Entwicklung eines Stellgliedes zur Spannungs- und Drehzahlstellung von Drehfeldmaschinen auf Basis der Raumzeigermodulation

Diplomarbeit von Steffen Mack

Einleitung:

Drehfeldmaschinen wie beispielsweise Asynchron- und Synchronmotoren beruhen auf dem Prinzip eines umlaufenden magnetischen Feldes. Dieses umlaufende magnetische Feld resultiert aus der Maschinengeometrie sowie aus einem mehrphasigen, im Allgemeinen dreiphasigen, Spannungssystem. Die Drehfrequenz des umlaufenden Feldes und somit die Drehzahl der Drehfeldmaschinen sind direkt von der Frequenz des speisenden Spannungssystems abhängig. Da das Energieversorgungsnetz eine feste Frequenz besitzt, ist es z.B. im Hinblick auf regelungstechnische Aufgaben wünschenswert, ein Spannungssystem mit variabler Frequenz erzeugen zu können. Diese Forderung kann mit Frequenzumrichtern realisiert werden. Eine seit längerem bekannte theoretische Grundlage der Funktionsweise eines Frequenzumrichters bildet die Raumzeigermodulation. Sie beschreibt, wie aus einer Gleichspannungsquelle durch schnelles Schalten von Leistungshalbleitern ein umlaufendes magnetisches Feld mit variabler Drehfrequenz, und dadurch indirekt ein Drehspannungssystem variabler Frequenz, nachgebildet werden kann. Sie wird standardmäßig mit Mikrocontrollern realisiert, die in den Sprachen Assembler und C programmiert sind.

Der Trend in der Programmierung von Mikrocontrollern und digitalen Signalprozessoren geht jedoch weg von der textorientierten Programmierung (Schreiben von Quellcode) und hin zur graphischen Programmierung mit dem Einsatz des Hardware-In-The-Loop-Verfahrens (HIL-Verfahren).

Bei der graphischen Programmierung wird nicht mit Quelltext sondern mit graphischen Blöcken, z.B. dem Block mit Schaltzeichen eines UND-Gatters, gearbeitet. Anhand der Blockschaltbilder und Schaltzeichen kann schnell, auch ohne tiefer gehende Programmierkenntnisse, die Funktionsweise eines Modells erfasst werden. Aus dem erstellten Modell wird von der Entwicklungsumgebung automatisch der Quellcode für die entsprechende Zielplattform generiert.

Beim dem HIL-Verfahren wird ein Regelkreis, bestehend aus einem Regler und nachgebildeter Strecke, am PC modelliert, evaluiert und der Regler optimiert. Das bedeutet, dass die Regelstrecke mit einem mathematischen Modell nachgebildet wird und der entwickelte Regler an diesem Streckenmodell getestet und optimiert wird. Im nächsten Schritt wird der Regler auf die Zielplattform, z.B. einen Mikrocontroller oder Digitalen Signalprozessor, übertragen und die nachgebildete Strecke durch die reale Strecke ersetzt. Durch die Optimierung des Reglers anhand der Simulation kann Entwicklungszeit eingespart werden. Ein weiterer Vorteil des HIL-Verfahrens besteht darin, dass vor der Programmierung der Zielplattform die theoretischen Ansätze in der Simulation überprüft werden können. Bei der Entwicklung eines Systems ohne Einsatz des HIL-Verfahrens kann im Fehlerfall nicht ohne weiteres festgestellt werden, ob der Fehler im theoretischen Ansatz oder in der programmiertechnischen Umsetzung begründet liegt. Die Beweiskette beim HIL-Verfahren sieht folgendermaßen aus: Die theoretischen Ansätze werden durch die Simulation überprüft. Den Beweis für die Funktionsfähigkeit des Simulations-Modells liefert schließlich das Experiment.

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, das HIL-Verfahren am Beispiel eines Stellgliedes zur Spannungs- und Drehzahlstellung von Drehfeldmaschinen zu demonstrieren. Dieses Stellglied soll nach der oben erwähnten Theorie der Raumzeigermodulation arbeiten. Als HIL-Programmierplattform soll „Matlab/Simulink“ des Herstellers „Mathworks“ eingesetzt werden. Die Zielplattform bildet der digitale Signalprozessor „TMS320F2812“ der Firma „Texas Instruments“.

Die Arbeit soll im Rahmen des Mechatronik-Labors der Reinhold-Würth-Hochschule als Grundlage für Labor-Versuche eingesetzt werden können. Bei den Versuchen handelt es sich unter anderem um übergeordnete Regelkreise von Drehfeldmaschinen, die zur Ansteuerung der Leistungselektronik das hier entwickelte Stellglied benutzen sollen. Daneben soll die Funktionsweise der Raumzeigermodulation anhand der Simulation und eines Experiments untersucht werden können.

Nach dem Prinzip des HIL-Verfahrens gliedert sich die vorliegende Arbeit in drei Teile. In Kapitel 2 wird die Theorie der Raumzeigermodulation erläutert. Die Simulation der Raumzeigermodulation wird in Kapitel 3 durchgeführt. In Kapitel 4 wird schließlich das Modell auf die Zielplattform transferiert, die simulierte Hardware durch reale Hardware ersetzt und die Funktionsfähigkeit des Systems im Experiment nachgewiesen.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

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