Application of synchronous reluctance motors in machine tool feed drives

Xi, Tiandong; Verl, Alexander; Brecher, Christian

doi:43110

Application of synchronous reluctance motors in machine tool feed drives = Einsatz von Synchron-Reluktanzmotoren in Vorschubantrieben für Werkzeugmaschinen

Xi, Tiandong^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tiandong Xi

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Brecher, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Verl, Alexander (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-01-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-02336
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/980545/files/980545.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project 452020124 - Untersuchung von Synchron-Reluktanzmotoren in Vorschubachsen von Werkzeugmaschinen (452020124) (452020124)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
control theory (frei) ; feed drive axis (frei) ; machine tool (frei) ; synchronous reluctance motor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation untersucht erstmals den industriellen Einsatz des Synchronreluktanzmotors (SynRM) als Vorschubantrieb in Werkzeugmaschinen. Heutzutage wird dieser Motortyp nur in Anwendungen mit quadratischem Drehmoment und konstantem Drehmoment (wie beispielsweise in der Pumpen- und Lüfterindustrie) eingesetzt, da dort keine hohen Anforderungen an Dynamik und Genauigkeit gestellt werden. Obwohl SynRM potenziell wirtschaftliche Vorteile bietet, spricht das nichtlineare Verhalten des Motors gegen seinen Einsatz in Servoanwendungen. Dies äußert sich beispielsweise in Sättigung und Drehmomentwelligkeit und stellt somit eine Herausforderung für eine hochdynamische und robuste Regelung dar. Im Rahmen der Arbeit werden praxisorientierte Methoden zur Identifizierung der Parameter in mechatronischen Vorschubantriebssystemen vorgeschlagen. Um die steuerungsrelevanten Parameter mit minimalem Aufwand zu bestimmen und ein zeitnahes Update bei Parameterunsicherheiten zu ermöglichen, werden verschiedene Online-Methoden auf Basis des erweiterten Kalman-Filters (EKF) und der rekursiven Least Squares (RLS) vorgestellt. Basierend auf dem entwickelten Motormodell werden Regelungskonzepte für den SynRM als Servoantrieb abgeleitet, um trotz des nichtlinearen Verhaltens eine hohe Bandbreite zu erreichen. Verschiedene nichtlineare Regelungsansätze, einschließlich PI-Gain-Scheduling, Dead\-beat-Regelung und modellprädiktive Stromregelung, werden sowohl durch Simulation als auch experimentelle Untersuchung analysiert. Zur Sicherstellung der industriellen Anwendbarkeit werden die Regler in Verbindung mit einem kommerziellen Antriebssystem mit Hilfe eines Rapid-Prototyping-Systems implementiert und getestet. Die Validierung aller vorgestellten Methoden erfolgt durch die Bewertung eines Reglerentwurfs für einen Vorschubantriebsprüfstand mit SynRM. Hierbei wird auf der Grundlage von Messungen der Sprungantwort, des Führungsfrequenzgangs, der kleinsten verfahrbaren Schrittweite, des Tracking-Verhaltens und des Störverhaltens die Erfüllung der Anforderungen an die Werkzeugmaschine bewertet. Darüber hinaus wird ein Beispielwerkstück auf dem Prüfstand gefräst, um die Anwendbarkeit von SynRM in Werkzeugmaschinen zu demonstrieren.

This dissertation investigates for the first time the industrial use of the synchronous reluctance motor (SynRM) as feed drives in machine tools. Nowadays, this type of motor has only been used in quadratic torque applications and constant torque applications (such as pump and fan industry), as these do not have high requirements in terms of dynamics and accuracy. Despite the potential economic advantage of SynRM, one reason against its usage in servo applications is the nonlinear characteristics of the motor, such as magnetic saturation and torque ripple, which pose a challenge in high-bandwidth and robust control. Within the scope of the dissertation, practical methods for identifying the parameters of mechatronic feed drive systems are proposed. To determine the control-relevant parameters with minimal effort and facilitate timely updates in the presence of parameter uncertainties, different online methods based on the idea of extended Kalman filter (EKF) and recursive least squares (RLS) are introduced. Based on the developed motor model, controller concepts for the current, speed, and position loop are derived with the aim to achieve high bandwidth control performance. Various nonlinear control approaches, including PI gain scheduling, deadbeat control, and model predictive current control, are investigated through both simulation and experimental studies. To ensure industrial applicability, the controllers are implemented and tested with a rapid-prototyping system in combination with a commercial servo drive system. The validation of all presented methods is conducted by designing and evaluating a control system for a feed drive test bench equipped with SynRM. The fulfillment of the machine tool requirements is assessed on the basis of measurements of the step response, setpoint transfer behavior, smallest traversable increment, tracking behavior, and disturbance behavior. Furthermore, an example workpiece is milled on the feed drive test bench to demonstrate the applicability of SynRM in machine tools.

OpenAccess:
PDF
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