Analysis of PWM-induced current ripples in electromagnetic actuators for position self-sensing

Abstract

Self-sensing techniques allow position estimation on electromagnetic actuators by means of electrical quantities, which can be used in sensorless applications or use-cases requiring redundancy. In standstill and low speed conditions, an estimation through the inductance is required, which is challenging due to electrical noise issues and an ambiguity that is present inside this parameter. In this work, a position self-sensing strategy for electromagnetic actuators is proposed that is based on current ripples that are inherently caused inside PWM-operated switching electronics. First, the work models these current ripples under the consideration of iron losses. Then, a position self-sensing strategy is proposed, which involves an analog integration approach. This decreases computational effort while increasing the signal-to-noise-ratio. Further considerations are made for compensating the hysteretic behavior that is visible in electromagnetic actuators. To overcome the ambiguity, a parameter that represents iron losses is estimated and allows for a unique solution of the position estimation problem. Experimental results prove the robustness and accuracy of the approach on industrial electromagnetic actuators for the usage of end-position and linear position detection. Finally, an experiment involving sensorless position control proves the bandwidth and robustness of the technique in case the estimation is used as position feedback.

Sogenannte Self-Sensing-Techniken erlauben das Bestimmen der Ankerlage von elektromagnetischen Aktoren über das Messen rein elektrischer Größen. Dies macht sie besonders attraktiv für den sensorlosen Betrieb oder Anwendungen mit Redundanzanforderungen. Bei Stillstand und niedrigen Geschwindigkeiten ist eine Ermittlung über die Induktivität zwingend erforderlich. Jedoch weist diese Größe Mehrdeutigkeiten auf und ist sensibel gegenüber Messrauschen. In dieser Arbeit wird eine Self-Sensing-Technik vorgeschlagen, die auf Stromwelligkeiten basiert, welche inhärent durch die PWM-Ansteuerung vorhanden sind. Hierzu wird zunächst ein mathematisches Modell von Stromwelligkeiten unter der Berücksichtigung von Eisenverlusten formuliert. Der Ansatz zur Positionsermittlung basiert auf einer analogen Integration, wodurch Rechenaufwand eingespart werden kann, während das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird. Weitere Erweiterungen dienen der Kompensation hysteretischen Verhaltens. Das Problem der Mehrdeutigkeiten wird adressiert, indem ein weiterer Parameter, welcher die Eisenverluste im Aktor zusammenfasst, herangezogen wird. Experimentelle Ergebnisse an industriellen elektromagnetischen Aktoren zeigen die Robustheit und Genauigkeit des Ansatzes mit Hinblick auf eine Endlagenerkennung und einer linearen Positionsschätzung. Abschließend wird experimentell im Rahmen einer sensorlosen Regelung die Dynamik und die Robustheit der Technik gezeigt.