Entwicklung eines digitalen 4-Quadranten Electronic Speed Controllers (ESC) für eine permanenterregte Gleichstrommaschine

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein digitaler Drehzahlregler für eine permanenterregte Gleichstrommaschine entwickelt und aufgebaut. Dabei wird auf ein hohes Maß an Flexibilität geachtet, so dass Steuer- und Leistungselektronik getrennt aufgebaut werden. Kernstück der Leistungselektronik ist eine H-Brücke, durch die der Betrieb der Maschine in allen vier Quadranten ermöglicht wird: Beschleunigen und Bremsen in beiden Drehrichtungen. Nach Erarbeitung der physikalischen und regelungstechnischen Grundlagen zum Erstellen einer mathematischen Beschreibung der Gleichstrommaschine wird der Drehzahlregler entworfen. Dazu werden verschiedene Regelverfahren vorgestellt, untersucht, und mittels Simulation miteinander verglichen. Die Regelung der Drehzahl wird schließlich auf einem Microcontroller implementiert. So ist eine einfache Anpassung des Reglers möglich. Des weiteren wird ausführlich auf den Software-Entwurf und die Implementierung der einzelnen Software-Module eingegangen, und die korrekte Funktion des entwickelten Reglers messtechnisch verifiziert.

Within the scope of this thesis, a digital speed controller for a permanent-magnet DC motor is developed and built, while ensuring a high grade of flexibility, so that control- and power electronics are built separately. The core element of the power electronics is an H-bridge, which allows the machine to be operated in all four quadrants: acceleration and braking in both directions of rotation. After elaboration of the physical and regulatory principles for creating a mathematical description of the DC machine, the speed controller is designed. For this purpose, various control methods are presented, examined, and compared by means of simulation. The control of the rotational speed is finally implemented on a microcontroller, which allows a simple adjustment of the controller. Furthermore, the software design and the implementation of the individual software modules are discussed in detail, and the correct function of the developed controller is verified by measurements.