entwickelter HF-Mitsystem-Regler wertet diese Änderungen aus und erzeugt einen Korrekturwinkel zur Stabilisierung der sensorlosen Regelung. Dazu werden aus Motorparametern berechnete Korrekturfaktoren eingesetzt. Abschließende Tests demonstrieren, dass eine Belastung mit 1,5*Nennmoment auch im Stillstand möglich ist und der HF-Mitsystem-Regler eine kurzzeitige Überschreitung der dynamischen Grenzen (durch Signalverarbeitung gegeben) erlaubt. Die erreichten Dynamiken sind für industrielle Anwendungen mit moderaten Dynamikanforderungen ausreichend.