DE19617867A1

DE19617867A1 - Speed regulation method for DC and AC electric motors

Info

Publication number: DE19617867A1
Application number: DE19617867A
Authority: DE
Inventors: Hoang-Minh Dr Ing Dao
Original assignee: Cegelec AEG Anlagen und Automatisierungstechnik GmbH
Current assignee: Alstom Power Conversion GmbH
Priority date: 1996-04-24
Filing date: 1996-04-24
Publication date: 1997-11-06

Abstract

The revs regulation method uses superimposed current and torque regulation, with direct correction of the difference between the actual revs (Nist) and the required revs (Nsoll) by a proportional element (2), compensation of the load moment by a load- dependent pre-control signal (a15) and elimination of the rev disparity by an integral element (4). The load rotation rate (nL) and the load torque (mL) are determined for an oscillatory drive train via an inverse model (23).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur überschwings freien Drehzahlregelung von Gleich- und Drehstrommotoren mit unterlagerter Strom- bzw. Drehmomentenregelung.The invention relates to a method for overshoot free speed control of DC and AC motors with subordinate current or torque control.

Maßgebend für die Regeldynamik einer Drehzahlregelung sind die An- und Ausregelzeit der Regelgröße nach einem Drehzahl- bzw. einem Laststoß. Zu der Regelgüte kommen bei einem herkömmlichen PI-Regler noch das Überschwingen der Drehzahl nach einem Füh rungsstoß sowie der Drehzahleinbruch nach einem Laststoß (s. Buxbaum, Arne/Schierau, Klaus: Berechnung von Regelkreisen der Antriebstechnik, 4. Aufl., AEG-Telefunken AG, Berlin, Frankfurt am Main 1980, Bilder 11, 12, 177 und 178).The decisive factors for the control dynamics of a speed control are Rise and settling time of the controlled variable after a speed or a load surge. The control quality comes with a conventional one PI controller still overshooting the speed after a Füh shock and the drop in speed after a load surge (see Buxbaum, Arne / Schierau, Klaus: Calculation of control loops of the Drive technology, 4th edition, AEG-Telefunken AG, Berlin, Frankfurt am Main 1980, pictures 11, 12, 177 and 178).

Ein PI-Regler kombiniert bekanntlich die schnelle Reaktion eines P-Reglers mit dem Ausregeln eines I-Reglers nach einer Störung. Der Integralanteil sorgt für die Ausregelung der Regelabweichung als Differenz zwischen dem Soll- und dem Istwert der Regelgröße. Da der Integralanteil des PI-Reglers eine schnelle Änderung des Stellsignals nicht zuläßt, ist das Integrationsverhalten des Integralanteils Ursache für das Überschwingen des Stellsignals und damit auch der Regelgröße.As is well known, a PI controller combines the quick reaction of a P controller with the correction of an I controller after a fault. The integral component ensures the control deviation is corrected as the difference between the setpoint and the actual value of the controlled variable. Since the integral part of the PI controller changes the Control signal does not allow, is the integration behavior of Integral component cause for the overshoot of the control signal and therefore also the controlled variable.

Um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der Überschwingweite nach einem Führungsstoß und dem Drehzahleinbruch nach einem Laststoß zu erhalten, wird der Regler nach der Methode des symmetrischen Optimums eingestellt, dabei wird eine Überschwingweite von ca. 40% des Drehzahlsprunges nach einem Führungsstoß in Kauf genommen (s. Buxbaum/Schierau, S. 116 ff.). Soll das Überschwingen kleiner sein, muß der Regler langsamer eingestellt werden, und je langsamer die Drehzahlregelung ist - also um so größer die An- und Ausregelzeit - um so größer ist auch der Drehzahleinbruch nach einem Laststoß. Ist ein Überschwingen der Drehzahl uner wünscht, so ist entweder ein Drehzahlstoß ist zu vermeiden (beispielsweise wird der Drehzahlsollwert an eine Rampenfunktion geführt) oder eine sehr langsame Drehzahlregelung unausweichlich. Ein langsam eingestellter Drehzahlregler hat aber den oft uner wünschten großen Drehzahleinbruch nach einem Laststoß zur Folge.To find a balance between the overshoot a guide surge and the drop in speed after a load surge to get, the controller is based on the method of symmetrical Optimums set, an overshoot of approx. 40% of the jump in speed after a lead impact (see Buxbaum / Schierau, p. 116 ff.). Should the overshoot be smaller, the controller must be set more slowly, and depending The slower the speed control is - the greater the start-up and Settling time - the greater the drop in speed after a load surge. If the speed overshoot is unacceptable either a speed surge should be avoided (For example, the speed setpoint is sent to a ramp function led) or a very slow speed control is inevitable. However, a slowly set speed controller often has a problem wanted a large drop in speed after a load surge.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genann ten Art so auszugestalten, daß ein Überschwingen des Drehzahl istwertes nach einem Sprung des Drehzahlsollwertes vermieden wird; dabei soll die Regeldynamik besser sein als die eines nach der Methode des symmetrischen Optimums eingestellten PI-Reglers.The object of the invention is to provide a method mentioned in the introduction ten kind so that an overshoot of the speed actual value after a jump in the speed setpoint is avoided becomes; the control dynamics should be better than one after the PI controller set using the symmetrical optimum method.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved by the in claim 1 marked features solved.

Durch die vom Zustand der Drehzahlabweichung abhängige Begrenzung des Ausgangssignals des Integralgliedes und die lastkompensie rende Vorsteuerung wird vorteilhafterweise das Überschwingen des Drehzahlistwertes nach einem Sprung des Drehzahlsollwertes ver mieden, gleichzeitig kann durch die nun ohne weiteres mögliche Anpassung der Proportionalverstärkung des Drehzahlreglers der Drehzahleinbruch nach einem Laststoß kleiner gehalten werden.Due to the limitation depending on the state of the speed deviation of the output signal of the integral element and the load compensation rende pilot control is advantageously the overshoot of the Ver actual speed value after a jump in the speed setpoint avoided, at the same time by the now easily possible Adjustment of the proportional gain of the speed controller Drop in speed after a load surge can be kept smaller.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the method according to the invention are characterized in claims 2 to 4.

Ein Beispiel einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Ver fahrens nach der Erfindung ist in Fig. 1 als Prinzipschaltbild dargestellt und wird im folgenden erläutert: für die mechanische Regelstrecke 15 wird Integralverhalten angenommen, die Drehzahl regelung mit unterlagerter Strom- bzw. Drehmomentenregelung besteht aus den Bausteinen 1 bis 11. Ein Strom- bzw. Drehmomen tenregler ist mit 13 und die elektrische Strecke ist mit 14 bezeichnet. Die Differenz zwischen dem vorgegebenen Drehzahl sollwert n_Soll und dem gemessenen Drehzahlistwert n_Ist wird in einem Subtrahierer 1 zur Drehzahlabweichung Δn gebildet, in einem Proportionalglied 2 verstärkt und mit einem Begrenzer 3 gege benenfalls eingegrenzt, um dann als erstes Eingangssignal a3 einem Summierer 10 vorzuliegen. Der Drehzahlistwert n_Ist wird in einem Differentialglied 7 differenziert und dann in einem Subtra hierer 8 von der Rückführung der unterlagerten Strom- bzw. Drehmomentenregelung abgezogen (Signal a8). Bei entsprechender Parametrierung des Differentialgliedes 7, gemäß der mechanischen Strecke 15, entspricht der ermittelte Wert a8 dem am Motor angreifenden Lastmoment. Nach der Glättung in einem Tiefpaßglied 9 steht ein Vorsteuerungssignal a9 als zweites Eingangssignal dem Summierer 10 zur Verfügung. Die Aufgabe des Vorsteuerungssignals a9 im stationären Zustand der Regelstrecke entspricht dem Inte gralanteil eines PI-Reglers: dem unterlagerten Strom- bzw. Drehmomentenregelkreis den Kompensationsanteil entsprechend dem Lastmoment vorzugeben, während die Regelabweichung Δn quasi Null ist.An example of a circuit arrangement for carrying out the method according to the invention is shown in FIG. 1 as a basic circuit diagram and is explained below: integral behavior is assumed for the mechanical controlled system 15 , the speed control with subordinate current or torque control consists of the modules 1 until 11 . A current or torque regulator is 13 and the electrical path is designated 14 . The difference between the specified speed setpoint n _setpoint and the measured speed _actual value n _actual is formed in a subtractor 1 for the speed deviation Δn, amplified in a proportional element 2 and possibly limited with a limiter 3 , in order then to be present to a summer 10 as the first input signal a3. The _actual speed value n _actual is differentiated in a differential element 7 and then subtracted from the feedback of the subordinate current or torque control in a subtra here 8 (signal a8). With corresponding parameterization of the differential element 7 , in accordance with the mechanical section 15 , the determined value a8 corresponds to the load torque acting on the motor. After smoothing in a low-pass element 9 , a pilot control signal a9 is available to summer 10 as a second input signal. The task of the pilot control signal a9 in the steady state of the controlled system corresponds to the integral part of a PI controller: the subordinate current or torque control loop to specify the compensation component in accordance with the load torque, while the control deviation Δn is virtually zero.

Die Aufgabe eines Regelungsteils F ist es, in Abhängigkeit vom Zustand der Drehzahlabweichung die Grenzen eines Begrenzers 5, welcher die maximale bzw. minimale Ausgangsgröße eines Inte gralgliedes 4 determiniert, zu beeinflussen: sie werden mit zunehmender Drehzahlabweichung kleiner gesteuert.The task of a control part F is to influence the limits of a limiter 5 , which determines the maximum or minimum output variable of an integral element 4 , depending on the state of the speed deviation: they are controlled smaller with increasing speed deviation.

Fig. 2 stellt beispielsweise eine Lösungsmöglichkeit zur symme trischen Steuerung der oberen und der unteren Grenze des Begrenzers 5 dar: der besseren Operationalisierung halber wird in einem Baustein 61 die Drehzahlabweichung Δn in ihren Betrag |Δn| umgeformt, dieser liegt dann am Eingang von Bausteinen 62 und 63 vor. Im Baustein 62 wird in Abhängigkeit vom Betrag der Dreh zahlabweichung |Δn| ein Ausgangssignal a62 entsprechend dem Kurvenverlauf a der Fig. 3 gebildet: liegt die Drehzahlabweichung im quasi-stationären Bereich vor (d. h. wenn |Δn| kleiner als ein bestimmter Wert |Δn*| wird, der den gesamten Bereich von |Δn| in einen quasi-stationären und einen dynamischen Bereich unter teilt), determinieren das Ausgangssignal a62 und das Ausgangs signal a65 eines Bausteins 65 die maximale obere Grenze des Begrenzers 5. Liegt dagegen |Δn| im dynamischen Bereich, wird das Signal a62 Null; dadurch werden die Grenzen des Begrenzers 5 geschlossen, die eine Unterdrückung des Integralanteils der Drehzahlregelung bewirken. Fig. 2 is, for example, a possible solution for sym metrical control of the upper and the lower limit of the limiter 5 is: better operationalization sake in a block 61, the speed deviation .DELTA.n in its magnitude | .DELTA.n | formed, this is then at the input of blocks 62 and 63 . In block 62 , depending on the amount of the speed deviation | Δn | An output signal a62 is formed in accordance with the curve shape a of FIG. 3: is the speed deviation in the quasi-stationary range (ie if | Δn | becomes smaller than a certain value | Δn * |, which quasi covers the entire range from | Δn | -stationary and a dynamic range under divides), the output signal a62 and the output signal a65 of a block 65 determine the maximum upper limit of the limiter 5 . On the other hand, | Δn | in the dynamic range, signal a62 becomes zero; this closes the limits of the limiter 5 , which suppress the integral part of the speed control.

Um eine abrupte Auf- und Zusteuerung der Grenzen zu vermeiden, wird der Übergang (quasi-stationär/dynamisch) des Kurvenver laufs der abhängigen Variablen a62 mit Verschliffen oder zumin dest mit einer Rampenfunktion versehen. Bausteine 63 bis 66 helfen, das Flattern der Grenzen zu vermeiden. Der Baustein 63 fungiert wie ein Zweipunktschalter mit Hysterese. Das Ausgangs signal istIn order to avoid an abrupt opening and closing of the limits, the transition (quasi-stationary / dynamic) of the curve of the dependent variables a62 is smoothed or at least provided with a ramp function. Blocks 63 to 66 help to avoid the fluttering of the borders. Module 63 acts like a two-point switch with hysteresis. The output signal is

a63 = 1 für |Δn| < |Δn*| und
a63 = 0 für |Δn| < |Δn*| (s. Kurve b der Fig. 3).a63 = 1 for | Δn | <| Δn * | and
a63 = 0 for | Δn | <| Δn * | (see curve b of FIG. 3).

Das Hin- und Herschalten um den Schaltpunkt |Δn*| wird durch den Einbau einer Hysterese um denselben vermieden. Der Baustein 64 ist ein Zeitglied mit einer Einschaltverzögerungsfunktion. Der Wert eins des Eingangssignals a63 liegt erst nach einer Verzöge rungszeit T am Ausgang des Bausteins 64 als Signal a64 vor. Dadurch wird ein unnötig häufiges Umschalten im Bereich der Über gangsphase quasi-stationär/dynamisch vermieden (s. Kurven c und d der Fig. 3). Im Tiefpaß 65 (beispielsweise in Form eines Verzö gerungsgliedes 1. Ordnung) wird das Signal a64 zum Signal a65 geglättet, das multiplikativ mit dem Signal a62 zum Signal a66 als obere Grenze des Begrenzers 5 gebildet wird. Die untere Grenze als Signal a67 erhält man dann durch Negation des Signals a66 im Baustein 67.Switching back and forth around the switching point | Δn * | is avoided by installing a hysteresis around it. Block 64 is a timer with a switch-on delay function. The value one of the input signal a63 is only available after a delay time T at the output of the module 64 as the signal a64. This avoids an unnecessarily frequent switching in the transition phase quasi-stationary / dynamic (see curves c and d of FIG. 3). In the low-pass filter 65 (for example in the form of a 1st order delay element), the signal a64 is smoothed into the signal a65, which is multiplied by the signal a62 to the signal a66 as the upper limit of the limiter 5 . The lower limit as signal a67 is then obtained by negating signal a66 in module 67 .

Im Regelungsteil F werden also die obere und die untere Grenze des Begrenzers 5 in Abhängigkeit vom Zustand der Drehzahlabwei chung (dynamisch/quasi-stationär) ermittelt. Im dynamischen Zustand, d. h. wenn die Drehzahlabweichung außerhalb einer bestimmten Bandbreite liegt, werden die Grenzen des Begrenzers 5 zugesteuert, dadurch wird der Integralanteil der Drehzahlregelung unterdrückt (der Wert des Signals a5 ist Null) und damit auch das Überschwingen.In the control part F, the upper and lower limits of the limiter 5 are determined as a function of the state of the speed deviation (dynamic / quasi-stationary). In the dynamic state, ie when the speed deviation lies outside a certain bandwidth, the limits of the limiter 5 are activated, this suppresses the integral part of the speed control (the value of the signal a5 is zero) and thus the overshoot.

Beim PI-Regler hängt die Stabilitätsgrenze von der Güte der gemessenen Regelgröße (Rauschen usw.) und von der Abtastzeit der Regelung ab, wenn die Regelung digital arbeitet. Die Stabilitäts grenze ist definiert durch die kleinstmögliche Integrationszeit konstante T_I,min bei einem bestimmten Verstärkungsfaktor k bzw. durch den größtmöglichen Verstärkungsfaktor k_max bei einer bestimmten Integrationszeitkonstante T_I, ohne daß die Drehzahl anfängt zu schwingen. Dabei wird die Grenzverstärkung k_max um so kleiner sein, je kleiner die Integrationszeitkonstante T_I ein gestellt ist. Bei dem hier vorgestellten Drehzahlregelungs verfahren wird der Integralanteil im dynamischen Zustand unter drückt, das entspricht einer unendlich hohen Integrationszeit konstanten, die eine Erhöhung der Grenzverstärkung k_max erlaubt, ohne daß das Regelsystem instabil wird. Die Verstärkungserhöhung wirkt sich vorteilhaft aus auf die An- und Ausregelzeit sowie auf die Drehzahländerung nach einer Laständerung (d. h. es entsteht nur ein kleinerer Drehzahleinbruch nach einem Laststoß).With a PI controller, the stability limit depends on the quality of the measured controlled variable (noise, etc.) and on the sampling time of the control if the control works digitally. The stability limit is defined by the smallest possible integration time constant T _I, k at a certain gain _min and to swing by the maximum gain factor k _max at a certain integration time constant T _I, without the speed begins. The limit gain k _{max will} be smaller the smaller the integration time constant T _I is set. In the speed control method presented here, the integral component is suppressed in the dynamic state, which corresponds to an infinitely high integration time constant, which allows the limit gain k _max to be increased without the control system becoming unstable. The increase in gain has an advantageous effect on the control and settling time as well as on the speed change after a load change (ie there is only a smaller drop in speed after a load surge).

Fig. 4 zeigt den Drehzahlverlauf nach einem Führungs- und einem Laststoß durch Kurve a mit einem (nach der Methode des symme trischen Optimums eingestellten) PI-Regler und durch Kurve b mit dem Drehzahlregelungsverfahren nach der Erfindung. Fig. 4 shows the speed curve after a command and a load surge through curve a with a (set by the method of symmetrical optimum) PI controller and through curve b with the speed control method according to the invention.

Im quasi-stationären Zustand, wenn die Drehzahlabweichung inner halb einer bestimmten Bandbreite liegt, werden die obere und die untere Grenze des Begrenzers 5 geöffnet, so daß das Integralglied 4 die auftretende Regelabweichung ausregeln kann. Das Ausgangs signal a5 des Bausteins 5 ist das dritte Eingangssignal des Sum mierers 10. In einem Begrenzer 11 werden die Summe von a3, a5 und a9 gegebenenfalls eingeschränkt. Die Drehzahlkonstanz des hier vorgestellten Verfahrens erreicht den Wert eines PI-Reglers (bis unter 0,02% , je nach Meßeinrichtung).In the quasi-steady state, when the speed deviation lies within a certain bandwidth, the upper and lower limits of the limiter 5 are opened, so that the integral element 4 can compensate for the control deviation that occurs. The output signal a5 of the block 5 is the third input signal of the sum 10 . The sum of a3, a5 and a9 may be restricted in a limiter 11 . The constant speed of the method presented here reaches the value of a PI controller (down to less than 0.02%, depending on the measuring device).

Claims

1. Process for overshoot-free speed control of DC and AC motors with subordinate current or torque control, characterized in that a deviation of the actual speed value from the setpoint is corrected by a proportional element immediately that the attacking load torque is compensated by a load-dependent pilot control signal and that a speed deviation is corrected by an integral element, the maximum output variable of which is controlled by the state of the speed deviation.

2. The method according to claim 1, characterized in that the Proportional element is connected in parallel with the integral element.

3. The method according to claim 1, characterized in that the Output of the proportional element to the input of the integral link is returned.

4. The method according to any one of claims 2 or 3, characterized records that the maximum output of the integral element a fixed value less than one is limited.