Grundlagen der Regelung für elektrische Antriebe

Die Elektrifizierung im Zuge der Energiewende nimmt stetig zu und macht die elektrische Maschine zu einer Schlüsselkomponente. Hinzu kommen neue mobile Anwendungen, die mit leistungsfähigen Batterien oder Brennstoffzellen ebenfalls die Verwendung einer elektrischen Maschine bedingt. In Verbindung mit modernen leistungselektronischen Stellgliedern hat sich die Entwicklung und Simulation von drehzahlvariablen elektrischen Antrieben enorm vereinfacht. Dennoch ist es für den Designer wichtig, grundlegende Effekte des Elektromagnetismus zu verstehen, um drehzahl- und drehmomentgesteuerte Antriebe zu entwickeln.

Nach dem Seminar können Sie elektrische Antriebe mit der zugehörigen Leistungselektronik selbst simulieren und entwickeln. Sie sind in der Lage, aus einem breiten Produktspektrum die richtigen Komponenten auszuwählen. 
Ausgehend von der Aufgabenstellung „gezielte Beeinflussung dynamischer Systeme“ wird am Beispiel elektrischer Antriebe gezeigt, wie das zeitabhängige Verhalten dynamischer Systeme beschrieben und beeinflusst werden kann. 
Es wird erklärt, wie man aus der Beschreibung des Systemverhaltens des durchgehenden Beispiels einer Permanenterregten Synchronmaschine (PMSM) eine Zustandsregelung mit Beobachter entwickelt.

Das Seminar richtet sich an die Fachspezialisten, z.B. Produktentwickler, Versuchsmitarbeiter sowie technisch Interessierte mit grundlegendem mathematisch-technischem Verständnis für Matrizenrechnung und Differentialgleichungen. Die Teilnehmer benötigen einen Laptop mit einer lauffähigen Matlab-Lizenz (R2023b oder neuer).

Montag, 12. und Dienstag, 13. Mai 2025
9.00 bis 12.15 und 13.15 bis 16.30 Uhr

1. Beschreibung linearer und nichtlinearer Systeme im Zustandsraum

1.1 Modelle linearer und nichtlinearer Beispielsysteme

• kurze Einführung in die Modellbildung
• Überblick zu Bauformen von DC-Motor und permanenterregter Synchronmaschine (PMSM/ BLDC)
• Modellierung von DC-Motor und PMSM (BLDC)

1.2 Zustandsdarstellung linearer Systeme

• Aufstellung eines linearen Zustandsraummodelles
• Zustandsdarstellung in Matlab / Simulink
• Zustandsdarstellung eines DC-Motors und einer PMSM

1.3  Das Verhalten von dynamischen Systemen im Zeitbereich

• Übertragungsfunktion - eine Wiederholung
• Stabilität, Eigenwerte und zeitliches Verhalten

2. Entwurf von modellbasierten Steuerungen und Regelungen für das  Trajektorienfolgeproblem elektrischer Antriebe

2.1 Entwurf von Zustandsregelungen für Systeme in Regelungsnormalform

• Struktur einer Zustandsregelung
• Transformation linearer und nichtlinearer  Systeme in die Regelungsnormalform
• Entwurf einer Zustandsregelung mit PI-Regler in Matlab / Simulink
• Verfahren der Polzuweisung in Matlab / Simulink

2.3 Entwurf von Zustandsregelungen am Beispiel DC-Motor und einer PMSM

• Prinzip der Entkopplung
• Entwurf einer Zustandsregelung mit Matlab / Simulink

3. Entwurf von Zustands-, Parameter- und Störgrößenbeobachtern 

3.1 Beobachtungsproblem und Beobachtbarkeitsabbildung

• Einführung in die Beobachter
• Struktur eines Zustandsbeobachters  (Luenberger-Ansatz)
• Implementierung eines Zustandsbeobachters  mit Matlab / Simulink

3.3 Der Beobachter im Regelkreis

• das geschlossene Regelsystem mit Zustandsbeobachter
• Entwurf einer Zustandsregelung mit Beobachter am Beispiel einer PMSM