In dieser Dissertation wird eine modellprädiktive Drehmomentregelung für Synchron-Reluktanzmaschinen entworfen, die einen effizienten und sicheren Betrieb bis an die Leistungsgrenze ermöglicht. Sie besteht im Wesentlichen aus einer Sollwertberechnung und einer modellprädiktiven Stromregelung. In der Sollwertberechnung wird das gewünschte Drehmoment in Soll-Ströme umgerechnet, die mithilfe der modellprädiktiven Stromregelung eingeregelt werden.

Für den Entwurf wird ein mathematisches Modell des elektrischen Antriebs aufgestellt. Darin wird eine Synchron-Reluktanzmaschine abgebildet, die von einem Wechselrichter mit Gleichspannungszwischenkreis gespeist wird. Die Synchron-Reluktanzmaschine wird in ein elektrisches und ein mechanisches Teilsystem aufgeteilt und über Differentialgleichungen beschrieben. Die Differentialgleichungen des elektrischen Teilsystems werden um Störspannungen erweitert, um Parameter- und Modellunsicherheiten abbilden zu können. Der Wechselrichter wird mit der Raumzeigermodulation angesteuert, die mit einer Spannungsbeschränkung beschrieben wird.

In der Sollwertberechnung werden die Soll-Ströme als Lösung eines zweistufigen Minimierungsproblems ermittelt. In der ersten Stufe wird die Menge der Soll-Ströme bestimmt, mit denen das Soll-Drehmoment bestmöglich im Sinne der quadratischen Abweichung erzeugt wird. Danach werden jene Soll-Ströme in der zweiten Stufe ausgewählt, die zu den kleinsten Kupferverlusten führen. In beiden Stufen werden die Spannungsbeschränkung des Wechselrichters und eine Strombeschränkung berücksichtigt. Des Weiteren wird die Möglichkeit gegeben, einen Störspannungsbetrag als Schätzwert für Parameter- und Modellunsicherheiten einzubeziehen. So werden die Soll-Ströme in Abhängigkeit des Soll-Drehmoments, der Drehzahl, eines zulässigen Strombetrags, der Zwischenkreisspannung und des Störspannungsbetrags berechnet.

Die Stromregelung besteht aus einem modellprädiktiven Stromregler und einem Störgrößenbeobachter. Der Stromregler berechnet Spannungen, die mithilfe der Raumzeigermodulation am Wechselrichter umgesetzt werden. Er beruht auf demselben Modell, das auch für die Sollwertberechnung verwendet wird. Damit werden die Ströme in Abhängigkeit der zu berechnenden Spannungen prädiziert. Die Spannungen werden durch die Minimierung eines Gütemaßes bestimmt, das unter anderem die quadratische Abweichung der prädizierten Ströme von den Soll-Strömen bewertet. Dabei wird auch die Spannungsbeschränkung berücksichtigt. Zugleich kann eine Strompfadbeschränkung optional einbezogen werden, die eine Entkopplung der Ströme erzwingt. Der Störgrößenbeobachter quantifiziert Parameter- und Modellunsicherheiten über Störspannungen, sodass sie in der Sollwertberechnung und im Stromregler beachtet werden können.

Die entworfene Drehmomentregelung wird experimentell und simulativ validiert. Obgleich der Entwurf für Synchron-Reluktanzmaschinen durchgeführt wird, kann er ohne zusätzlichen Aufwand auf permanentmagneterregte Synchronmaschinen übertragen werden.