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Regler und Hall-Sensoren bei höheren Strom

Hallo zusammen,

dieser Artikel ist gerichtet an diejenigen die gern mit höheren Leistungen fahren wollen. Es ist allerdings etwas technisch.

ich wollte gern ein Ergebnis mitteilen die ich heute tatsächlich an meinem QS205 geprüft habe:
Mit steigendem Phasen-Strom kommt nicht das Drehmoment proportional dazu. Es hat nicht mit Motorsättigung zu tun sondern mit der Verfälschung der Hall-Signalen durch Phasen-Strom.

Die digitale Hall-Sensoren, die in unsere Motoren eingebaut sind, schalten wenn eine Schwellenwert der Flussdichte an den Messpunkt erreicht wird. Es wird nicht zwischen Rotorfluss oder Statorfluss unterscheidet, sondern das resultierend gemessen.

Das heißt der Phasen-Strom (q-Strom bei feldorientierte Regelung) beeinflusst die Hall-Signalen und täuscht die Orientierung der Rotor für die feldorientierte Regelung.
Bei steigenden Drehmoment (positiven q-Strom), wird die Orientierung der d-Achse immer mehr zum q-Achse gedreht. Der Regler, im q-Strom Betrieb, erzeugt in der Realität immer mehr negativen d-Strom, und geht damit im Feldschwächung ohne es zu wissen. Was im echten q-Strom fehlt, fehlt auch am Drehmoment...

Alle Motoren mit Hall-Sensoren im Luftspalt sind betroffen. Es sind verschiedene Parametern im Spiel so dass nicht alle Motoren gleich betroffen sind.

Es hat Konsequenzen bei hoch Strom und Feldschwächung:
Man verliert prinzipiell mit steigendem Strom immer mehr Drehmoment: Mit meinem QS205 bei 100A peak liegt das Drehmoment ca. 11% unter der Erwartungswerte aus der linearen Extrapolation. 100A ist für den Motor relativ wenig.
Wenn ich diese Wickelfehler korrigiere im Regler, fehlt weniger als 1%. Also keine Sättigung sondern Winkelfehler...

Die Regelung kann bei sehr hoch q-Strom und minus d-Strom instabil werden da die Hall-Sensoren nur noch den Statorfluss messen und der Regler synchronisiert sich mit sich selbst. Solche Instabilitäten haben wird schon in meiner Firma bei eine 300kW Maschine gehabt. Es sind ein paar Beiträge bei Endless-Sphere wo diese Instabilitäten bei Radnabenmotoren beobachtet worden sind. Deswegen sollte man mit Feldschwächung immer vorsichtig umgehen.

Fazit: wenn man das Maximum Drehmoment haben will, sollte man entweder extern Geber verwenden oder den Regler so parametrieren können dass dieser Winckelfehler kompensiert wird.

Die Korrektur entspricht ungefähr theta = atan2(L_q * i_q , Phi_PM + L_d * i_d). Allerdings ist die Induktion nicht dieselbe wie im Luftspalt besonders wenn die Magnete länger sind als das Blechpaket. Das kriegt man nur beim messen...
 
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Um diese Korrektur messtechnisch zu ermitteln gibt verschiedene Möglichkeiten.
Die beide Methoden, die bei mir funktioniert haben, sind:

- Messung der Bescheinigung mit doppelter Ableitung der Rotorposition. Dabei soll man mit konstantem Phasen-Strom beschleunigen. Die Extrapolation der Rotorposition aus dem Hall-Signalen soll sehr sauber sein weil die doppelte Ableitung das Rauschen extrem verstärkt.

- Messung einer fiktiven Drehmoment pro Strom (MPTA Koeffizient für diejenigen die es kennen).
K_M = (Elektrische Leistung - Motor Verlusten) / (Drehzahl * Stromamplitude).
Es heißt:
K_M = 1,5(u_d * i_d + u_q * i_q - R_s * i_d^2 - R_s * i_q^2) / (w_m * sqrt( i_d^2 + i_q^2)).

Bei Radnabenmotoren sind die Stromwärmeverlusten sehr dominant so dass ich die Unmagnetisierungsverluste so wie Reibung vernachlässigt habe. Man könnte es berücksichtigen aber macht kaum was bei mir.

Bei der Messung von K_M bekomme ich im Grunddrehzahl Bereich (ohne Feldschwächung) eine konstante Kurve. Wenn das Rotorwickel gut korrigiert ist, bekommt man immer das selben Maximum Koeffizient K_M, also das Maximum Drehmoment pro Strom (MTPA).

Diese Methoden geben indirekt der optimalen Bestromungswinckel wenn der Motor ein Reluktanzdrehmoment hat, also wenn L_d < L_q. Es ist allerdings bei unsere Motoren mit Oberfläche-Magneten und groß Luftspalt kaum von Relevanz.
 
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Ich kenne mich mit herkömmlichen Regler nicht gut aus. Allerdings glaube ich nicht dass sollschen motorspezifischen Korrekturen vorhanden sind.
Man kann sehr gute Ergebnisse bekommen mit eine vereinfachte Korrektur:
Der Rotorwinkel sollte korrigiert proportional zu q-Strom weil die Funktion atan ist, bei kleine Werte, noch sehr linear. Vielleicht ermöglichen manche Regler sowas...
 
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