Fortschritte bei der digitalen Signalverarbeitung Sensorlose Vektorsteuerung für hocheffiziente Antriebe

Neue Modellierungstechniken, die das dynamische Verhalten von Motor- und Leistungsstufen optimieren, steigern deren Effizienz. Neben der genauen Ansteuerung von Motoren lassen diese Techniken auch dazu nutzen, um auf Änderungen im Systemverhalten in Echtzeit zu reagieren. Die sensorlose Vektorsteuerung erhöht die Leistungsfähigkeit von Motorsystemen und senkt den Stromverbrauch.

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Neue Motorsteuerungstechniken, die auf digitaler Signalverarbeitungstechnik der nächsten Generation basieren, werden den Einsatz fortschrittlicher Steuerungskonzepte weiter beschleunigen. Den jüngsten Entwicklungen bei Permanentmagnetwerkstoffen ist es zu verdanken, dass der Einsatz permanentmagnetisch erregter Synchronmotoren (PMSMs) in leistungsstarken Antrieben mit variablen Drehzahlen eine ständig neue Dynamik erfährt. Dies gilt speziell für Industrieanwendungen. Zu den Vorteilen, die sich beim Einsatz von Antrieben mit PMSMs ergeben, zählen ein günstiges Verhältnis zwischen Drehmoment und Gewicht, ein hoher Leistungsfaktor, kürzere Reaktionszeiten, eine robuste Konstruktion, eine einfache Wartung und Steuerung sowie ein hoher Wirkungsgrad.

Für hochpräzise Drehzahl- und/oder Positionsregelungen müssen die genaue Rotorposition und Geschwindigkeit bekannt sein, damit die Phasenerregungsimpulse auf die Rotorposition synchronisiert werden können. Dies erfordert den Einsatz von Geschwindigkeits- und Positionssensoren wie Absolut-Encoder und magnetische Resolver an der Motorwelle. In den meisten Anwendungen bringen diese Sensoren jedoch verschiedene Nachteile wie reduzierte Zuverlässigkeit, Störempfindlichkeit, Zusatzkosten und -gewicht mit sich und erhöhen zudem die Komplexität des Antriebssystems. Die sensorlose Vektorsteuerung macht Geschwindigkeits- und Lagesensoren überflüssig und umgeht die genannten Nachteile.

In jüngster Vergangenheit wurden in der Literatur mehrere Lösungen vorgestellt, welche sich mit Möglichkeiten zur sensorlosen Drehzahl- und Lageregelung von PMSMs befassen. Drei Basistechniken zur Abschätzung der Rotorposition von PMSM-Antrieben wurden entwickelt:

• Techniken auf Basis der Gegen-EMK-Abschätzung (Back-Electromotive-Force, Back-EMF oder Gegeninduktionsspannung)
• Techniken auf Basis von Zustandsüberwachungen und „Extended Kalman Filter“ (EKF)
• Andere Techniken auf Basis von „Spatial Saliency Tracking“ – Initialpositionierung

Gegen-EMK-Techniken und Abschätzung

Bei der Positionsabschätzung auf der Basis von Gegen-EMK-Techniken werden der Magnetfluss und die Geschwindigkeit aus den Spannungs- und Stromwerten abgeschätzt. Eine besonders hohe Empfindlichkeit ergibt sich beim Statorwiderstand bei niedrigen Geschwindigkeiten. Gegen-EMK-Techniken ermöglichen jedoch nur bei mittleren und hohen Drehzahlen eine gute Positionsabschätzung. Bei niedrigen Drehzahlen werden keine brauchbaren Ergebnisse erzielt. Da beim Anlaufen eines Motors keine Gegen-EMK vorhanden ist, lässt sich die Anfangsposition des Rotors unmöglich bestimmen. Allerdings gibt es Abschätzungstechniken, die man hier verwenden kann.

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