DE10024394B4

DE10024394B4 - Ermittlungsverfahren für eine Istgeschwindigkeit eines bewegbaren Verfahrelements

Info

Publication number: DE10024394B4
Application number: DE10024394A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Ing. Künzel; Gerhard Dr.-Ing. Heinemann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-05-17
Filing date: 2000-05-17
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: US6553832B2; US20020000123A1; DE10024394C5; DE10024394A1

Abstract

Ermittlungsverfahren für eine Istgeschwindigkeit (v) eines bewegbaren Verfahrelements (1),
– wobei mittels eines Beschleunigungssensors (3) eine Beschleunigung (a) des Verfahrelements (1) erfasst wird und in einem Integrator (7) durch Integrieren der Beschleunigung (a) eine Modellgeschwindigkeit (vM) des Verfahrelements (1) ermittelt wird,
– wobei mittels eines Lagesensors (2) eine Messlage (x1) des Verfahrelements (1) erfasst wird und in einem Differenzierer (11) durch Differenzieren der Messlage (x1) eine Messgeschwindigkeit (v1) des Verfahrelements (1) ermittelt wird,
– wobei anhand der Modellgeschwindigkeit (vM) die Istgeschwindigkeit (v) ermittelt wird und
– wobei die Modellgeschwindigkeit (vM) und die Messgeschwindigkeit (v1) voneinander subtrahiert werden und die Differenz einem Regler (13) mit einem Integralanteil, insbesondere einem PI-Regler (13), zugeführt wird, dessen Ausgangssignal auf die Beschleunigung (a) aufaddiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ermittlungsverfahren für eine Istgeschwindigkeit eines bewegbaren Verfahrelements,

– wobei mittels eines Beschleunigungssensors eine Beschleunigung des Verfahrelements erfasst wird und in einem Integrator durch Integrieren der Beschleunigung eine Modellgeschwindigkeit des Verfahrelements ermittelt wird,
– wobei mittels eines Lagesensors eine Messlage des Verfahrelements erfasst wird und in einem Differenzierer durch Differenzieren der Messlage eine Messgeschwindigkeit des Verfahrelements ermittelt wird und
– wobei anhand der Modellgeschwindigkeit die Istgeschwindigkeit ermittelt wird.

Ein derartiges Ermittlungsverfahren ist z. B. aus „Drehbeschleunigungsensor ermöglicht hochgenaue Drehzahlregelung" von Lothar Wilhelmy und Reinhard Domke, Sonderdruck aus „antriebstechnik" 4/99 bekannt. Ein ähnlicher Offenbarungsgehalt ist dem Aufsatz „Relativbeschleunigungssensor – Potential und Einsatzmöglichkeiten in der Servo-Antriebstechnik" von B. Hiller, ISW, Stuttgart, gehalten auf dem ISW-Lageregelseminar 1998, zu entnehmen.

Auch aus der DE 44 39 233 A1 ist ein Ermittlungsverfahren für eine Istgeschwindigkeit eines bewegbaren Verfahrelements bekannt, bei dem mittels eines Beschleunigungssensors eine Beschleunigung des Verfahrelements erfasst wird und in einem Integrator durch Integrieren der Beschleunigung eine Modellgeschwindigkeit des Verfahrelements ermittelt wird. Anhand der Modellgeschwindigkeit wird dann die Istgeschwindigkeit ermittelt. Weiterhin wird bei der DE 44 39 233 A1 mittels eines Lagesensors eine Messlage des Verfahrelements erfasst und durch Differenzieren der Messlage eine Messgeschwindigkeit des Verfahrelements ermittelt. Die Modellgeschwindigkeit und die Messgeschwindigkeit werden voneinander subtrahiert und die Differenz einem Regler zugeführt, dessen Ausgangssignal mit der erfassten Beschleunigung multipliziert wird. Diese Multiplikation dient dazu, Temperatureinflüsse der Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors zu kompensieren.

Aus der DE 44 39 233 A1 ist weiterhin bekannt, Korrekturglieder für die Beschleunigung und die Geschwindigkeit vorzusehen, deren Ausgangssignale auf die Beschleunigung bzw. die Geschwindigkeit aufaddiert werden. Diese Korrekturglieder dienen der Kompensation von Verstärkungs- und Offsetfehlern. Sie werden anhand der Messlage und einer anhand der erfassten Beschleunigung ermittelten Modelllage ermittelt.

Aus der DE 44 35 014 A1 ist ein Ermittlungsverfahren für eine Istgeschwindigkeit insbesondere eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem mittels eines Beschleunigungssensors eine Beschleunigung des Fahrzeugs erfasst wird und durch Integrieren der Beschleunigung eine Modellgeschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt wird. Mittels eines Lagesensors wird weiterhin eine zurück gelegte Entfernung des Kraftfahrzeugs erfasst und durch Differenzieren der zurückgelegten Entfernung eine Messgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ermittelt. Die anhand der Beschleunigung und anhand des zurück gelegten Weges ermittelten Geschwindigkeiten werden voneinander subtrahiert und die Differenz einem Regler zugeführt, mittels dessen dann Sensorfehler des Beschleunigungssensors kompensiert werden.

Bei derartigen Ermittlungsverfahren muss die erfasste Beschleunigung offsetfrei bleiben, damit die Modellgeschwindigkeit nicht wegdriftet. Bei der Veröffentlichung von B. Hiller wird dies dadurch gelöst, dass einem „Beobachter" die erfasste Beschleunigung und die Messlage zugeführt werden und der Beobachter daraus einen Offset für die erfasste Beschleunigung ermittelt, der dann eliminiert wird. In dieser Schrift ist weiter beiläufig als Alternative der Aufbau einer unterlagerten Beschleunigungsregelschleife erwähnt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ermittlungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine möglichst einfache und dennoch hochgenaue Kompensation eines etwaigen Beschleunigungsoffsets möglich ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Modellgeschwindigkeit und die Messgeschwindigkeit voneinander subtrahiert werden und die Differenz einem Regler mit einem Integralanteil, insbesondere einem PI-Regler, zugeführt wird, dessen Ausgangssignal auf die Beschleunigung aufaddiert wird.

Wenn die Modellgeschwindigkeit vor der Subtraktion zeitverzögert wird, ist die Offsetkompensation mit höherer Regeldynamik durchführbar.

Wenn der Regler mit einem Integralanteil im Feld einstellbare Reglerparameter aufweist, sind die Reglerparameter im Feld an die dort konkret gegebenen Umstände anpassbar.

Wenn durch Integrieren der Istgeschwindigkeit eine Modelllage und anhand der Modelllage eine Istlage ermittelt wird, kann anhand der Beschleunigung auch die Istlage berechnet werden.

Wenn die Istlage und die Messlage voneinander subtrahiert werden und die Differenz einem P-Regler zugeführt wird, dessen Ausgangssignal auf die Istgeschwindigkeit aufaddiert wird, ist auch die Istlage offsetfrei ermittelbar.

Wenn die Istlage gegenüber der Modelllage zeitverzögert ist, arbeitet die Regelung genauer.

Wenn der P-Regler im Feld einstellbare Reglerparameter aufweist, sind die Reglerparameter im Feld an die dort konkret gegebenen Umstände anpassbar.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung
1 eine Regelanordnung mit einem Verfahrelement und
2 die innere Struktur der Regelanordnung von 1.
Gemäß 1 wird ein Bewegen eines Verfahrelements 1 sowohl mittels eines Lagesensors 2 als auch mittels eines Beschleunigungssensors 3 erfasst. Der Lagesensor 2 erfasst dabei eine Messlage x1, der Beschleunigungssensor 3 eine Beschleunigung a. Die Beschleunigung a und die Messlage x1 können dabei wahlweise lineare oder rotatorische Größen sein.
Die Beschleunigung a und die Messlage x1 werden einer Regelanordnung 4 zugeführt. Die Regelanordnung 4 kann ein Hardwareregler sein. Vorzugsweise aber ist die Regelanordnung 4 ein Softwareregler, der ein Computerprogramm 5 abarbeitet. In diesem Fall ist die Regelanordnung 4 mit dem Computerprogramm 5 programmiert und arbeitet entsprechend der Programmierung durch das Computerprogramm 5.
Die Regelanordnung 4 ermittelt anhand der übermittelten Beschleunigung a und/oder der übermittelten Messlage x1 eine Istgeschwindigkeit v und vergleicht diese mit einer Sollgeschwindigkeit v*. Die Regelanordnung 4 regelt dann das Verfahrelement 1 derart nach, dass die Istgeschwindigkeit v der Sollgeschwindigkeit v* angeglichen wird.
Gemäß 2 wird die Beschleunigung a über einen ersten Additionspunkt 6 einem ersten Integrator 7 zugeführt. Dieser integriert das ihm zugeführte Signal und ermittelt so durch Integrieren der Beschleunigung a eine Modellgeschwindigkeit vM. Die Modellgeschwindigkeit vM wird als Istgeschwindigkeit v herangezogen. Sie wird über einen zweiten Additionspunkt 8 einem zweiten Integrator 9 zugeführt. Dieser ermittelt durch Integrieren der Istgeschwindigkeit v eine Modelllage xM und gibt diese aus. Dem zweiten Integrator 9 ist ein erster Verzögerer 10 nachgeordnet, so dass das Ausgangssignal des ersten Verzögerers 10 der Istlage x entspricht.
Die Messlage x1 wird einem Differenzierer 11 zugeführt, der durch Differenzieren der Messlage x1 eine Messgeschwindigkeit v1 des Verfahrelements 1 ermittelt. Die Messgeschwindigkeit v1 und die Modellgeschwindigkeit vM werden einem ersten Subtraktionspunkt 12 zugeführt. Dort werden die Modellgeschwindigkeit vM und die Messgeschwindigkeit v1 voneinander subtrahiert. Die Differenz wird einem ersten Regler 13 zugeführt. Dessen Ausgangssignal wird dem ersten Additionspunkt 6 zugeführt und so ein etwaiger Offset der gemessenen Beschleunigung a kompensiert. Die Modellgeschwindigkeit vM wird dem ersten Subtraktionspunkt 12 über einen zweiten Verzögerer 14 zugeführt, so dass im ersten Regler 13 mit gleichen Zeiten korrespondierende Größen vM, v1 miteinander verglichen werden.
Die Messlage x1 und die Istlage x werden einem zweiten Subtraktionspunkt 15 zugeführt. Dort werden die Istlage x und die Messlage x1 voneinander subtrahiert. Die Differenz wird einem zweiten Regler 16 zugeführt, dessen Ausgangssignal über den zweiten Additionspunkt 8 auf die Istgeschwindigkeit v aufaddiert wird.
Der erste Regler 13 ist als PI-Regler ausgebildet. Er weist daher mindestens zwei Reglerparameter auf, nämlich eine Proportionalverstärkung PV1 und eine Integralverstärkung IV. Insbesondere weist er somit einen Integralanteil auf. Der zweite Regler 16 ist als P-Regler ausgebildet. Er weist daher mindestens einen Reglerparameter auf, nämlich eine zweite Proportionalverstärkung PV2.
Um die Regelanordnung 4 möglichst flexibel einsetzen zu können, sind die Reglerparameter PV1, PV2, IV im Feld einstellbar. Dies ist in 2 durch entsprechende Pfeile zu den Reg lern 13, 16 angedeutet. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Reglerparameter PV1, IV des ersten Reglers 13 derart gewählt werden, dass eine Regelabweichung nach fünf bis tausend, insbesondere nach einhundert bis dreihundert, Systemtakten ausgeregelt ist.
Aufgrund der Ausbildung des ersten Reglers 13 als PI-Regler regelt dieser jeden auch noch so geringen Offset des Beschleunigungssensors 3 zu Null. Stationär kann daher im Integrationszweig kein Geschwindigkeitsoffset entstehen. Aus diesem Grund ist die Ausbildung des zweiten Reglers 16 als P-Regler hinreichend.
Mit dem erfindungsgemäßen Ermittlungsverfahren bzw. der erfindungsgemäßen Regelanordnung 4 ist auf einfache Weise eine hochgenaue Geschwindigkeitsregelung des Verfahrelements 1 möglich, ohne dass die Gefahr eines Wegdriftens der aus der Beschleunigung a abgeleiteten Modellgeschwindigkeit vM besteht.

Claims

Ermittlungsverfahren für eine Istgeschwindigkeit (v) eines bewegbaren Verfahrelements (1), – wobei mittels eines Beschleunigungssensors (3) eine Beschleunigung (a) des Verfahrelements (1) erfasst wird und in einem Integrator (7) durch Integrieren der Beschleunigung (a) eine Modellgeschwindigkeit (vM) des Verfahrelements (1) ermittelt wird, – wobei mittels eines Lagesensors (2) eine Messlage (x1) des Verfahrelements (1) erfasst wird und in einem Differenzierer (11) durch Differenzieren der Messlage (x1) eine Messgeschwindigkeit (v1) des Verfahrelements (1) ermittelt wird, – wobei anhand der Modellgeschwindigkeit (vM) die Istgeschwindigkeit (v) ermittelt wird und – wobei die Modellgeschwindigkeit (vM) und die Messgeschwindigkeit (v1) voneinander subtrahiert werden und die Differenz einem Regler (13) mit einem Integralanteil, insbesondere einem PI-Regler (13), zugeführt wird, dessen Ausgangssignal auf die Beschleunigung (a) aufaddiert wird.
Ermittlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellgeschwindigkeit (vM) vor der Subtraktion zeitverzögert wird.
Ermittlungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (13) mit einem Integralanteil im Feld einstellbare Reglerparameter (PV1, IV) aufweist.
Ermittlungsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Integrieren der Istgeschwindigkeit (v) eine Modelllage (xM) und anhand der Modelllage (xM) eine Istlage (x) ermittelt wird.
Ermittlungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Istlage (x) und die Messlage (x1) voneinander subtrahiert werden und dass die Differenz einem P-Regler (16) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal auf die Istgeschwindigkeit (v) aufaddiert wird.
Ermittlungsverfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Istlage (x) gegenüber der Modelllage (xM) zeitverzögert wird.
Ermittlungsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der P-Regler (16) im Feld einstellbare Reglerparameter (PV2) aufweist.