DE102013207498B4 - Procedure for implementing a regulation - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Implementierung einer Regelung in einem Regelkreis, dessen Regelstrecke (72) ein PT1-Verhalten aufweist, wobei ein Regler (62) verwendet wird, der eine Stellgröße ausgibt, die ein Tastverhältnis (68) eines PWM-Signals (20) mit fester Schaltfrequenz darstellt, wobei als Regler (62) eine Zustandsmaschine (80) dient, die in Abhängigkeit einer ermittelten Regelabweichung, die durch Vergleich eines Istwerts (54) mit einem Sollwert (12, 56) ermittelt wird, unterschiedliche Zustände einnimmt und in Abhängigkeit des eingenommenen Zustands die Stellgröße ausgibt.Method for implementing a control in a control loop whose control system (72) has a PT1 behavior, using a controller (62) which outputs a manipulated variable which has a duty cycle (68) of a PWM signal (20) with a fixed switching frequency represents, whereby a state machine (80) serves as the controller (62), which assumes different states depending on a determined control deviation, which is determined by comparing an actual value (54) with a target value (12, 56), and depending on the assumed state outputs the manipulated variable.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Implementierung einer Regelung, insbesondere zur Regelung, bei der als Ansteuergröße ein PWM-Signal ausgegeben wird, dessen Tastverhältnis die Stellgröße der Regelung darstellt, und eine Anordnung zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens.The invention relates to a method for implementing a control, in particular to a control in which a PWM signal is output as the control variable, the duty cycle of which represents the manipulated variable of the control, and an arrangement for carrying out the method presented.
Stand der TechnikState of the art
Das vorgestellte Verfahren dient zur Implementierung einer Regelung in einem Regelkreis mit PT1-Verhalten der Regelstrecke. Insbesondere dient das Verfahren zur Ermittlung einer Stellgröße zur Ansteuerung von Induktivitäten. Zur Ansteuerung von Induktivitäten wird typischerweise ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Stromsignal verwendet.The method presented is used to implement a control in a control loop with PT1 behavior of the controlled system. In particular, the method is used to determine a manipulated variable for controlling inductors. A pulse width modulated (PWM) current signal is typically used to control inductors.
Ein PT1-Verhalten zeigt ein PT1-Glied, das ein proportionales Übertragungsverhalten mit einer Verzögerung erster Ordnung aufweist.A PT1 behavior shows a PT1 element that has a proportional transfer behavior with a first-order delay.
Die Pulsweitenmodulation ist eine Modulationsart, bei der eine Größe, bspw. ein elektrischer Strom, zwischen zwei Werten, eingeschalteter Zustand und ausgeschalteter Zustand, wechselt. Hierbei wird bei konstanter Frequenz der Tastgrad bzw. das Tastverhältnis eines Rechteckpulses und somit die Weite bzw. Breite der diesen bildenden Impulse moduliert. Das Tastverhältnis, engl. duty cycle, gibt das Verhältnis der Länge des eingeschalteten Zustands zur Periodendauer bei einem Rechtecksignal an. Wird mit einem PWM-Signal eine technische Einheit angesteuert, so kann zur Regelung des Betriebs dieser technischen Einheit das Tastverhältnis als Stellgröße von einem Regler vorgegeben werden.Pulse width modulation is a type of modulation in which a quantity, for example an electrical current, changes between two values, switched on state and switched off state. Here, the duty cycle or the duty cycle of a square-wave pulse and thus the width or width of the pulses forming it are modulated at a constant frequency. The duty cycle, English duty cycle, indicates the ratio of the length of the switched-on state to the period length of a square-wave signal. If a technical unit is controlled with a PWM signal, the duty cycle can be specified as a manipulated variable by a controller to regulate the operation of this technical unit.
Zur Stromregelungen von Induktivitäten, wie z. B. DC-Motoren, Schrittmotoren und elektromagnetischen Ventilen, welche von ICs wie H-Brücken oder Endstufenbausteinen angesteuert werden, werden heute in den meisten Fällen in Schaltkreisen integrierte 2-Punktregler eingesetzt. Dazu wird das exponentielle Verhalten des Stroms über die Zeit genutzt, um im zeitlichen Mittel die gewünschte Stromstärke einzustellen. Nachteil ist, dass bei dieser 2-Punktregelung die Schaltfrequenz abhängig vom Stromsollwert, der Schalthysterese und der Störgröße ist.For current regulation of inductors, such as B. DC motors, stepper motors and electromagnetic valves, which are controlled by ICs such as H-bridges or power amplifier modules, are now in most cases used in circuits integrated 2-point controllers. For this purpose, the exponential behavior of the current over time is used to set the desired current strength on average over time. The disadvantage is that with this 2-point control the switching frequency depends on the current setpoint, the switching hysteresis and the disturbance variable.
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 7 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.Against this background, a method with the features of
Das vorgestellte Verfahren eignet sich generell für Regelkreise mit PT1-Verhalten der Regelstrecke. Insbesondere kann das Verfahren in Zusammenhang mit der Integration der Regeleinrichtung in ICs (Integrierte Schaltkreise) zur Ansteuerung von Induktivitäten eingesetzt werden. Weiterhin ermöglicht das Verfahren eine Stromregelung mit konstanter Schaltfrequenz, ohne die Komplexität einer 2-Punkt-Regelung zu übertreffen.The method presented is generally suitable for control loops with PT1 behavior of the controlled system. In particular, the method can be used in connection with the integration of the control device into ICs (integrated circuits) for controlling inductors. Furthermore, the method enables current control with a constant switching frequency without exceeding the complexity of a 2-point control.
Bei dem Verfahren wird als Regler ein Zustandsautomat eingesetzt, der bspw. über fünf Zustände eine sehr genaue Stromregelung ermöglicht. Dieser Zustandsautomat kann als einfacher und kostengünstiger Logikteil in einen IC, wie bspw. in eine integrierte H-Brücke oder einen Endstufenbaustein, integriert werden.In the process, a state machine is used as a controller, which enables very precise current control over five states, for example. This state machine can be integrated as a simple and cost-effective logic part into an IC, such as an integrated H-bridge or an output stage module.
Der Regler umfasst typischerweise eine Vergleichsstelle von Regelgröße zu Führungsgröße, was als Soll-Istwertvergleich bezeichnet wird. Eine Normierung der Regelabweichung zur Führungsgröße, eine Limitierung der normierten Regelabweichung, den Zustandsautomat mit zeitverzögerter Rückführung und eine Limitierung der Stellgröße. Weitere Komponenten wie die Stell- und Messeinrichtung sind Bestandteil des Regelkreises, wobei die Stelleinrichtung als Halbleiterschalter, bspw. als MOSFET, gegeben sein kann. Die Messeinrichtung muss die Regelgröße, also den Strom, in geeigneter Form der Vergleichsstelle zur Verfügung stellen.The controller typically includes a comparison point between the controlled variable and the reference variable, which is referred to as a setpoint/actual value comparison. A normalization of the control deviation to the reference variable, a limitation of the standardized control deviation, the state machine with time-delayed feedback and a limitation of the manipulated variable. Further components such as the adjusting and measuring device are part of the control circuit, whereby the adjusting device can be in the form of a semiconductor switch, for example as a MOSFET. The measuring device must make the controlled variable, i.e. the current, available to the reference junction in a suitable form.
Der Regler, also die Zustandsmaschine bzw. der Zustandsautomat, engl. state machine, verarbeitet, wie in
Die Zustände der Zustandsmaschine wirken auf das Tastverhältnis abhängig von der Regelabweichung. Die Zustände werden in Ausgestaltung über die erste bis fünfte Zustandsbedingung erreicht. Wobei die Zustände 2, 3 und 4, 5 nur über die erste Zustandsbedingung erfolgen können.The states of the state machine affect the duty cycle depending on the control deviation. In the embodiment, the states are achieved via the first to fifth state conditions. States 2, 3 and 4, 5 can only be achieved via the first state condition.
Zustand 1) Die Regelabweichung ist sehr klein, d. h. in diesem Beispiel +5 % vom Sollwert. Das Tastverhältnis bleibt unverändert.Condition 1) The control deviation is very small, i.e. H. in this example +5% of the setpoint. The duty cycle remains unchanged.
Zustand 2) Die Regelabweichung beträgt zwischen +5 % und +50 %. Das Tastverhältnis wird zu jedem neuen Takt der Schaltfrequenz um die Konstante ΔDC verringert, bis Zustand 1 erreicht ist.Condition 2) The control deviation is between +5% and +50%. The duty cycle becomes The switching frequency is reduced by the constant ΔDC for each new cycle until
Zustand 3) Die Regelabweichung beträgt mehr als 50 %. Das Tastverhältnis wird zu jedem neuen Takt der Schaltfrequenz um den Faktor der beiden Konstanten ΔDC x Verstärkung verringert, bis Zustand 2) erreicht ist.Condition 3) The control deviation is more than 50%. The duty cycle is reduced by the factor of the two constants ΔDC x gain for each new cycle of the switching frequency until state 2) is reached.
Zustand 4) Die Regelabweichung beträgt zwischen -5 % und -50 %. Das Tastverhältnis wird zu jedem neuen Takt der Schaltfrequenz um die Konstante ΔDC erhöht, bis Zustand 1) erreicht ist.Condition 4) The control deviation is between -5% and -50%. The duty cycle is increased by the constant ΔDC for each new cycle of the switching frequency until state 1) is reached.
Zustand 5) Die Regelabweichung beträgt weniger als -50 %. Das Tastverhältnis wird zu jedem neuen Takt der Schaltfrequenz um den Faktor der beiden Konstanten ΔDC x Verstärkung erhöht, bis Zustand 4) erreicht ist.Condition 5) The control deviation is less than -50%. The duty cycle is increased for each new cycle of the switching frequency by the factor of the two constants ΔDC x gain until state 4) is reached.
Der Abtastzeitpunkt des Istwerts spielt eine wichtige Rolle, hierzu wird auf
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
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1 zeigt in einem Graphen Abtastzeitpunkte1 shows sampling times in a graph -
2 zeigt eine Ausführung der vorgestellten Anordnung in einem Blockdiagramm.2 shows an embodiment of the presented arrangement in a block diagram. -
3 zeigt ein Ablaufdiagramm der beschriebenen Zustandsmaschine.3 shows a flowchart of the state machine described. -
4 zeigt in Graphen eine Sprungantwort einer Regelstrecke.4 shows a step response of a controlled system in graphs.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.The invention is shown schematically using embodiments in the drawings and is described in detail below with reference to the drawings.
In
Der Regler 62 umfasst eine Zustandsmaschine 80 und ein Verzögerungsglied 82 für eine zeitverzögerte Rückführung.The
I_norm entspricht der normierten Regelabweichung. Zu Beginn 110 wird festgelegt:
In einem ersten Schritt 112 wird die erste Zustandsbedingung überprüft:
Ist diese erfüllt, wird Zustand 1 100 eingenommen. Ausgehend von Zustand 1 100 wird die erste Zustandsbedingung 112 wiederum überprüft. Ist diese nicht erfüllt, wird die zweite Zustandsbedingung 114 überprüft, diese lautet:
Ist diese erfüllt, wird Zustand 2 102 eingenommen, ist diese nicht erfüllt, wird eine dritte Zustandsbedingung 116 überprüft, diese lautet:
Ist diese erfüllt, wird Zustand 3 104 eingenommen. Ist diese nicht erfüllt, so wird wiederum die zweite Zustandsbedingung 112 überprüft. Ist auch diese nicht erfüllt, so wird eine vierte Zustandsbedingung 118 überprüft. Diese lautet:
Ist diese erfüllt, so wird Zustand 4 106 eingenommen. Ist diese nicht erfüllt, so wird eine fünfte Zustandsbedingung 120 überprüft. Diese lautet:
Ist diese erfüllt, so wird Zustand 5 108 eingenommen. Ist diese nicht erfüllt, so wird wiederum die vierte Zustandsbedingung 118 überprüft. Ist diese wiederum nicht erfüllt, wird ein Rücksprung zur Überprüfung der ersten Zustandsbedingung 112 vorgenommen.If this is fulfilled, state 5 108 is assumed. If this is not fulfilled, the
I_norm als normierte Regelabweichung stellt ein Maß für diese Regelabweichung dar. In Abhängigkeit der Regelabweichung werden somit unterschiedliche Zustände eingenommen, in denen das Tastverhältnis über unterschiedliche Werte für DC, siehe hierzu
In
Zu erkennen ist, wie mit dem Regler der Einfluss der Störgröße 152 kompensiert werden kann.It can be seen how the influence of the
Das vorgestellte Verfahren kann bei der Neuentwicklung von ICs integriert werden, bei denen Stellglieder und Messeinrichtungen zum Ansteuern von Induktivitäten vorgesehen sind. Dies sind bspw. H-Brücken für das Betreiben von DC- und Schritt-Motoren, hochintegrierte Endstufenbausteine und Multifunktionale ICs, die neben Logik- und Sensor- auch über Leistungselemente verfügen.The presented method can be integrated into the new development of ICs in which actuators and measuring devices are provided for controlling inductors. These are, for example, H-bridges for operating DC and stepper motors, highly integrated power stage components and multifunctional ICs, which have logic and sensor as well as power elements.
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