Precise and instantaneous flux-linkage sensing methods in PWM voltage-source inverters

von Hoegen, Anne Gisela; de Doncker, Rik W.; Heinen, Stefan

doi:10.18154/RWTH-2026-00400

Precise and instantaneous flux-linkage sensing methods in PWM voltage-source inverters

von Hoegen, Anne Gisela^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Anne von Hoegen, M. Eng.

ImpressumAachen : Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA), RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheAachener Beiträge des ISEA ; 193

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Druckausgabe: 2026. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
de Doncker, Rik W. (Thesis advisor)^RWTH* ; Heinen, Stefan (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-01-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-00400
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1024898/files/1024898.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
instantaneous measurement (frei) ; phase-voltage measurement (frei) ; volt-second sensing (frei) ; voltage source inverter (frei) ; voltage-to-frequency converter (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die präzise Kenntnis der magnetischen Flussverkettung stellt eine grundlegende Voraussetzung für eine hochperformante Regelung elektrischer Maschinen dar. Konventionelle Schätzverfahren – sei es auf Basis von Stromkennfeldern oder der Spannungsintegration – sind anfällig für erhebliche Fehler, die insbesondere durch steile PWM-Spannungsflanken, hochfrequente Signalanteile sowie umrichterbedingte Schaltverzögerungen entstehen. Diese Effekte treten in Systemen mit SiC- und GaN-Leistungshalbleitern deutlich hervor. Zur Überwindung dieser Einschränkungen entwickelt und untersucht diese Dissertation neuartige Volt-Sekunden-Sensorkonzepte, welche die Flussverkettung direkt erfassen, indem eine kontinuierliche analoge Spannungserfassung mit einer FPGA-basierten digitalen Signalverarbeitung kombiniert wird. Die Arbeit führt sechs neue Messarchitekturen ein, darunter Feedforward-Modelle zur Spannungsverzerrungskompensation für IGBT-basierte Umrichter sowie asynchrone und synchrone Ausführungen von Spannungs-zu-Frequenz-Wandlern. Diese Wandler übertragen kontinuierliche Phasenspannungssignale in diskrete Volt-Sekunden-Werte, die in Echtzeit verarbeitet werden können, und überwinden damit die Genauigkeits- und Implementierungsgrenzen rein analoger beziehungsweise rein digitaler Messansätze. Eine umfassende vergleichende Studie bewertet insgesamt vierzehn Messverfahren unter variierenden Betriebspunkten auf einem industriellen Halbbrücken-Versuchsstand. Die Analyse umfasst Messgenauigkeit, Unmittelbarkeit der Messwerterfassung sowie Kostenaspekte und wird durch eine anwendungsnahe Validierung auf einem Traktionsantriebs-Prüfstand ergänzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen Sensorkonzepte eine präzise und zeitlich unmittelbare Bestimmung der Flussverkettung sowie der zugehörigen Phasenspannung ermöglichen, während sich die zugrunde liegende Hardware durch Anpassungen der FPGA-basierten Auswertelogik flexibel an unterschiedliche Regelungsalgorithmen anpassen lässt. Insgesamt etabliert die Dissertation einen einheitlichen Messrahmen, der die komplementären Stärken analoger und digitaler Technologien nutzt, um langjährige Herausforderungen bei der Erfassung von PWM-Spannungen zu überwinden. Die vorgestellten Volt-Sekunden-Sensoren bilden eine robuste Grundlage zur Steigerung der Regelgenauigkeit moderner elektrischer Antriebssysteme und eröffnen neue Perspektiven für zukünftige Forschungs- und Technologieentwicklungen.

Precise knowledge of magnetic flux-linkage is a fundamental requirement for high-preformance control of electrical machines. Conventional estimation methods − whether based on current look-up tables or voltage integration − are prone to significant errors arising from steep PWM voltage slopes, high-frequency components, and inverter-related switching delays, particularly in SiC and GaN systems. To address these limitations, this dissertation develops and evaluates novel volt-second sensor concepts that directly measure flux-linkage by combining continuous analog voltage sensing with FPGA-based digital processing. The work introduces six new measurement architectures, including feed-forward voltage-distortion modeling for IGBT-based inverters as well as asynchronous and synchronous voltage-to-frequency converter designs. These converters translate continuous phase-voltage signals into discrete volt-second values that can be processed in real time, overcoming the accuracy and implementation constraints inherent to purely analog or purely digital approaches. A comprehensive comparative study evaluates fourteen measurement methods under varying operating points on an industrial half-bridge test bench. The analysis covers measurement accuracy, instantaneousness, and cost, and includes application-oriented validation on a traction-drive test bench. The results demonstrate that the proposed sensor concepts enable precise and instantaneous determination of flux-linkage and corresponding phase voltage, while the underlying hardware can be flexibly adapted to different control algorithms through modifications in the FPGA-based evaluation logic. Overall, the dissertation establishes a unified measurement framework that leverages complementary analog and digital technologies to overcome long-standing challenges in PWM voltage sensing. The introduced volt-second sensors provide a robust basis for enhancing control accuracy in modern electric-drive inverters and open new avenues for future research and technological advancement.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)