Position estimation for PMSMs at any speed using the zero-sequence voltage and modified space vector modulation

Abstract

Anisotropy-based estimation techniques enable position and speed estimation for synchronous and induction machines down to low speeds and standstill. One possible approach consists of exciting the machine with special pulse patterns and measuring the zero-sequence voltage which requires access to the neutral point of a star-connected machine but can in return enable high signal-to-noise ratios. This thesis focuses in particular on permanent magnet synchronous machines and aims to contribute to the understanding of fundamental relations through a mathematical analysis of the underlying anisotropy information as well as to practical aspects that include initial polarity detection, usable pulse patterns and investigations on certain non-ideal effects which real machines exhibit. Experimentally achieved estimation results using real machines are presented, which demonstrate in particular low noise content and little dependence on rotor speed.

Anisotropiebasierte Schätzverfahren ermöglichen Positions- und Drehzahlschätzung für Synchron- und Induktionsmaschinen bis hin zu niedrigen Drehzahlen und Stillstand. Ein möglicher Ansatz besteht darin, die Maschine mit speziellen Pulsmustern anzuregen und die Nullspannung zu messen, was den Zugang zum Sternpunkt einer im Stern verschalteten Maschine erfordert, dafür aber hohe Signal-Rausch-Verhältnisse ermöglichen kann. Diese Arbeit konzentriert sich insbesondere auf Permanentmagnet-Synchronmaschinen und möchte durch eine mathematische Analyse der zugrundeliegenden Anisotropie-Information zum Verständnis grundlegender Zusammenhänge beitragen sowie zu praktischen Aspekten, darunter die Erkennung der anfänglichen Polarität, verwendbare Pulsmuster und Untersuchungen zu bestimmten nicht-idealen Effekten, welche bei realen Maschinen auftreten. Es werden experimentell erzielte Ergebnisse der Schätzung bei realen Maschinen vorgestellt, die insbesondere einen geringen Rauschanteil und eine geringe Abhängigkeit von der Rotordrehzahl aufzeigen.