DE102013110805A1 - Method for controlling converters - Google Patents
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Abstract
Der Erfindung, welche ein Verfahren zur Regelung von Stromrichtern betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung von Stromrichtern anzugeben, mit welchem eine bessere Entkopplung der Schalterstellungen bezüglich der Eingangsgrößen der approximierten Gleitregimeregler erreicht wird. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Wahl des weiteren Teilsystems, die Wahl der weiteren Referenzverläufe und die Wahl der Funktionen, die als Eingang der approximierten Gleitregimeregler fungieren, aus einer Auswahl von allen Systemvariablen derart getroffen wird, dass die Stellgrößen bezüglich der Eingangsgrößen der approximierten Gleitregimeregler eine einstellbare Kopplung aufweisen.The invention, which relates to a method for controlling converters, the object is to provide a method for controlling converters, with which a better decoupling of the switch positions with respect to the input variables of the approximated Gleitregimeregler is achieved. This object is achieved by making the selection of the further subsystem, the selection of the further reference curves and the choice of the functions that act as input of the approximated sliding regime controller from a selection of all system variables such that the manipulated variables are approximated with respect to the input variables of the approximated ones Gleitregimeregler have an adjustable coupling.
Description
Verfahren zur Regelung von Stromrichtern, bei welchem zur Regelung ein Regelsystem in Form eines mathematischen Modells, das einen Stromrichter und die daran angeschlossene Last als mathematischen Zusammenhang zwischen Systemvariablen beschreibt, bestehend aus Teilsystemen bereitgestellt wird, wobei zur Berechnung der zur Regelung verwendeten Stellgrößen approximierte Gleitregimeregler verwendet werden, wobei für einige Systemvariablen Referenzverläufe gewählt werden, wobei das Regelsystem um ein weiteres Teilsystem erweitert wird, für welches ebenfalls Referenzverläufe gewählt werden und dass als Eingänge des approximierten Gleitregimereglers eine Funktion aus einer Auswahl von allen Systemvariablen gewählt wird, mittels derer der Stromrichter geregelt wird.Method for controlling power converters, in which a control system in the form of a mathematical model describing a power converter and the load connected thereto as a mathematical relationship between system variables, consisting of subsystems, is used, whereby approximate sliding regime controllers are used to calculate the manipulated variables used for the control Reference curves are selected for some system variables, whereby the control system is extended by a further subsystem for which reference curves are also selected and in that the inputs of the approximated slip regime controller are selected from a selection of all system variables by means of which the power converter is controlled ,
Bei der Regelung von Stromrichtern kann der Fall auftreten, dass zur Erfüllung der Anforderungen an den Anwendungsfall weniger Stellgrößen benötigt werden, als im zu regelnden System vorhanden sind. Dieses Problem kann durch den Einsatz von Modulationsverfahren vermieden werden. Wenn jedoch approximierte Gleitregimeregler, also beispielsweise Hystereseregler oder auch Schalttabellen verwendet werden, kann das zu regelnde System um ein weiteres Teilsystem erweitert werden, für das ein Referenzverlauf vorgegeben wird, um die Anzahl der Gleitfunktionen an die Anzahl der Stellgrößen anzupassen. Beispielsweise in [
Da die Ableitung einer Gleitfunktion, beispielsweise eines Strangstromes auch von den jeweils anderen Schalterpositionen abhängig sein kann, hat das zur Folge, dass Schalthandlungen, die aufgrund des Erreichens der Schaltschwelle eines Strangstromes ausgelöst werden, den Verlauf der anderen Strangströme beeinflussen. Dieses Phänomen wird hier als ”Kopplung der Schalterstellungen” bezeichnet.Since the derivation of a sliding function, such as a string current can also be dependent on the other switch positions, this has the consequence that switching actions that are triggered due to reaching the switching threshold of a string current affect the course of the other string currents. This phenomenon is referred to herein as "coupling of the switch positions".
Ein wesentlicher Nachteil des bisherigen Vorgehens besteht darin, dass sich die einstellenden Schalthäufigkeiten nicht in einfacher Weise vorab bestimmen lassen, was insbesondere die Auslegung der leistungselektronischen Komponenten erschwert.A major disadvantage of the previous approach is that the adjusting switching frequencies can not be determined in advance in a simple manner, which complicates in particular the interpretation of power electronic components.
Das Problem der Bestimmung der auftretenden Schalthäufigkeiten wird meist simulativ gelöst, indem die Lösung des Systems mit geschlossenem Regelkreis über einen hinreichend langen Zeitraum betrachtet wird. Dieses Vorgehen hat den Nachteil, dass abhängig vom Anfangszustand immer nur eine Lösung betrachtet wird und daher ein möglichst großes Zeitintervall berücksichtigt werden muss, um ein aussagekräftiges Ergebnis zu erhalten. Dieses Verfahren ist daher relativ zeitaufwendig. Außerdem ist es so nur schwer möglich, die Schalthäufigkeit in Abhängigkeit sich zeitlich ändernder Systemparameter, wie beispielsweise der Netzspannungen zu bestimmen. Ein weiterer Nachteil der bisherigen Lösung besteht darin, dass unabhängig von der Implementierung der approximierten Gleitregimeregler Verletzungen der Toleranzbänder auftreten.The problem of determining the occurring switching frequencies is usually solved simulatively by considering the solution of the closed-loop system over a sufficiently long period of time. This procedure has the disadvantage that, depending on the initial state, only one solution is considered at a time, and therefore the largest possible time interval must be taken into account in order to obtain a meaningful result. This method is therefore relatively time consuming. Moreover, it is very difficult to determine the switching frequency as a function of time-varying system parameters, such as the mains voltages. Another disadvantage of the previous solution is that regardless of the implementation of the approximated Gleitregimeregler injury to the tolerance bands occur.
Ursachen für die Verletzungen des Toleranzbandes sind insbesondere:
- a) eine zeitdiskrete Implementierung,
- b) (gewollte oder parasitäre) Totzeiteffekte und
- c) im Entwurf der Regler vernachlässigte Kopplungseffekte.
- a) a discrete-time implementation,
- b) (intentional or parasitic) dead time effects and
- c) Neglected coupling effects in the controller design.
Nachteile des bisherigen Vorgehens:
- • Das Toleranzband wird nicht immer voll ausgenutzt [
JENNI, FELIX und DIETER WÜEST: Steuerverfahren für selbstgeführte Stromrichter. B. G. Teubner Stuttgart, 1995 - • Es können Toleranzbandverletzungen um das Zweifache auftreten. D. h., bei einer Hysterese mit unterer Schaltschwelle –
Δ / 2 Δ / 2 - • Ermittlung der Schalthäufigkeit ist zeitaufwendig, da im Allgemeinen eine Simulation notwendig ist.
- • The tolerance band is not always fully exploited [
JENNI, FELIX and DIETER WÜEST: Control procedure for self-commutated converters. BG Teubner Stuttgart, 1995 - • Tolerance band violations can occur twice. That is, at a hysteresis with lower threshold -
Δ / 2 Δ / 2 - • Determining the switching frequency is time-consuming, since a simulation is generally necessary.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung von Stromrichtern anzugeben, mit welchem eine bessere bzw. vollständige Entkopplung der Schalterstellungen eines Stromrichters und somit eine geringere bzw. keine Beeinflussung der Schalter untereinander erreicht werden.The invention is therefore based on the object of specifying a method for controlling converters, with which a better or complete decoupling of the switch positions of a power converter and thus a lower or no influence of the switches are achieved with each other.
Außerdem soll optional eine vollständige Entkopplung erreicht werden, sodass das in [
Außerdem soll eine bessere Ausnutzung der verfügbaren Zwischenkreisspannung erreicht werden. Darunter ist zu verstehen, dass zum Nachweis der Stabilität gegenüber des konventionellen Verfahrens eine geringere Zwischenkreisspannung erforderlich ist. In addition, a better utilization of the available intermediate circuit voltage is to be achieved. By this is meant that to demonstrate the stability compared to the conventional method, a lower DC link voltage is required.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Verletzungen des Toleranzbandes durch die oben beschriebenen Kopplungseffekte zu vermeiden.Another object of the invention is to avoid violations of the tolerance band by the coupling effects described above.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Regelung von Stromrichtern der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Wahl des weiteren Teilsystems, die Wahl der weiteren Referenzverläufe und die Wahl der Funktionen, die als Eingang der approximierten Gleitregimeregler fungieren, aus einer Auswahl von allen Systemvariablen derart getroffen wird, dass die Stellgrößen bezüglich der Eingangsgrößen der approximierten Gleitregimeregler eine einstellbare Kopplung aufweisen.According to the invention, the object is achieved in a method for controlling power converters of the type mentioned in that the choice of the further subsystem, the choice of other reference curves and the choice of functions that act as input of the approximated Gleitregimeregler, from a selection of all system variables are made such that the manipulated variables with respect to the input variables of the approximated Gleitregimeregler have an adjustable coupling.
Der Kern der Erfindung besteht in der Wahl eines weiteren Teilsystems sowie in der Wahl neuer Systemvariablen, in der Planung geeigneter Referenztrajektorien für diese Größen und in der Wahl von Gleitfunktionen, die als Eingänge der approximierten Gleitregimeregler verwendet werden. Ein Beispiel hierfür ist die Einführung der Größe zν, die als ein virtueller Strom aufgefasst werden kann. Die Besonderheit besteht darin, dass dieses Teilsystem nicht unmittelbar einen physikalischen Sachverhalt beschreibt, sodass dessen Lösung numerisch durch Simulation in Echtzeit bestimmt werden kann, aus regelungstechnischer Sicht jedoch als Teil des zu regelnden Gesamtsystems aufgefasst wird. Ein für die Erfindung zentraler Punkt besteht darin, dass durch die Wahl des neuen Teilsystems, parametriert im Ausführungsbeispiel durch Lν, der neuen Systemvariablen und der neuen Gleitfunktionen auf die Kopplung der Schalterstellungen Einfluss genommen werden kann.The gist of the invention is the choice of a further subsystem as well as the choice of new system variables, the planning of suitable reference trajectories for these quantities, and the choice of sliding functions used as inputs to the approximated slip regroup controllers. An example of this is the introduction of size z ν , which can be understood as a virtual stream. The peculiarity is that this subsystem does not directly describe a physical situation, so that its solution can be determined numerically by simulation in real time, but from a control point of view is considered as part of the overall system to be controlled. A central point for the invention is that the choice of the new subsystem, parameterized in the exemplary embodiment by L ν , the new system variables and the new sliding functions on the coupling of the switch positions can be influenced.
Hierbei werden die Gleitfunktionen derart gewählt, dass das System ein approximiertes Gleitregime erreichen kann.Here, the sliding functions are chosen such that the system can achieve an approximated sliding regime.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Wahl des weiteren Teilsystems, die Wahl der weiteren Referenzverläufe und die Wahl der Funktionen, die als Eingang der approximierten Gleitregimeregler fungieren, aus einer Auswahl von allen Systemvariablen derart getroffen wird, dass die Stellgrößen bezüglich der Eingangsgrößen der approximierten Gleitregimeregler entkoppelt sind.In one refinement of the method, it is provided that the selection of the further subsystem, the selection of the further reference curves and the choice of the functions which act as input of the approximated sliding regime controllers are made from a selection of all system variables in such a way that the manipulated variables are related to the input variables the approximated Gleitregimeregler are decoupled.
Dies ist insbesondere dann relevant, wenn das obengenannte Verfahren zur Vorabbestimmung der Schalthäufigkeit verwendet werden soll.This is particularly relevant if the above-mentioned method for predetermining the switching frequency is to be used.
In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine zeitabhängige Kopplung erreicht wird.In one embodiment of the invention it is provided that a time-dependent coupling is achieved.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zu regelnde System ein Netzstromrichter mit oder ohne ein dem Netzstromrichter vorgeschaltetes Filter ist.In another embodiment, it is provided that the system to be controlled is a mains converter with or without a filter upstream of the mains converter.
Diese Konfiguration wird im Ausführungsbeispiel im Falle eines Zweipunktstromrichters betrachtet, der über ein L-Filter an ein Netz angeschlossen ist. Grundsätzlich sind für diesen Anwendungsbereich aber auch viele andere technische Konfigurationen möglich, beispielsweise indem statt des Zweipunktstromrichters einen Drei- oder Mehrpunktstromrichter, z. B. ”3L-(active) neutral point clamped converter”, ”3L-flying capacitor converter”, ”series connected H-bridge converter”, ”modular multilevel converter” oder andere, verwendet wird oder an Stelle des Filters ein LCL-Filter, ein Transformator oder ein anderes Filter eingesetzt wird oder auf ein Filter komplett verzichtet wird.This configuration is considered in the embodiment in the case of a two-point converter, which is connected via an L-filter to a network. In principle, however, many other technical configurations are possible for this application, for example by instead of the two-point rectifier, a three- or multi-point converter, z. Eg "3L (active) neutral point clamped converter", "3L flying capacitor converter", "series connected H-bridge converter", "modular multilevel converter" or others, or an LCL filter instead of the filter , a transformer or another filter is used or is completely dispensed with a filter.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass das zu regelnde System ein elektromechanischer Energiewandler mit oder ohne ein dem Energiewandler vorgeschaltetes Filter ist.In an embodiment variant of the invention it is provided that the system to be controlled is an electromechanical energy converter with or without a filter upstream of the energy converter.
Als elektromechanische Energiewandler kommen vor allem elektrische Maschinen infrage, beispielsweise Asynchronmaschinen, Synchronmaschinen, doppelt gespeiste Asynchronmaschinen, Reluktanzmaschinen und andere, aber auch Linearantriebe und Magnetlager sowie Kombinationen von magnetischen Lagern und Antrieben.As electromechanical energy converters are mainly electrical machines in question, for example, asynchronous machines, synchronous machines, double-fed asynchronous machines, reluctance machines and others, but also linear actuators and magnetic bearings and combinations of magnetic bearings and drives.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to embodiments. In the accompanying drawing shows
Die
Zur Erklärung des Verfahrens wird ein Zweipunktstromrichter betrachtet, der schematisch in der
Die Größen Vi mit i = 1, 2, 3 bezeichnen die Netzspannungen, zi die Netzströme und si ∊ [–1, 1], i = 1, 2, 3 die Schalterpositionen des Stromrichters. Die Zwischenkreisspannung wird durch Vc beschrieben. Das mathematische Modell lautet in rotierenden Koordinaten
Dabei ist θ der Netzwinkel und ω die Netzkreisfrequenz und es gilt θ . = ω. Die Drossel wird durch die Induktivität L parametriert. Außerdem gelten
Das Modell (1) ist differentiell flach mit dem flachen Ausgang y = (zd, zq). Es können also Referenztrajektorien t ↦ zd,d(t) und t ↦ zq,d(t) geplant werden, für die ein stabiles Folgeverhalten des Systems erreicht werden soll. Dazu soll hier ein approximierter Gleitregimeregler genutzt werden.The model (1) is differentially flat with the flat output y = (z d , z q ). Thus reference trajectories t ↦ z d, d (t) and t ↦ z q, d (t) can be planned for which a stable follow-up behavior of the system is to be achieved. For this purpose, an approximated Gleitregimeregler should be used.
Da der flache Ausgang des Systems (1) zwei Komponenten aufweist, in stationären Koordinaten aber drei Schalterstellungen, welche hier als Eingangsgrößen aufgefasst werden, zur Verfügung stehen, wird eine zusätzliche Bedingung benötigt, um drei unabhängige Gleitfunktionen konstruieren zu können.Since the flat output of the system (1) has two components, but three switch positions, which are understood here as input variables, are available in stationary coordinates, an additional condition is required in order to be able to construct three independent sliding functions.
Daher wird das System (1) um das Teilsystem erweitert, das auch als Differentialgleichung für einen „virtuellen” Strom zν interpretiert werden kann, wobei Lν dann die korrespondierende „virtuelle” Induktivität repräsentiert.Therefore, the system (1) becomes the subsystem which can also be interpreted as a differential equation for a "virtual" current z ν , where L ν then represents the corresponding "virtual" inductance.
Das System bestehend aus (1) und (5) ist differenziell flach mit dem flachen Ausgang y = (zd, zq, zν) und nun ist es möglich, drei unabhängige Gleitfunktionen für die Regelgrößen zd, zq und zν zu konstruieren. Eine Wahl der Gleitfunktionen ist
Transformiert man e wie folgt:
Es sei darauf hingewiesen, dass das Erreichen eines Gleitregimes für e impliziert, dass auch für e123 ein Gleitregime erreicht wird und umgekehrt. Für die Ableitungen der neuen Gleitfunktionen gilt mit f = (fd, fq, fν)T und It should be noted that the achievement of a slip regime for e implies that a slip regime is achieved for e 123 , and vice versa. For the derivatives of the new sliding functions applies with f = (f d , f q , f ν ) T and
Man kann zeigen, dass
Man implementiert e1, e2, e3 als Eingänge von z. B. Hysteresereglern, wobei das Betriebsverhalten auch von der Wirkung der jeweils anderen Schalter auf die Fehler e1, e2, e3 bestimmt wird. Diese Beeinflussung kann anhand der Ableitung von (7), also (8) untersucht werden. Von besonderem Interesse ist daher der Term K = (BS)TBS, denn er bestimmt, welche Schaltposition si sich wie stark auf die Änderung der Fehler ei, mit i = 1, 2, 3 auswirkt.One implements e 1 , e 2 , e 3 as inputs of e.g. As hysteresis, wherein the performance is determined by the effect of each other switch on the error e 1 , e 2 , e 3 . This influence can be examined by the derivation of (7), thus (8). Of particular interest is therefore the term K = (BS) T BS, because it determines which switching position s i has an effect on the change of the errors e i , with i = 1, 2, 3.
Dabei kann K wie folgt dargestellt werden: K can be represented as follows:
Wählt man nun Lν =
Das Verfahren in der Anwendung für Netzstromrichter lässt sich verallgemeinern, sodass eine Entkopplung der Schalterstellungen auch für andere Gleitfunktionen erreicht wird. Dies gelingt, indem auch das virtuelle Teilsystem entsprechend anders gewählt wird. Ein Verfahren zur Wahl eines alternativen virtuellen Teilsystems kann wie folgt angegeben werden: Ausgangspunkt ist die Darstellung
Grundsätzlich ist es möglich, und für andere Systeme eventuell auch sinnvoll, wenn die Funktionen bi, i = 1, 2, 3 darüber hinaus auch von anderen Systemvariablen abhängen. In dieser Beschreibung soll aber der Einfachheit halber darauf verzichtet werden.In principle, it is possible, and possibly also useful for other systems, if the functions b i , i = 1, 2, 3 also depend on other system variables. For the sake of simplicity, however, this description will be omitted.
Für die Ableitungen der Fehler ei, i = 1, 2, 3 gilt dann For the derivatives of the errors e i , i = 1, 2, 3 then applies
Unter Berücksichtigung von (1) erhält man unter Verwendung des Ansatzes Taking into account (1), one obtains using the approach
Weiter wobei gi, i = 1, 2, 3 Funktionen der Systemvariablen sind. Ersetzt man sd und sq unter Verwendung von S, so erhält man mit γ = 2π/3 Further where g i , i = 1, 2, 3 are functions of the system variables. Substituting S d and s q using S yields γ = 2π / 3
Will man nun erreichen, dass ėi unabhängig wird von sj und sk mit i, j, k ∊ {1, 2, 3} und i ≠ j, j ≠ k und i ≠ k, so müssen gelten.If one wants to reach that e i is independent of s and s j k with i, j, k ε {1, 2, 3} and i ≠ j, j ≠ k and i ≠ k, so must be valid.
Wählt man ∂bi/∂eν = 1, so kann man ∂bi/∂ed und ∂bi/∂eq unter Maßgabe der oben genannten Bedingungen wählen und es ergeben sich If one chooses ∂b i / ∂e ν = 1, then one can choose ∂b i / ∂e d and ∂b i / ∂e q according to the conditions mentioned above and the result is
Die Funktionen bi, i = 1, 2, 3 können schließlich durch Integration nach ed und eq und einem Koeffizientenvergleich bestimmt werden.The functions b i , i = 1, 2, 3 can finally be determined by integration according to e d and e q and a coefficient comparison.
Zuletzt sei angemerkt, dass das beschriebene Verfahren grundsätzlich auch für andere Anwendungen infrage kommt, bei denen mehr Eingangsgrößen als Regelgrößen auftreten. Finally, it should be noted that the described method basically also comes into question for other applications in which more input variables than controlled variables occur.
Dies ist für leistungselektronische Anwendungen häufig der Fall, als Beispiele sei hier der Betrieb elektrischer Maschinen an einem solchen Stromrichter oder die Verwendung anderer Netzfilter genannt, wobei das Verfahren auch in Zusammenhang mit anderen Umrichtertopologien anwendbar ist.This is often the case for power electronic applications, such as the operation of electrical machines on such a power converter or the use of other line filters as examples, the method also being applicable in connection with other converter topologies.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem weiteren verallgemeinert dargestellten Beispiel beschrieben, um die grundsätzliche Herangehensweise zu illustrieren, wenn das Verfahren auf andere Systeme angewandt werden soll.In the following, the invention will be described in another generalized example to illustrate the basic approach when the method is to be applied to other systems.
Ausgangspunkt sind Systeme, die sich durch ein Modell der Form beschreiben lassen, wobei fi und gi,k Funktionen von x sind.Starting point are systems that are characterized by a model of form Let f i and g i, k be functions of x.
Dieses Modell wird um das Teilsystem erweitert (wobei dieses beispielsweise in Echtzeit im Regler integriert werden kann), wobei x ~ neue Systemvariablen und f ~i und g ~i,k Funktionen der Größen x und x ~ sind.This model will be around the subsystem (for example, this can be integrated in the controller in real time), where x ~ are new system variables and f ~ i and g ~ i, k are functions of the quantities x and x ~.
Es können dann Referenzverläufe xd für x und x ~d für x ~ geplant werden.It is then possible to schedule reference curves x d for x and x ~ d for x ~.
Ziel ist es nun, Funktionen
Wenn man mithilfe des Stands der Technik nachweisen kann, dass Si, i = 1, 2, ..., m Gleitfunktionen sind und bei Verwendung von Gleitregimereglern ein stabiles Gleitregime etabliert werden kann, so können diese Funktionen als Eingänge von approximierten Gleitregimereglern verwendet werden. Durch die Wahl von xd und insbesondere x ~d kann beispielsweise auf die Schalthäufigkeit Einfluss genommen werden.If one can prove with the aid of the prior art that S i , i = 1, 2,..., M are sliding functions and if a stable slip regime can be established when using slip control controllers, then these functions are used as inputs to approximated slip regimens. By selecting x d and in particular x ~ d , for example, the switching frequency can be influenced.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- JENNI, FELIX und DIETER WÜEST: Steuerverfahren für selbstgeführte Stromrichter. B. G. Teubner Stuttgart, 1995 [0007] JENNI, FELIX and DIETER WÜEST: Control procedure for self-commutated converters. BG Teubner Stuttgart, 1995 [0007]
- FEHR, H. und GENSIOR, A. und RUDOLPH, J.: Flatness based switching frequency estimation of sliding mode controllers for single-input systems. IECON 09 Conference Proceedings, S. 1555–1560, 2009 [0009] FEHR, H. and GENSIOR, A. and RUDOLPH, J .: Flatness-based switching frequency estimation of sliding mode controllers for single-input systems. IECON 09 Conference Proceedings, pp. 1555-1560, 2009 [0009]
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Non-Patent Citations (3)
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FEHR, H. und GENSIOR, A. und RUDOLPH, J.: Flatness based switching frequency estimation of sliding mode controllers for single-input systems. IECON 09 Conference Proceedings, S. 1555-1560, 2009 |
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Legal Events
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R003 | Refusal decision now final |