Optimierte Ausnutzung von schnelldrehenden Synchron-Hauptspindelantrieben für Werkzeugmaschinen

Der Betriebsbereich – sprich die Menge aller möglichen Drehzahl-Drehmoment-Kombinationen – der permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) ist abhängig von den Motorparametern und wird durch die maximalen Spannungen und Ströme begrenzt. Bei der Regelung von PMSM besteht eine der wichtigsten Aufgaben darin, aus dem vom Drehzahlregler berechneten Solldrehmoment, in Abhängigkeit der Drehzahl, Sollwerte für den Drehmomenten- und Feldstrom zu ermitteln. Sowohl im Grunddrehzahl- als auch im Feldschwächbereich besteht das Ziel darin, den Motor so anzusteuern, dass die einzelnen Betriebspunkte mit möglichst hoher Effizienz des Gesamtsystems erzielt werden. Durch diese optimale Ansteuerung können gleichzeitig die maximalen Drehmomente bzw. maximalen Leistungen erzielt werden. Die Motorparameter von PMSM sind in der Regel nicht konstant. Bei der PMSM mit innenliegenden Magneten weisen die Induktivitäten in Längs- und Querrichtung beispielsweise eine ausgeprägte Abhängigkeit vom eingestellten Stromarbeitspunkt auf. Je nach Betrag und Phasenlage des eingeprägten Stroms ergeben sich unterschiedliche Sättigungszustände im magnetischen Kreis der Maschine, die ein Absinken der Induktivitätswerte zur Folge haben. Bei PMSM mit außenliegenden Magneten ist die Rotorfluss- bzw. Spannungskonstante stark temperaturabhängig. Die Remanenzflussdichte der Permanentmagnete aus Neodym-Eisen-Bor haben einen negativen Temperaturkoeefizienten, der sich direkt auf die Drehmomentbildung und die induzierte Polradspannung auswirkt. In der vorliegenden Arbeit wurde eine direkte Drehmomentsteuerung entwickelt, die in der Lage ist, veränderliche Motorparameter in Echtzeit zu berücksichtigen. Das vorgestellte Verfahren erlaubt die Berechnung de roptimalen Sollwerte für den Momenten- und Feldstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl, den aktuellen Strom- und Spannungsbegrenzungen sowie den veränderlichen Motorparametern. Darauf aufbauend wurden Methoden entwickelt, die eine zuverlässige Ermittlung der variablen Motorparameter erlauben. Die Ermittlung der stromabhängigen Induktivitäten der PMSM mit innenliegenden Magneten erfolgt vorab auf einem Prüfstand mit Hilfe eines Identifikationsverfahrens, welches die Verwendung eines Standard-Wechselrichters als Stellglied und zur Messwerterfassung erlaubt. Die temperaturabhängige Rotorflusskonstante der PMSM mit außenliegenden Magneten wird im Betrieb über ein mathematisches Modell der Maschine ermittelt und der Drehmomentsteuerung zur Verfügung gestellt. Mit dem beschriebenen Lösungsansatz besteht die Möglichkeit, über Wechselrichter gespeiste PMSM mit innen- und außenliegenden Magneten optimal auszunutzen. Die Betriebspunkte werden wirkungsgradoptimal eingestellt und es ergibt sich ein maximaler Betriebsbereich. Da die variierenden Motorparameter zu jedem Zeitpunkt bekannt sind und in der echtzeitfähigen Drehmomentsteuerung berücksichtigt werden ist eine optimale Aufteilung von Feldund Momentenstrom gewährleistet. Des Weiteren wird der Spannungsstellbereich des Wechselrichters voll ausgenutzt, wodurch niedrigere Gesamtströme resultieren. Diese verursachen geringere Schaltverluste im Wechselrichter und geringere Kupfer- und Eisenverluste im Motor. Durch die optimale Ausnutzung steht immer die volle Leistung zur Verfügung, weshalb sich die Beschleunigungs- und Abbremszeiten reduzieren lassen. Die Effizienz des Gesamtsystems steigt an, es entstehen geringere Temperaturen und die Kühlleistung sinkt.