DE10038570A1 - Stator current regulation in electrical machines uses sampled values with delay in PI controller - Google Patents
Stator current regulation in electrical machines uses sampled values with delay in PI controllerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Statorstromes einer elektrischen Maschine, wobei ein Istwert des Statorstromes erfaßt und mit einem Stromsollwert verglichen wird, und eine aus dem Soll-/Istwertvergleich resultierende Regelabweichung mittels einer Regeleinrichtung zu einem Regelausgangswert für eine Stellspannung des Stators beziehungsweise an der Maschine umgesetzt wird. Bei zeitdiskreter Regelung des Statorstromes mit diskreten Abtastzeitpunkten für einzelne Istwerte des Statorstromes wird der Regelausgangswert um ein von zwei aufeinander folgenden Abtastzeitpunkten definiertes Abtastzeitintervall verzögert als Stellspannung an der Maschine ausgegeben. Ferner betrifft die Erfindung einen I-Regelkanal für einen PI-, PID- oder sonstigen Regler zur Anwendung in einem Stromregelkreis der Statorwicklung einer elektrischen Maschine, wobei der I-Regelkanal insbesondere zur Durchführung des genannten Verfahrens geeignet oder ausgebildet ist. Weiter betrifft die Erfindung einen entsprechenden PI-Regler sowie einen Stromregelkreis der Statorwicklung einer elektrischen Maschine, der ein mit Stromsoll- und Stromistwerten gespeistes Soll-/Istwert-Vergleichsglied und einen diesem Vergleichsglied nachgeschalteten PI-Regler aufweist.The invention relates to a method for regulating the stator current electrical machine, wherein an actual value of the stator current is detected and with a Current setpoint is compared, and one from the setpoint / actual value comparison resulting control deviation using a control device to a Control output value for a control voltage of the stator or at the Machine is implemented. With discrete time control of the stator current with discrete sampling times for individual actual values of the stator current Control output value by one of two consecutive sampling times Defined sampling time interval delayed as control voltage on the machine spent. The invention further relates to an I control channel for a PI, PID or other controller for use in a current control loop Stator winding of an electrical machine, the I control channel in particular is suitable or designed to carry out said method. Further The invention relates to a corresponding PI controller and a current control loop the stator winding of an electrical machine, the one with current setpoint and Current / actual value reference and actual value comparator and one of these Comparator downstream PI controller.
Regelungen des Statorstromes einer elektrischen Maschine der genannten Art sind bekannt. Meist findet dabei ein PI-Regler wegen seiner relativ guten Eigenschaften und seiner einfachen Handhabbarkeit bei der gattungsgemäßen Antriebstechnik (Gleich- und Drehstrommaschinen) Anwendung. Vor allem im Bereich der Servoantriebe besteht ein beachtliches Bedürfnis nach schnellen bzw. hochdynamischen und gleichzeitig stabilen sowie präzise arbeitenden Regelkreisen, bei denen der Anstieg des Statorstromes maximal sein kann. Gegebenenfalls soll auch ein Überschwingen eingedämmt oder vermieden sein.Regulations of the stator current of an electrical machine of the type mentioned are known. Usually a PI controller is found because of its relatively good Properties and its ease of use in the generic Drive technology (DC and three-phase machines) application. Especially in There is a considerable need for fast or highly dynamic and at the same time stable and precise working Control loops in which the increase in the stator current can be maximum. If necessary, overshoot should also be contained or avoided.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird das im Patentanspruch 1 angegebene, zeitdiskrete Regelungsverfahren für den Statorstrom einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, wonach im Rahmen einer I-Regelung eine aktuelle Regelabweichung und eine ältere, um wenigstens ein Abtastintervall zurückliegende Regelabweichung miteinander gemittelt werden, und ein resultierender Mittelwert über die Zeit für den Regelausgangswert integriert wird. Zur zeitdiskreten bzw. digitalen Regelung werden natürlich numerische Integrationsverfahren eingesetzt. Indem erfindungsgemäß mit Hilfe des Totzeitglieds wenigstens auch eine vergangene Regelabweichung im aktuellen Abtastintervall mit berücksichtigt wird, läßt sich die Genauigkeit des I-Regelkanals und im Falle eine kombinierten Regelung, beispielsweise PI-Regelung, die Genauigkeit der stationären Komponente erhöhen. Eine etwaige Pulsweitenmodulation, welche der Regelung als Stellglied nachgeschaltet ist, läßt sich mit der Erfindung stabilisieren.To achieve this object, that specified in claim 1, Discrete-time control method for the stator current of an electrical machine proposed that a current I-regulation Control deviation and an older one by at least one sampling interval previous control deviation can be averaged, and a resulting mean value over time for the control output value is integrated. Numerical are of course used for discrete-time or digital control Integration process used. According to the invention with the help of Dead time element at least also a past control deviation in the current one Sampling interval is taken into account, the accuracy of the I control channel and in the case of a combined control, for example PI control, the Increase the accuracy of the stationary component. Any Pulse width modulation, which follows the control as an actuator, can stabilize with the invention.
Eine zweckmäßige, rechentechnisch einfache Realisierung der Mittelwertbildung besteht darin, die aktuelle und ältere Regelabweichung miteinander zu addieren und dann das Additionsergebnis vor der weiteren (numerischen) Integration zu halbieren. Die aktuelle Regelabweichung kann, bevor sie Eingangsgröße für die Mittelung bildet, über Proportionalglieder mit einem oder mehreren Regelparametern multipliziert, verknüpft oder sonstwie verarbeitet oder auch direkt der Mittelwertbildung zugeführt sein.A practical, computationally simple realization of the averaging consists of adding the current and older control deviation together and then the addition result before further (numerical) integration cut in half. The current control deviation can, before it is input variable for the Averaging forms over proportional links with one or more Control parameters multiplied, linked or otherwise processed or also be directly fed to the averaging.
Die Stabilität der Regelung fördert es, wenn nach einer anderen Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Regelabweichung vor ihrer Mittelung einer Betrags- bzw. Größenverminderung unterworfen wird, welche nur dann durchgeführt wird, wenn der Ausgangswert der Regelung einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.The stability of the scheme promotes if, after a different training of the the method according to the invention the control deviation before averaging it Amount or size reduction is subjected, which only then is performed when the initial value of the control is a predetermined one Limit exceeded.
Zur Lösung der eingangs genannten Erfindungsaufgabe wird zur Regelung des Statorstromes einer elektrischen Maschine mittels einer kombinierten P- und I-Regelung erfindungsgemäß vorgeschlagen, für den Soll-/Istwertvergleich einen prädiktiven Strom-Istwert zu verwenden, der durch Addition des am Stator erfaßten Strom-Istwerts mit einer durch Stromprädiktion ermittelten Änderung des Strom-Istwerts gebildet wird. Die Stromprädiktion ist an sich bekannt. Hier wird aber eine neuartige Kombination mit einem PI-Regler vorgeschlagen. Diese Erfindungsalternative ist nicht auf die Anwendung zeitdiskreter, digitaler Regelsysteme mit Abtastgliedern beschränkt, aber für solche Regelungen besonders geeignet.To solve the invention task mentioned at the outset is to regulate the Stator current of an electrical machine using a combined P and I control proposed according to the invention for the setpoint / actual value comparison predictive current actual value to be used by adding the stator detected current actual value with a change in the determined by current prediction Current actual value is formed. The electricity prediction is known per se. Here will but proposed a new combination with a PI controller. This Alternative invention is not based on the use of time-discrete, digital Control systems with sensing elements limited, but for such controls particularly suitable.
So basiert eine besondere Ausbildung dieser erfindungsgemäßen Verfahrensalternative auf einer zeitdiskreten Regelung, bei der in diskreten Abtastzeitpunkten jeweils der Istwert des Statorstromes erfaßt, und der über das Regelverfahren unmittelbar berechnete Regelausgangswert um ein Abtastzeitintervall verzögert in die Stellspannung für den Stator umgesetzt wird. Die besondere Ausbildung zeichnet sich dadurch aus, dass im Rahmen der Stromprädiktion eine vorhergesagte Statorstromänderung mit dem zuletzt abgetasteten Statorstrom-Istwert für den nachgeordneten Soll-/Istwert-Vergleich addiert wird. Insbesondere wird in Weiterführung dieser zeitdiskret ausgestalteten Regelung für die Addition der Statorstrom-Istwert verwendet, der im jeweils aktuellen Abtastzeitpunkt erfaßt wurde, wohingegen für die Stromprädiktion ein Regelausgangswert verwendet wird, der in einem Abtastzeitintervall vor dem aktuellen Abtastzeitpunkt berechnet wurde. Der erfindungsgemäß eingesetzten Stromprädiktion wohnt der Gedanke inne, für ein folgendes Abtastzeitintervall eine Änderung des Strom-Istwerts zu prognostizieren und zum zuletzt abgetasteten Strom-Istwert zu addieren, und dann das resultierende Additionsergebnis mit dem Strom-Sollwert zu vergleichen.So is a special training of this invention Process alternative on a discrete-time control, in which in discrete Sampling times, the actual value of the stator current is detected, and that over the Control method immediately calculated control output value by one Delayed sampling time interval is converted into the control voltage for the stator. The special training is characterized by the fact that within the Current prediction a predicted stator current change with the last one sampled actual stator current value for the subordinate setpoint / actual value comparison is added. In particular, this will be designed in a time-discrete manner Regulation for the addition of the actual stator current value used in each current sampling time was recorded, whereas for the current prediction Control output value is used, which is in a sampling time interval before current sampling time was calculated. The used according to the invention Current prediction is inherent in the idea of one for a subsequent sampling time interval Change in the current actual value to be forecast and the last sampled Current actual value to add, and then the resulting addition result with the Compare current setpoint.
Im Rahmen der allgemeinen erfinderischen Idee wird zur Lösung der anfangs genannten Erfindungsaufgabe weiter ein (nicht auf zeitdiskrete bzw. digitale Arbeitsweisen beschränkter) I-Regelkanal für einen PI-, PID- oder sonstigen Regler zur Anwendung in Stator-Stromregelungen vorgeschlagen, der sich durch eine Einrichtung zur Bildung eines Mittelwerts aus einer aktuellen und wenigstens einer älteren Regelabweichung auszeichnet, wobei der Mittelwertbildner vor dem Integrierglied des I-Regelkanals angeordnet ist. Mit diesem I-Regelkanal läßt sich das weiter oben genannte, zeitdiskrete Regelungsverfahren zweckmäßig realisieren. Um bei digitaler, zeitdiskreter Regelung der systembedingten Verzögerung eines Pulsweitenmodulators als Stellglied um ein Abtastzeitintervall bzw. eine Abtastperiode zu begegnen, wird nach einer besonderen Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Totzeit des Totzeitglieds des I-Regelkanals nach dem Abtastintervall eines externen Abtastglieds bemessen ist, das zur Erfassung einzelner, diskreter Strom-Istwerte dient. Der Eingang des I- Regelkanals ist zum Anschluß an ein Soll-/Istwert-Vergleichsglied ausgebildet, das von dem Abtastglied mit den diskreten Strom-Istwerten gespeist ist.As part of the general inventive idea, the solution to the initially mentioned invention task further (not on time-discrete or digital I-control channel for a PI, PID or other Regulator proposed for use in stator current controls that stand out a device for forming an average from a current and at least an older control deviation, whereby the averager before Integrator of the I control channel is arranged. With this I control channel the above-mentioned, discrete-time control procedure is appropriate realize. In order for digital, time-discrete control of the system-related Delay of a pulse width modulator as an actuator by a sampling time interval or to meet a sampling period is after a special training The invention proposed that the dead time of the dead time element of the I control channel is dimensioned according to the sampling interval of an external sampling element, which for Detection of individual, discrete current actual values is used. The entrance of the I- Control channel is designed for connection to a setpoint / actual value comparison element, which is fed by the sensing element with the discrete actual current values.
Im Rahmen der allgemeinen erfinderischen Idee wird zur Lösung der eingangs genannten Erfindungsaufgabe auch ein PI-Regler zur Anwendung in einem Stromregelkreis der Statorwicklung vorgeschlagen, welcher Regler neben dem P-Regelkanal einen I-Regelkanal aufweist, der nach dem oben und in den Patentansprüchen angegebenen Erfindungsprinzip ausgebildet ist.As part of the general inventive idea to solve the problem mentioned invention task also a PI controller for use in a Current control loop of the stator winding proposed which controller next to that P control channel has an I control channel, which after and above Invention principle specified claims is formed.
In besonderer Ausbildung ist der I-Regelkanal des erfindungsgemäßen PI-Reglers mit einer Reduktionseinrichtung für Eingangswerte bzw. Regelabweichungen versehen, welche Begrenzungseinrichtung dem Totzeitglied und dem Addierer vorgeordnet und abhängig von der Größe oder dem Betrag eines Ausgangswerts des Reglers oder speziell des I-Regelkanals aktivierbar ist. Die Aktivierung kann beispielsweise mittels eines an sich bekannten Schwellwertentscheiders erfolgen, dessen Schwellwert bzw. Triggerlevel auf einen maximalen Grenzbetrag des Regler-Ausgangswerts hin dimensioniert ist.The I control channel of the PI controller according to the invention is of a special design with a reduction device for input values or control deviations which limiting device the dead time element and the adder precedes and depends on the size or amount of an initial value of the controller or specifically the I control channel can be activated. The activation can for example by means of a threshold value decider known per se, its threshold or trigger level to a maximum limit of Controller output value is dimensioned.
Zur Lösung der eingangs genannten Erfindungsaufgabe und/oder zur Durchführung des oben genannten Regelungsverfahrens mit Stromprädiktion wird nach einer Erfindungsalternative ein Stromregelkreis mit Vergleichsglied und nachgeschaltetem PI-Regler vorgeschlagen, in dem eine Einrichtung zur Stromprädiktion vorgesehen ist. Diese Stromprädiktion erzeugt aus Eingangswerten wie dem Reglerausgangswert und dem Strom-Istwert und gegebenenfalls einem EMK-Vorsteuerwert eine Strom-Istwert-Änderung als resultierende Ausgangsgröße. Die Stromprädiktions-Einrichtung ist ausgangsseitig mit dem Vergleichsglied mittelbar über ein Summierglied verbunden, dem der Strom-Istwert zugeführt ist. Damit ist erfindungsgemäß die Möglichkeit eröffnet, einen Soll-/Istwert-Vergleich durchzuführen, bei dem der Istwert eine prädiktive Komponente aufweist, was auch eine prädiktive Komponente in der Führung des Regelkreises ergibt.To solve the invention task mentioned at the outset and / or Implementation of the above-mentioned regulatory procedure with electricity prediction According to an alternative of the invention, a current control loop with comparator and downstream PI controller proposed, in which a device for Current prediction is provided. This current prediction generates from Input values such as the controller output value and the current actual value and if necessary, an actual EMC pre-control value as a change in current value resulting output variable. The current prediction device is on the output side indirectly connected to the comparator via a summing element to which the Current actual value is supplied. This opens up the possibility according to the invention carry out a target / actual value comparison, in which the actual value is a predictive one Component, which is also a predictive component in the management of the Control loop results.
Im Falle der Realisierung des Stromregelkreises als zeitdiskretes Abtastsystem, bei dem die Regelausgangsgrößen immer erst um ein Abtastintervall verzögert in die Stator-Stellspannung umgesetzt werden können, ist es zweckmäßig, dass die Prädiktionseinrichtung ein Totzeitglied mit einer Totzeitkonstante umfaßt, die dem Abtastzeitintervall entspricht. Dem Totzeitglied wird dann der Ausgangswert des PI-Reglers oder im Falle einer EMK-Vorsteuerung ein Subtraktionsergebnis zwischen dem Regler-Ausgangswert als Minuend und dem EMK-Vorsteuerwert als Subtrahend zugeführt. Nachfolgend wird der Statorstrom-Istwert des jeweils aktuellen Abtast-Zeitintervalls mit den gemäß Totzeitglied verzögerten Reglerausgangswerten zu einer prädiktiven Strom-Istwert-Vorhersage weiterverarbeitet.If the current control loop is implemented as a discrete-time scanning system, where the control output variables are always delayed by a sampling interval in the stator control voltage can be implemented, it is appropriate that the Prediction device comprises a dead time element with a dead time constant that the Corresponds to the sampling time interval. The dead time element is then the initial value of PI controller or, in the case of EMF feedforward control, a subtraction result between the controller output value as a minuend and the EMF pilot control value fed as a subtrahend. The actual stator current value of each current sampling time interval with those delayed according to the dead time element Controller output values for a predictive current actual value prediction processed further.
Weitere Einzelheiten, Merkmale, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus den Zeichnungen. Diese zeigen in:Further details, features, advantages and effects based on the Invention result from the following description more preferred Embodiments of the invention and from the drawings. These show in:
Fig. 1 das Strukturbild eines Stromregelkreises für die Statorwicklung eines elektrischen Antriebs, wie im Stand der Technik bekannt, Fig. 1 shows the structure diagram of a current control loop for the stator winding of an electric drive, as is known in the art,
Fig. 2 ein Strom-Zeit-Diagramm für den erfindungsgemäß anzustrebenden Stromverlauf, Fig. 2 shows a current-time diagram for the invention to be aimed current profile,
Fig. 3 ein Strom-Zeit-Diagramm für den bei hoher Drehzahl oder mit großer Induktivität der elektrischen Maschine anzustrebenden Stator-Stromverlauf, Fig. 3 shows a current-time diagram to be aimed for at a high speed or with a large inductance of the electrical machine stator current profile,
Fig. 4 ein Strukturbild eines erfindungsgemäßen PI-Stromreglers, Fig. 4 is a structural diagram of a PI current regulator according to the invention,
Fig. 5 ein Strom-Zeit-Diagramm des Stator-Stromverlaufs mit dem in Fig. 4 dargestellten Stromregler, Fig. 5 shows a power-time diagram of the stator current waveform with that in Fig. 4 shown current controller,
Fig. 6 ein Strom-Zeit-Diagramm für Stromverläufe mit dem erfindungsgemäßen Stromregler, zusätzlich versehen mit einer Stromprädiktion, Fig. 6 is a power-time diagram for current waveforms with the current regulator according to the invention, additionally provided with a current prediction,
Fig. 7 ein Strukturbild des erfindungsgemäßen Stromreglers mit Stromprädiktion, Fig. 7 shows a structural diagram of the current controller of the invention with current prediction,
Fig. 8 - Fig. 11 Sprungantworten des Statorstroms bei erfindungsgemäßer und vorbekannter Regelung für verschiedene Drehzahlen. Fig. 8 - Fig. 11 step responses of the stator in accordance with the invention and of prior art control for different speeds.
Ein an sich bekannter Standard-Stromregelkreis bei einem elektrischen Antrieb kann verallgemeinert wie in Fig. 1 dargestellt werden. Die Motorwicklung läßt sich näherungsweise elektrisch wie ein PT1-Verzögerungsglied erster Ordnung beschreiben, wenn eine induzierte Spannung ("Motor-EMK") durch eine an sich bekannte Vorsteuerung kompensiert ist. Im einzelnen bildet gemäß Fig. 1 die Statorwicklung die Regelstrecke 1 mit dem genannten Übertragungsglied PT1 und einem vorgeschalteten Proportionalglied 1/rS. rS steht für den Widerstand der Statorwicklung. Die Regelstrecke 1 enthält noch ein dem Proportionalglied 1/rS vorgeschaltetes Summierglied 2, welches den Einfluß der zur Drehzahl proportionalen Motor-EMK emk_Motor zum Ausdruck bringt. Die Statorwicklung bzw. Regelstrecke 1 erhält ihre Eingangs- bzw. Stellspannung usq aus einem Pulsweitenmodulator 3, der in Fig. 1 als Totzeitglied 3 mit einer Totzeitkonstante Tab symbolisiert ist. Die Totzeitkonstante hat denselben Zeitbetrag Tab wie das Abtastzeitintervall Tab eines in Fig. 1 als Schalter veranschaulichten Abtastglieds 4. Letzteres erfaßt in äquidistanten Abtastzeitpunkten jeweils einen diskreten Stator-Strom-Istwert isq, der vom Ausgang des Abtastglieds 4 einem Soll-/Iststrom-Vergleichsglied 5 mit negativem Vorzeichen zugeführt wird. Am Ausgang des Vergleichsglieds 5 ergibt sich die Strom-Regelabweichung Δi, welche dem PI- Regler 6 zugeführt wird. Dieser besteht in bekannter Weise aus zwei parallel geschalteten Regelkanälen, einem P-Regelkanal mit dem Regelparameter kp und einem I-Regelkanal mit dem Parameter kp/Tn. Dem letzteren I-Regelparameter enthaltenden Proportionalglied 7 im I-Regelkanal ist ein Integrierglied 8 nachgeschaltet. Die sich ergebenden beiden Regelkanal-Ausgangswerte u_P_Teil, u_I_Teil (für P- und I-Anteil) werden einem Regler-Ausgangssummierglied 9 zugeführt. Ein weiterer Eingang dieses Ausgangssummierglieds 9 ist mit einer Vorsteuerung 10 verbunden, die neben der Geschwindigkeit/Drehzahl speed als Haupteingangsgröße mit einem Standardwert NORM_EMK für eine "Normal-EMK" (Normierungsfaktor für elektromotorische Kraft) und mit dem magnetischen Fluß psi als weitere Eingangsgrößen arbeitet. Letztere werden mit der Geschwindigkeit speed über jeweilige Multiplizierglieder 11, 12 verknüpft. Wie bereits angesprochen, wird mittels des Abtastglieds 4 bei dem gezeigten, digitalen Regelsystem der Ist-Strom in der Statorwicklung in äquidistanten Abtastzeitpunkten jeweils nach dem Abtastintervall Tab abgetastet. Daraus wird über den PI-Regler 6 der Regelausgangswert usq_ref berechnet, der am Ausgang des Regler-Ausgangssummierglieds 9 einer Begrenzung 13 unterworfen wird und dem Pulsweitenmodulator 3 als Eingangsgröße zugeführt ist. Dieser setzt den Regelausgangswert usq_ref in eine Stellspannung usq um, die mit jedem Abtastzeitpunkt bzw. Abtastzeitintervall Tab neu erzeugt wird. Eine Änderung der Stellspannung usq ist aber aufgrund des digitalen Abtastsystems mit dem Abtastglied 4 nur im jeweils nächsten bzw. folgenden Abtastzeitintervall Tab möglich und kann nur so um ein Abtastzeitintervall Tab verzögert an den Motor ausgegeben werden. Damit ergibt sich, dass der Pulsweitenmodulator 3 im Regelkreis ein zusätzliches Verzögerungsglied oder Totzeitglied bildet, das bei der Auslegung des Stromreglers berücksichtigt werden muß. A known standard current control loop in an electric drive can be generalized as shown in FIG. 1. The motor winding can be described approximately electrically as a first order PT1 delay element if an induced voltage ("motor EMF") is compensated for by a pilot control known per se. In particular, according to Figure 1, the stator winding forming Fig. 1 the control path to said transfer member PT1 and an upstream proportional term 1 / r S. r S stands for the resistance of the stator winding. The controlled system 1 also contains a summing element 2 connected upstream of the proportional element 1 / r S , which expresses the influence of the motor EMF emk_Motor, which is proportional to the speed. The stator winding or controlled system 1 receives its input or control voltage usq from a pulse width modulator 3 , which is symbolized in FIG. 1 as a dead time element 3 with a dead time constant Tab. The dead time constant has the same amount of time Tab as the sampling time interval Tab of a sampling element 4 illustrated as a switch in FIG. 1. The latter detects a discrete actual stator current value isq at equidistant sampling times, which is fed from the output of the sampling element 4 to a nominal / actual current comparison element 5 with a negative sign. The current control deviation Δi, which is fed to the PI controller 6, results at the output of the comparator 5 . In a known manner, this consists of two control channels connected in parallel, a P control channel with the control parameter kp and an I control channel with the parameter kp / Tn. An integrating element 8 is connected downstream of the proportional element 7 containing the latter I control parameter in the I control channel. The resulting two control channel output values u_P_Teil, u_I_Teil (for P and I components) are fed to a controller output summing element 9 . Another input of this output summing element 9 is connected to a pilot control 10 which, in addition to the speed / speed speed, works as the main input variable with a standard value NORM_EMK for a "normal EMF" (standardization factor for electromotive force) and with the magnetic flux psi as further input variables. The latter are linked to the speed speed via respective multipliers 11 , 12 . As already mentioned, the actual current in the stator winding is sampled at equidistant sampling times in each case after the sampling interval Tab by means of the sampling element 4 in the digital control system shown. From this, the control output value usq_ref is calculated via the PI controller 6 , which is subjected to a limitation 13 at the output of the controller output summing element 9 and is supplied to the pulse width modulator 3 as an input variable. This converts the control output value usq_ref into a control voltage usq, which is generated anew with each sampling time or sampling time interval Tab. A change in the control voltage usq is possible due to the digital scanning system with the scanning element 4 only in the next or following scanning time interval Tab and can only be output to the motor with a delay of one scanning time interval Tab. This means that the pulse width modulator 3 forms an additional delay element or dead time element in the control loop, which must be taken into account when designing the current regulator.
Zur Erzielung eines hochdynamischen und stabilen Servoantriebs werden in dem
gezeigten Regelkreis an den Stromregler folgende Anforderungen an dessen
Sprungantwort gestellt:
In order to achieve a highly dynamic and stable servo drive, the following requirements are placed on the current controller in the control loop shown:
- - Maximaler Anstieg des Stromes- Maximum increase in current
- - Kein Überschwingen.- No overshoot.
Zur Bestimmung der Parameter eines Stromreglers ist in der Antriebstechnik das
Betragsoptimum bekannt. Dabei wird das Verzögerungsglied beziehungsweise
Totzeitglied 3 als PT1-Glied mit einer Zeitkonstante des 1,5fachen des
Abtastintervalls Tab angenommen. Unter Berücksichtigung der Vorsteuerung 10
gegenüber der induzierten Spannung wird das Dimensionieren des PI-Reglers 6
nur nach dem Führungsverhalten durchgeführt. So erhält man die
Übertragungsfunktion des offenen Regelkreises:
The optimum amount is known in drive technology for determining the parameters of a current controller. The delay element or dead time element 3 is assumed to be a PT1 element with a time constant of 1.5 times the sampling interval Tab. Taking into account the pilot control 10 in relation to the induced voltage, the dimensioning of the PI controller 6 is carried out only according to the guidance behavior. How to get the transfer function of the open control loop:
wobei gilt:
rS Widerstand der Statorwicklung
Tab Regelungsintervall des Stromkreises, oder Abtastzeit,
TS=IS/rS die elektrische Zeitkonstante des Stators für Synchronmaschine,
TS=Iσ/rS die elektrische Zeitkonstante des Stators für Asynchronmaschine
IS ist die Statorinduktivität der Synchronmaschine und Iσ die gesamte
Streuinduktivität der Asynchronmaschine.
where:
r S resistance of the stator winding
T from the control interval of the circuit, or sampling time,
T S = I S / r S the electrical time constant of the stator for synchronous machine,
T S = I σ / r S the electrical time constant of the stator for asynchronous machines
I S is the stator inductance of the synchronous machine and I σ is the total leakage inductance of the asynchronous machine.
Nach Betragsoptimum sind die Verstärkung und die Nachstellzeit
The gain and reset time are based on the optimum amount
Mit TS=IS/rS erhält man den P- und I-Faktor als Parameter für den PI-Regler:
With T S = I S / r S you get the P and I factors as parameters for the PI controller:
Die Eigenschaften des Regelkreises mit dem Betragsoptimum ergeben als ein Kompromiß zwischen Dynamik und Überschwingen. Jedoch ist es unmöglich, mit diesem genannten Verfahren einen Regelkreis zu erhalten, der sich durch hohe Dynamik und Reaktionsschnelligkeit einerseits und nur durch minimale Überschwingungen oder deren Fehlen auszeichnet. Der große Kp-Faktor sorgt bei einem PI-Regler für die Dynamik/Reaktionsschnelligkeit. Eine passende Nachstellzeit Tn ist maßgeblich für die Regelgenauigkeit.The properties of the control loop with the optimum amount result as one Compromise between dynamics and overshoot. However, it is impossible with to obtain a control loop that is characterized by high Dynamics and responsiveness on the one hand and only through minimal Overshoots or lack thereof. The large Kp factor ensures a PI controller for dynamics / responsiveness. A fitting Reset time Tn is decisive for the control accuracy.
Um die anzustrebenden Eigenschaften für den Stromregelkreis zu erreichen, muß ein Regler in der Lage sein, die Regelabweichung Δi = isq_ref-isq in einem Abtastzeitintervall Tab auszuregeln, wenn der Strom-Sollwert isq_ref sich ändert. Fig. 2 zeigt die gewünschten Verläufe des Strom-Sollwerts isq_ref und des Strom-Istwerts isq.In order to achieve the desired properties for the current control loop, a controller must be able to correct the control deviation Δi = isq_ref-isq in a sampling time interval Tab when the current setpoint isq_ref changes. Fig. 2 shows the waveforms of the desired current command value and the actual current isq_ref isq.
Unter der Annahme, dass die induzierte Spannung zuerst gleich Null ist, läßt sich
das erforderliche Spannungsintegral zu den in Fig. 2 dargestellten Verläufen
bestimmen:
Assuming that the induced voltage is initially equal to zero, the required voltage integral can be determined for the courses shown in FIG. 2:
Wie oben erwähnt, sorgt der P-Anteil für den maximalen Anstieg des Stroms und
der I-Anteil für den stabilen und präzisen stationären Zustand des Stroms, hier der
Spannungsabfall am Widerstand rS. Im nächsten Abtastintervall Tab hat der
Strom den Sollwert erreicht, daher ist der für Dynamik zuständige P-Anteil nicht
mehr nötig und der I-Anteil gleich rSΔi(k):
As mentioned above, the P component ensures the maximum increase in current and the I component ensures the stable and precise steady state of the current, here the voltage drop across the resistor r S. In the next sampling interval Tab, the current has reached the setpoint, so the P component responsible for dynamics is no longer necessary and the I component is equal to r S Δi (k):
usq(k+1) = u_P_Teil(k) + u_I_Teil(k) = 0 + rS.Δi(k) (3b)
usq (k + 1) = u_P_Teil (k) + u_I_Teil (k) = 0 + r S .Δi (k) (3b)
Vergleicht man die Gleichungen (2b) und (3a), läßt sich feststellen, dass bei dem mit der Erfindung anzustrebenden Regler der KP- und KI-Faktor drei Mal so groß wie bei einem herkömmlichen PI-Regler - Gleichung (2b) - ist. Dadurch werden die Störgrößen im Stromregelkreis schnell unterdrückt.Comparing equations (2b) and (3a), it can be seen that the with the invention to be aimed for controller KP and KI factor three times as large as with a conventional PI controller - equation (2b). This will make the Interference in the current control loop quickly suppressed.
Die induzierte Spannung steigt mit zunehmender Drehzahl. Folglich wird die zum Aufbau des Stroms zur Verfügung stehende Spannung kleiner. Die aus dem Regler 6 kommende Spannung, die zum Ausregeln der Abweichung in einem Abtastzeitintervall erforderlich wäre, wird dann nicht mehr an den Motor weiter gegeben werden, sondern durch die Begrenzung 13 abgeschnitten. Dies passiert auch, wenn die Induktivität des Motors groß ist. In solchen Fällen braucht der Strom mehrere Abtast-Perioden Tab, um den Soll- beziehungsweise Stellwert zu erreichen. Um die in Fig. 3 dargestellten Verläufe zu erzielen, muß der I-Anteil auch in gleichem Verhältnis wie P-Anteil reduziert werden. Der entsprechende Regler ist in Fig. 4 dargestellt.The induced voltage increases with increasing speed. As a result, the voltage available to build up the current becomes smaller. The voltage coming from the controller 6 , which would be required to correct the deviation in a sampling time interval, will then no longer be passed on to the motor, but will be cut off by the limitation 13 . This also happens when the inductance of the motor is large. In such cases, the current needs several sampling periods Tab in order to reach the setpoint or manipulated value. In order to achieve the curves shown in FIG. 3, the I component must also be reduced in the same ratio as the P component. The corresponding controller is shown in Fig. 4.
In Fig. 3 ist zu sehen, dass der Strom in den ersten drei Perioden mit maximaler Geschwindigkeit steigen sollte, die durch eine Spannungsreserve bestimmt ist. Am Ende der vierten Periode k+4 wird der Sollwert isq_ref erreicht. In Fig. 3 it can be seen that the current should increase in the first three periods at maximum speed, which is determined by a voltage reserve. At the end of the fourth period k + 4, the setpoint isq_ref is reached.
Um die idealen Stromverläufe gemäß Fig. 2 und 3 zu erreichen, wird der in Fig. 4 dargestellte PI-Regler vorgeschlagen. Dieser unterscheidet sich von dem konventionellen PI-Regler gemäß Fig. 1 durch eine Kombination aus einem Totzeitglied 14 und einem diesem nachgeschalteten Addierer 15. Der erste Eingang des Addierers 15 ist direkt mit dem Eingang des Totzeitglieds 14 und parallel mit dem Ausgang eines Multiplizierglieds 16, und der zweite Eingang des Addierers 15 ist direkt mit dem Ausgang des Totzeitglieds 14 verbunden. Der Eingang des Totzeitglieds 14 und einer des Addierers 15 sind also parallel an den Ausgang des Multipliziergliedes 16 angelegt. Der Ausgang des Addierers 15 ist einem als Proportionalglied wirkenden Bruchteils-Faktorglied 17 zugeführt. Die Kombination aus dem Totzeitglied 14, dem Addierer 15 und dem Bruchteils-Faktorglied 17 hat die Wirkung einer arithmetischen Mittelwertbildung aus den Regelabweichungen des letzten und vorletzten Abtastintervalls, da die Totzeitkonstante des Totzeitglieds 14 mit dem Abtastintervall Tab übereinstimmend und der Bruchteilsfaktor des Faktorglieds 17 mit "1/2" dimensioniert sind, im Nenner sich also auf die zwei verwendeten Probewerte zur Mittelwertbildung bezieht. Der Ausgang des Faktorglieds 17 ist direkt dem Integrierglied 8 zugeführt. Das Multiplizierglied 16 bildet den Bestandteil einer Begrenzungseinrichtung, welche zusätzlich noch ein Dividierglied 18 und eine Schalteinrichtung 19 aufweist. Der erste Eingang des Multiplizierglieds 16 ist direkt mit dem Ausgang des Proportionalgliedes 7 verbunden, welches Regelabweichungen Δi mit dem Reglerparameter kp/Tn verknüpft bzw. multipliziert. Der Ausgang des Dividierglieds 18 ist direkt mit dem zweiten Eingang des Multiplizierglieds 16 verbunden. Der erste, den Dividenden darstellende Eingang des Dividierglieds 18 ist mit der Schalteinrichtung 19 verbunden, die im Normalzustand den Dividenden-Eingang mit dem Ausgangswert u_P_Teil direkt aus dem P-Regelkanals verbindet. Dieser ist auch parallel dem Divisor-Eingang des Dividierglieds 18 zugeführt. Stellt ein (nicht gezeichneter) Schwellwertentscheider fest, dass der noch nicht begrenzte Ausgangswert usq aus des gesamten PI-Reglers größer ist als ein Grenzwert usq_lim der vorher erläuterten Begrenzung 13 ist, wird das Umschaltelement 19a der Schalteinrichtung 19 vom Ausgang des P-Regelkanals umgelegt und an den Ausgang eines weiteren Summierglieds 20 angelegt. Dessen erster Eingang ist nimmt den konstanten Schwellwert usqlim der Begrenzung 13 auf. Dessen zweiten, invertierenden Eingang wird der Ausgang eines weiteren Summierglieds 21 zugeführt, welcher eine Summe aus dem unmittelbaren Ausgangswert u_I_Teil des I-Regelkanals bzw. Integrierglieds 8 und dem Ausgangswert USQ_EMK der vorgenannten Vorsteuerung 10 bildet. Der Ausgang des Summierglieds 21 wird über das vorgenannte Summierglied 20 mit negativem Vorzeichen mit dem Grenzwert usq_lim und mit positivem Vorzeichen über ein weiteres Summierglied 22 mit dem Ausgangswert u_P_Teil des P-Regelkanals summiert. Am Ausgang des letztgenannten Summierglieds 22 liegt dann der vorläufige Ausgangswert usq_aus des PI-Reglers an, der nach Durchlaufen der Begrenzung 13 als endgültiger Regel-Ausgangswert usq_ref zur Verfügung steht. Am Ausgang des zur Begrenzungseinrichtung 16, 18, 19, 20 gehörigen Summierglieds 20 wird die Differenz aus dem Grenzwert usqlim und der Summe (Summierglied 21) des I-Regelkanal-Ausgangswerts u_I_Teil und des Vorsteuer-Ausgangswerts USQ_EMK einem der beiden Eingänge der Umschalteinrichtung 19 geliefert. Ist der vorläufige Regelausgangswert usq_aus am Summierglied 22 größer als der Grenzwert usq_lim, wird aufgrund der (gegenüber der Fig. 4 veränderten) Stellung des Umschalters 19 in dem Dividierglied 18 ein Bruch mit der genannten Differenz im Zähler und dem Ausgangswert u_P_Teil des P-Regelkanals im Nenner gebildet. Dieser Bruch dürfte in der Regel kleiner als eins sein und wird als Faktor dem Multiplizierglied 16 zugeführt. Ist der vorläufige Ausgangswert usq aus kleiner oder gleich den Grenzwert usq_lim, steht der Ausgang des Dividierglieds 18 stets auf eins, so dass die vom Proportionalglied 7 mit dem Regelparameter kp/Tn multiplizierte Regelabweichung Δi vom Multiplizierglied 16 praktisch unverändert an das Totzeitglied 14 und an dem einen der Eingänge des Addierers 15 übertragen wird.In order to achieve the ideal current profiles according to FIGS. 2 and 3, the PI controller shown in FIG. 4 is proposed. This differs from the conventional PI controller according to FIG. 1 by a combination of a dead time element 14 and an adder 15 connected downstream of it. The first input of the adder 15 is directly connected to the input of the dead time element 14 and in parallel to the output of a multiplier 16 , and the second input of the adder 15 is connected directly to the output of the dead time element 14 . The input of the dead time element 14 and one of the adder 15 are thus applied in parallel to the output of the multiplier 16 . The output of the adder 15 is fed to a fraction factor element 17 which acts as a proportional element. The combination of the dead time element 14 , the adder 15 and the fraction factor element 17 has the effect of an arithmetic averaging from the control deviations of the last and penultimate sampling interval, since the dead time constant of the dead time element 14 coincides with the sampling interval Tab and the fraction factor of the factor element 17 with " Are dimensioned 1/2 ", so the denominator refers to the two sample values used for averaging. The output of the factor element 17 is fed directly to the integrating element 8 . The multiplier 16 forms part of a limiting device, which additionally has a dividing element 18 and a switching device 19 . The first input of the multiplier 16 is connected directly to the output of the proportional element 7 , which links or multiplies control deviations Δi with the controller parameter kp / Tn. The output of the divider 18 is connected directly to the second input of the multiplier 16 . The first input of the dividing element 18 , which represents the dividends, is connected to the switching device 19 which, in the normal state, connects the dividend input with the output value u_P_Teil directly from the P control channel. This is also fed in parallel to the divisor input of the divider 18 . Represents a (not drawn) threshold value determines that the not yet limited output value usq from the entire PI regulator is greater than a threshold usq_lim the previously discussed limit 13, the switching element 19 a of the switching device 19 folded over from the output of the P-control channel and applied to the output of a further summing element 20 . Its first input is the constant threshold value usqlim of the limit 13 . Its second, inverting input is fed to the output of a further summing element 21 , which forms a sum of the immediate output value u_I_Teil of the I control channel or integrating element 8 and the output value USQ_EMK of the aforementioned pilot control 10 . The output of the summing element 21 is summed via the aforementioned summing element 20 with a negative sign with the limit value usq_lim and with a positive sign with a further summing element 22 with the output value u_P_Teil of the P control channel. The provisional output value usq_aus of the PI controller is then present at the output of the last-mentioned summing element 22, which is available as a final control output value usq_ref after passing through the limit 13 . At the output of the associated limiting device 16, 18, 19, 20, summing element 20, the difference is usqlim from the limit value and the sum (addition element 21) of the I-control-channel output value u_I_Teil and the pilot output value USQ_EMK one of the two inputs of the switching means 19 provided . If the provisional control output value usq_aus on the summing element 22 is greater than the limit value usq_lim, the position of the changeover switch 19 in the dividing element 18 (changed compared to FIG. 4) causes a break with the difference in the counter and the output value u_P_part of the P control channel in Denominator formed. This fraction should generally be less than one and is supplied to the multiplier 16 as a factor. If the preliminary output value usq is less than or equal to the limit value usq_lim, the output of the dividing element 18 is always at one, so that the control deviation Δi multiplied by the proportional element 7 with the control parameter kp / Tn from the multiplier 16 is practically unchanged at the dead time element 14 and at that one of the inputs of the adder 15 is transmitted.
Mit dem in Fig. 4 dargestellten PI-Regler könnten die idealen Stromverläufe in Fig. 2 und Fig. 3 erreicht werden, wenn man die Stellgröße usq_ref ohne die Verzögerung Tab am Motor anlegen könnte. In der Praxis aber ist eine Verzögerung mit dem Abtastzeitintervall Tab immer vorhanden. Der Stromkreis hat die Tendenz zu oszillieren, wenn keine spezielle Maßnahme getroffen werden.By in Fig. 4 shown PI controller could be the ideal current waveforms in Fig. 2 and Fig. 3 are achieved when usq_ref the control value without the delay tab could create the motor. In practice, however, there is always a delay with the sampling time interval Tab. The circuit tends to oscillate if no special measures are taken.
Fig. 5 zeigt die Sprungantwort des Stroms für einen realen Antrieb. Ist bei t = kTab die Regelabweichung Δi(k) = isq_ref, versucht der Regler eine solche Spannung usq_ref(k) auszugeben, dass die Regelabweichung im nächsten Regelungsintervall verschwindet. Wegen der Verzögerung des Modulators 3 kommt diese Spannung aber erst im Intervall k+1 am Motor an. Dadurch bleibt die Regel-Abweichung Δi(k+1) weiter unverändert bestehen, woraus für den Spannungssollwert beziehungsweise Regelausgangswert folgt: usq_ref(k+1) = usq_ref(k). Dies hat eine 100%-ige Überschwingung des Stroms zur Folge. Mit der nachfolgend beschriebenen Ausbildung gemäß Fig. 6 und 7 wird versucht, dieses Problem zu lösen. Fig. 5 shows the step response of the current for a real drive. If the control deviation Δi (k) = isq_ref at t = kTab, the controller tries to output such a voltage usq_ref (k) that the control deviation disappears in the next control interval. Because of the delay of the modulator 3 , this voltage only arrives at the motor in the interval k + 1. As a result, the control deviation Δi (k + 1) remains unchanged, which results in the voltage setpoint or control output value: usq_ref (k + 1) = usq_ref (k). This results in a 100% overshoot of the current. With the training described below according to FIGS. 6 and 7 an attempt is made to solve this problem.
Betrachtet man die Ständergleichung in q-Richtung (dies gilt auch für d-Richtung)
Looking at the stator equation in the q direction (this also applies to the d direction)
läßt sich feststellen, dass die Stromänderung in dem nächsten Regelungsintervall
prädiziert werden kann. Aus (4) ergibt sich die Stromprädiktion in
Differenzgleichung zu:
it can be determined that the current change can be predicted in the next control interval. From ( 4 ) the current prediction results in the difference equation:
Die selbe Wirkung tritt auf, wenn usq_emk(. . ., k-2, k-1, . . ., k+1, k+2, . . .) verwendet werden würde. The same effect occurs when usq_emk (..., K-2, k-1,..., K + 1, k + 2,...) Is used would be.
Fig. 6 zeigt die unter Kombination mit Stroprädiktion erzielbaren Stromverläufe. Der prädizierte Strom erreicht schon nach einem Abtastzeitintenrall Tab den Stromsollwert isq_re, wobei Regelabweichung Δi(k+1) gleich Null und der stationäre Zustand des Stroms erreicht worden ist. Die vollständige Struktur des erfindungsgemäßen PI-Reglers in der Kombination mit Stromprädiktion ist in Fig. 7 dargestellt. Fig. 6 shows the achievable under combination with Stroprädiktion current waveforms. The predicted current already reaches the current setpoint isq_re after a sampling time interval Tab, with control deviation Δi (k + 1) equal to zero and the steady state of the current having been reached. The complete structure of the PI controller according to the invention in combination with current prediction is shown in FIG. 7.
Gemäß Fig. 7 ist der in Fig. 4 angedeutete Regelkreis noch um eine Stromprädiktionseinrichtung 23 erweitert. Diese weist ein eingangsseitiges Summierglied 24 auf, dem am ersten Eingang der endgültige, gegebenenfalls begrenzte Reglerausgangswert usq_ref zugeführt wird. Am zweiten Eingang wird der Vorsteuer-Ausgangswert USQ_EMK mit negativem Vorzeichen (anders als beim Summierglied 21 des I-Regelkanals) zur Verfügung gestellt. Dem ersten Summierglied 24 der Stromprädiktionseinrichtung 23 ist ein Totzeitglied 25 unmittelbar nachgeschaltet, dessen Zeitkonstante mit dem Abtastzeitintervall Tab übereinstimmt. Das Ergebnis der im Summierglied 24 stattfindenden Subtraktion des Vorsteuer-Ausgangswerts USQ_EMK vom endgültigen Regler-Ausgangswert usq_ref wird also um ein Abtastzeitintervall Tab verzögert einem weiteren Summierglied 26 zugeführt, das unmittelbar am Ausgang des Totzeitglieds 25 mit seinem ersten, nichtinvertierenden Eingang anliegt. Am zweiten, invertierenden Eingang des Summierglieds 26 wird das Ergebnis mathematischer Beziehungen über Ständer-Parameter und -Strömen zugeleitet, wie sie in obigen Gleichungen (4) und (5) erkennbar sind. Der Ausgang des Summierglieds 26 wird einem Proportionalglied 27 zugeführt, welcher eine Verknüpfung mit dem Parameter Tab/IS (IS: Statorinduktivität der Synchronmaschine) bewirkt. Am Ausgang der Stromprädiktionseinrichtung 23 liegt dann der Ausgangswert Δpred_isq, welcher eine prädiktive Strom-Istwert-Änderung darstellt. Dieser wird über ein weiteres Summierglied 28 mit dem Stator-Strom-Istwert isq summiert, und das Ergebnis als prädiktiver Strom-Istwert pred_isq dem oben angesprochenen Vergleichsglied 5 an dessen invertierenden Eingang eingegeben. According to FIG. 7, the control circuit indicated in FIG. 4 is expanded by a current prediction device 23 . This has a summing element 24 on the input side, to which the final, possibly limited controller output value usq_ref is fed at the first input. At the second input, the pilot control output value USQ_EMK is made available with a negative sign (in contrast to the summing element 21 of the I control channel). The first summing element 24 of the current prediction device 23 is immediately followed by a dead time element 25 , the time constant of which coincides with the sampling time interval Tab. The result of taking place in the summing junction 24 subtracting the pilot output value USQ_EMK from the final control output value usq_ref is thus a sampling Tab delayed to a further summing junction 26 is supplied, which is applied directly at the output of dead time 25 with its first, non-inverting input. At the second, inverting input of the summing element 26 , the result of mathematical relationships is supplied via stator parameters and currents, as can be seen in equations (4) and (5) above. The output of the summing element 26 is fed to a proportional element 27 , which effects a link with the parameter Tab / I S (I S : stator inductance of the synchronous machine). The output value Δpred_isq, which represents a predictive change in the actual current value, is then at the output of the current prediction device 23 . This is a further summing element 28-current value summed with the stator isq, and the result as a predictive current value pred_isq the above-mentioned comparison member 5 at its inverting input entered.
Die Genauigkeit der Stromprädiktion nach Gleichung (5) ist von Maschinenparametern abhängig. Dies wirkt sich nachteilig in der Regelgenauigkeit des Stroms im stationären Zustand aus. Um diesen negativen Einfluß zu eliminieren, wird die Stromprädiktionseinrichtung 23 mittels eines Abschalters 29 abgeschaltet, wenn die Regelabweichung des Stroms einen bestimmten Grenzwert ε unterschritten ist.The accuracy of the current prediction according to equation (5) depends on machine parameters. This has a disadvantageous effect on the control accuracy of the current in the steady state. In order to eliminate this negative influence, the current prediction device 23 is switched off by means of a switch 29 when the control deviation of the current falls below a certain limit value ε.
Die Sprungantwort des Stroms mit dem Regler gemäß Fig. 7 bei einer Drehzahl
von 500 U/min ist in Fig. 8 dargestellt. Der Strom erreicht den Sollwert in ca.
250 µs, ohne Überschwingung. Diese Zeit entspricht dem gewünschten Minimalwert,
der sich mit Gleichungen (6) wie folgt errechnen läßt:
The step response of the current with the controller according to FIG. 7 at a speed of 500 rpm is shown in FIG. 8. The current reaches the setpoint in approx. 250 µs without overshoot. This time corresponds to the desired minimum value, which can be calculated using equations (6) as follows:
Fig. 9 zeigt die Sprungantwort des Stroms mit einem vorbekannten PI-Regler insbesondere nach Fig. 1. Dabei sind die Reglerparameter und die Drehzahl entsprechend Fig. 8 eingestellt. Obwohl der Anstieg des Stroms hier genau so groß wie mit dem erfindungsgemäßen Regler ist, ist die ca. 40%-ige Überschwingung in der Praxis vielfach nicht brauchbar. Man muß also zwangsläufig den PI-Regler langsam einstellen. In Fig. 10 ist die Sprungantwort des Stroms mit einem vorbekannt strukturierten, nach Betragsoptimum eingestellten PI-Regler ebenfalls bei 500 U/min dargestellt. Es ist deutlich zu sehen, dass der Stromregelkreis viel langsamer geworden ist. Die Anstiegszeit beträgt mehr als 750 µs. FIG. 9 shows the step response of the current with a previously known PI controller, in particular according to FIG. 1. The controller parameters and the speed are set in accordance with FIG. 8. Although the increase in current here is exactly the same as with the regulator according to the invention, the approx. 40% overshoot is often unusable in practice. You have to set the PI controller slowly. FIG. 10 shows the step response of the current with a previously known PI controller, set according to the optimum amount, also at 500 rpm. It can clearly be seen that the current control loop has become much slower. The rise time is more than 750 µs.
In Fig. 11 ist die Sprungantwort für den erfindungsgemäßen Regler gemäß Fig. 7, und zum Vergleich in Fig. 12 die für den vorbekannten PI-Regler jeweils bei einer Drehzahl von 2500 U/min dargestellt. Im Vergleich zu Fig. 8 und Fig. 9 ist der Anstieg des Stroms wegen der höheren induzierten Spannung kleiner. FIG. 11 shows the step response for the controller according to the invention according to FIG. 7, and for comparison in FIG. 12 that for the previously known PI controller in each case at a speed of 2500 rpm. In comparison with FIG. 8 and FIG. 9, the rise of the current is smaller because of the higher induced voltage.
PT1 Motorwicklung
PT1 motor winding
11
Regelstrecke
rS Controlled system
r p
Statorwicklungswiderstand
Stator winding resistance
22nd
Summierglied
usq Stellspannung
Summer
usq control voltage
33rd
Pulsweitenmodulator
Tab Totzeitkonstante, Abtastzeitintervall
Pulse width modulator
Dead time constant tab, sampling time interval
44
Abtastglied
isq Stator-Strom-Istwert
Tracer
isq actual stator current value
55
Vergleichsglied
Δi Regelabweichung
Comparator
Δi control deviation
66
PI-Regler
PI controller
77
Proportionalglied
Proportional link
88th
Integrierglied
und_P_Teil P-Regelkanalausgangswert
und_L_Teil I-Regelkanalausgangswert
Integrator
and_P_part P control channel output value
and_L_part I control channel output value
99
Regler-Ausgangssummierglied
Controller output summer
1010th
Vorsteuerung
Feedforward control
1111
, ,
1212th
Multiplizierglied
speed Geschwindigkeit, Drehzahl
usq_aus vorläufiger Reglerausgangswert
usq_ref endgültiger Reglerausgangswert
Multiplier
speed speed, speed
usq_from provisional controller output value
usq_ref final controller output value
1313
Begrenzung
usq Stellspannung
USQ_EMK Ausgangswert Vorsteuerung
Limitation
usq control voltage
USQ_EMK output value feedforward control
1414
Totzeitglied
Dead time limb
1515
Addierer
Adder
1616
Multiplizierglied
Multiplier
1717th
Bruchteilsfaktorglied
Fraction factor element
1818th
Dividierglied
Divider
1919th
Schalteinrichtung
Switching device
1919th
a Umschaltelement
a switching element
2020th
Summierglied
Summer
2121
Summierglied
Summer
2222
Summierglied
Summer
2323
Stromprädiktionseinrichtung
Electricity prediction facility
2424th
Summierglied
Summer
2525th
Totzeitglied
Dead time limb
2626
Summierglied
Summer
2727
Proportionalglied
Proportional link
2828
Summierglied
Summer
2929
Abschalter
Switch off
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