Rekonfigurierbare Systeme zur Steigerung der Regelungsperformanz und Fehlertoleranz von frequenzvariablen Antrieben
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Motivation des Projekts „Rekonfigurierbare Antriebsregelung“ basiert auf der Vielfalt unterschiedlicher Regelungsverfahren für Asynchronmotorantriebe, die jeweils bedingt durch die Betriebssituation signifikante Unterschiede in der Regelungsperformanz aufweisen. Die Ausgangsfragestellung der Untersuchungen zielt auf eine mögliche Verbesserung der Regelungsperformanz und die Erhöhung der Fehlertoleranz im gesamten Drehzahlbereich des Antriebs. Im Rahmen der Untersuchungen sind die einzelnen Regelungsansätze zu einer dynamisch rekonfigurierbaren Gesamtregelungsstruktur auf einem einzigen FPGA-Baustein zusammengeführt worden. Anschließend konnte die situationsabhängige Umschaltung zwischen den jeweiligen parallel implementierten Regelungsverfahren untersucht und erfolgreich am Prüfstand validiert werden. Die Validierungsergebnisse zeigen, dass sich mit Hilfe der betriebspunktabhängigen Rekonfiguration Vorteile gegenüber einem rein feldorientiert geregelten Antrieb im gesamten Drehzahlbereich erzielen lassen. Im Spannungsstellbereich wird eine deutliche Steigerung der Drehmomentdynamik (besonders bei kleinen Drehzahlen) durch eine kurzweilige Umschaltung zur DTC erreicht. Beim Betrieb im Feldschwächbereich wird die Ausnutzung der installierten Leistung des Umrichters, aufgrund der besseren Ausnutzung der Zwischenkreisspannung durch den Übergang zur DTC erhöht. Zusätzlich wird dadurch die Rotorflussregelung im transienten Betrieb gegenüber der FOR verbessert. Neben der situationsabhängigen Rekonfiguration unterschiedlicher Regelungsansätze werden die Vorteile, die durch den Einsatz des FPGAs entstehen zur Erhöhung der Fehlertoleranz des Systems eingesetzt. Der Fokus richtet sich dabei auf die Detektion von Fehlern der Messsensorik und Einleitung von Maßnahmen zur Aufrechterhaltung des Betriebs. In diesem Kontext wird gezeigt, dass Fehler in den drei Stromsensoren und im Drehzahlsensor detektiert und durch Schätzwerte von Beobachtern ersetzt werden können. Hierzu genügt eine rein softwareseitig eingebrachte Redundanz, mit entsprechender Umstrukturierung der Gesamtregelungsstruktur in Abhängigkeit des vorliegenden Fehlerszenarios. Bei Ausfall aller zum Betrieb der Regelung notwendigen Sensorsignale wird der Antrieb mit verminderten Performanzeigenschaften im U/f-Betrieb weiterbetrieben, um die grundlegende Funktionalität aufrecht zu erhalten. Die Validierungsergebnisse am Prüfstand zeigen, dass mit der aufgebauten dynamisch rekonfigurierbaren Regelung die anfangs gestellten Zielstellungen erfüllt werden. Der Aufwand für Konzipierung und Implementierung der Gesamtregelungsstruktur ist allerdings unstrittig deutlich größer als bei einem Standardregelungsansatz. Dieser Aufwand ist zwar für Standardanwendungen nicht vertretbar, für Anwendungen mit besonderen Anforderungen bezüglich Dynamik, Spannungsausnutzung, Redundanz und Erhöhung der Fehlertoleranz (wie etwa Servoantriebe für Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen, Roboterarme, etc.) ist der erhöhte Aufwand jedoch akzeptabel.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Can Oversampling Improve the Dynamics of PWM Controls? IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2013, Cape Town, South Africa
Böcker, J./ Buchholz, O.
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FPGA-Based Dynamically Reconfigurable Control of Induction Motor Drives IEEE Industrial Electronics Conference (IECON), 2013, Vienna, Austria
Buchholz, O./ Böcker, J.
