Messmethoden elektrischer Variablen bei trägersignalbasierter sensorloser Lageauswertung in permanenterregten Synchronmotoren

Studienarbeit von Martin Henger

Einleitung:

Der Unterschied zwischen einem Linearmotor und einem rotierenden Motor besteht in ihrer Wirkungsweise. Während herkömmliche, rotierende Motoren eine Drehbewegung an einer Welle hervorrufen erzeugt der Linearmotor eine geradlinige Bewegung.

Eine geradlinige Bewegung wird häufig aber auch über eine rotierende Welle erzeugt. Typisches Beispiel hierfür wäre etwa die Zugmaschine der Eisenbahn. Dort wird über ein Getriebe die Drehbewegung der Welle auf die Räder umgeleitet und eine Vorschubkraft erzeugt. Neuere Überlegungen gehen dahin, die Eisenbahn direkt über Langstator-Synchronmotoren anzutreiben, wie es z.B. beim Transrapid der Fall ist.

In Synchronmotoren kann das Rotorfeld elektrisch oder über Permanentmagnete erzeugt werden. Letzteres wird aufgrund seiner höheren Effektivität und Energiedichte immer häufiger eingesetzt.

Die Regelung von Synchronmotoren erfordert genaue Kenntnis der Läuferposition. In rotierenden Maschinen kann diese über einen einzelnen Sensor erfasst werden.

Bei Linearantrieben hingegen wird die Position über eine Vielzahl von Sensoren erfasst. Da die Kosten hierfür mit der Länge des Linearmotors steigen, ist das Interesse an sensorlosen Methoden groß.

In dieser Arbeit wird der Aufbau eines permanenterregten Langstator- Synchronmotors mit einem kurzen Läufer untersucht. Der Stator ist in mehrere Segmente unterteilt; diese sind in einem Kreis angeordnet. Der Läufer ist an einer Welle befestigt und erzeugt an dieser eine Drehbewegung. Die tatsächliche Position kann somit über einen einzelnen optischen Encoder erfasst werden.

Mehrere Verfahren der sensorlosen Positionserfassung wurden bereits untersucht. Für langsame Läufergeschwindigkeiten erwies es sich am prakitkabelsten eine positionsabhängige Induktivität zu erfassen.

Bei Schenkelpolmaschinen variiert die Induktivität aufgrund des veränderten Luftspalts. Bei permanenterregten Vollpolmaschinen hingegen variiert sie auch aufgrund von Sättigung im Stator, welche durch den Rotorfluss hervorgerufen wird.

Bei diesen Verfahren wird ein Trägersignal, welches der Statorspannung überlagert wird, verwendet, um die Position zu erfassen. Bei linearmotoren wurde bisher das Signal anhand einer Strommessung ausgewertet. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Amplitude des Antwortsignals umgekehrt proportional zur Trägerfrequenz ist.

In dieser Arbeit soll ein weiteres Verfahren untersucht werden. Das Trägersignal wird, wie bisher, in die d-Achse eines frei drehbaren Koordinatensystems eingeprägt. Gemessen wird allerdings wie in die Spannung am Sternpunkt.

Die Messungen werden an einem Linearmotor durchgeführt. Dieser hat bzgl. der sensorlosen Positionserfassung gegenüber dem rotierenden Synchronmotor einige Nachteile. So muss beispielsweise eine Randinduktivität berücksichtigt werden. Weiterhin ist die Polbedeckung mit nur 23 % sehr gering.

Zunächst wird eine analytische Lösung für eine rotierende Synchronmaschine gesucht. Diese wird anschließend für Linearantriebe erweitert.

Verschiedene Methoden werden angewandt um die Signalqualität zu verbessern. Sie sind in den Kapiteln 3 bis 5 dargestellt. Nachdem die Signalgüte eine Demodulation möglich macht werden in Kapitel 6 verschiedene Parameter verändert und das demodulierte Signal aufgezeichnet. In Kapitel 8 sind die Ergebnisse der Arbeit nochmals zusammengefasst, bevor in Kapitel 9 ein Ausblick auf mögliche Analyseverfahren zur Positionsauswertung gegeben wird.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

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