DE3036658C2

DE3036658C2 - Schaltungsanordnung zur proportional-integralen Drehzahlregelung einer von einem Elektromotor angetriebenen Arbeitsmaschine mit veränderlicher Belastung

Info

Publication number: DE3036658C2
Application number: DE19803036658
Authority: DE
Inventors: Georg Dr. 8521 Uttenreuth Weihrich; Dietrich Dipl.-Ing. 8524 Neunkirchen Wohld
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-01-19
Filing date: 1980-09-29
Publication date: 1982-11-04
Also published as: DE3036658A1

Description

a) das Rcgektreckenmodell (A) enthält einen vom Ankerstrom (U) angesteuerten Multiplizierer (ift), dessen zweiter Eingang vom Ausgang eines zweiten Integrators (22) beaufschlagt ist, der über einen zweiten Multiplizierer (21) in gleicher Weise vom Ankerstrom angesteuert ist, wobei der zweite Eingang des zweiten Multiplizierers (21) von der Differenz (e) zwischen tatsächlicher (n) und modellmäßig nachgebildeten Motordrehzahl fnj beaufschlagt ist;

b) das Ausgangssignal den zweiten Integrators (22), das dem Motorfeld proportional ist, ist außerdem einem Dividierer (110) zugeführt, der in Signalflußrichtung hinter der Aufschaltstelle der lastmomentproportionalen Größe (a) angeordnet ist (F i g. 2 und 3).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Zur Nachbildung der lastmomentproportionalen Größe (a) sind einem Mischglied (24) das über einen dritten Multiplizierer (26) geführte

• Ausgangssignal (Ϊα,τ) eines vom Ankerstrom beaufschlagten Glättungsgliedes (27) und das Ausgangssignal eines mit der tatsächlichen Motordrehzahl beaufschlagten Differenzgliedes (25) zugeführt, dessen Glättungszeitkonstante (T) gleich der Zeitkonstanten des Glättungsgliedes (27) ist;

b) der zweite Eingang des dritten Multiplizierers (26) ist mit dem Ausgang eines dritten Integrators (28) verbunden, dessen Eingangssignal mittels eines vierten Multiplizierers (29) mit dem Drehzahldifferenzsignal (e) und dem Ausgangssignal des Glättungsgliedes (27) verknüpft ist;

c) dem Dividierer (110) ist der arithmetische Mittelwert aus dem Ausgangssignal des zweiten Integrators (22) und dem negativen Ausgangs-

signal des dritten Integrators (28) zugeführt (F ig. 3).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Signalflußrichtung vor dem Dividierer (110) zusätzlich ein periodisches Anregesignal fty eingespeist ist (F i g. 3).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten und/oder dem zweiten Integrator zusätzlich ein konstantes Anregesignal (—ε) eingespeist ist (F i g. 2 und 3).

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur proportional-integralen Drehzahlregelung einer von einem Elektromotor angetriebenen Arbeitsmaschine mit veränderlicher Belastung, bestehend aus einem Drehzahlregelkreis und einem unterlagerten StromregeJkreis, wobei dem Stromregler als zusätzlicher Sollwert eine dem Lastmoment proportionale Größe aufgeschaltet ist, wobei der Drehzahlregler ein reiner Proportionalregler ist und der zusätzliche Sollwert mittels eines Beobachters gewonnen wird, der ein Modell der Reglerstrecke enthält, das vom Motorstrom und dem Differenzsignal aus Motordrehzahl und der aus dem Modell selbst gewonnenen Drehzahl angesteuert ist, wobei das Differenzsignal einem Integrator zugeführt ist, dessen Ausgangssignal der zusätzliche Sollwert ist, mit multiplikativer Verknüpfung des vom Ankerstrom abgeleiteten Ansteuersignals mit einer dem Motorfeld proportionalen Größe und mit multiplikativer Verknüpfung des um die zusätzliche Aufschaltung veränderten Ausgangssignals des Drehzahlreglers mit einer dem Motorfeld umgekehrt proportionalen Größe. Eine derartige Schaltungsanordnung ist Gegenstand des Patentes 28 02 224. Zur vollständigen Eliminierung des Einflusses von Feldänderangen ist es hierbei nach der Zeitschrift »Regelungstechnik«, 1978, Heft 11, Seiten 349 bis 380, insbesondere Seite 351 und Heft 12, Setien 392 bis 397, bekannt, eine multiplikative Verknüpfung des vom Ankerstrom abgeleiteten Ansteuersignals mit einer dem Motorfeld proportionalen Größe und eine multiplikative Verknüpfung des um die zusätzliche Aufschaltung veränderten Ausgangssignals des Drehzahlreglers mit einer dem Motorfeld umgekehrt proportionalen Größe durchzuführen. Nachteilig bei einer solchen Adaption ist aber

so noch, daß Änderungen des Trägheitsmomentes des Antriebs die Kreisverstärkung des Drehzahlregelkreises beeinflussen und damit seine Dynamik verschlechtern können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung anzugeben, die Feld- und Trägheitsmomentänderungen erfaßt und deren Einfluß auf die Regeldynamik ausgleicht, wobei die Schaltung weitgehend unempfindlich gegenüber Meßstörungen sein soll. Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale. Die Erfindung samt ihren Weiterbildungen, welche in Unteransprüchen gekennzeichnet sind, soll nachstehend anhand der Zeichnung näher veranschaulicht werden.

F i g. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines drehzahlgeregelten Gleichstromantriebs. Ein elektrischer Antriebsmotor 1, welcher die Drehmasse bzw. das Trägheitsmoment /1 aufweist, kann mittels einer

ausrückbaren Kupplung 12 mit einer Arbeitsmaschine 3 verbunden werden. Bei dem Antrieb A könnte es sich beispielsweise um einen Getriebeprüfstand handeln, auf dem das Betriebsverhalten von Prüflingen 3 mit voneinander unterschiedlichen TrägheitSMomenten /2 untersucht werden soll oder bei dem sich das Trägheitsmoment J₂ durch das Schalten von Getriebestufen ändert An der Motorwelle greift das Lastmoment OTt an, dem das vom Motor 1 aufgebrachte Antriebsmoment entgegenwirkt, welches sich als Produkt aus Ankerstrom Ία und Feldstärke φ des Erregerfeldes ergibt Durch Verändern des Erregerstromes /£ läßt sich die Feldstärke des Motorfeldes verändern, womit der Antrieb bei entsprechenden Drehzahlanforderungen im Feldschwächebereich betrieben werden kann. Der Ankerstrom i_A wird von einem Stromrichterstellglied 4 geliefert, welches von einem als PI-Regler ausgebildeten Ankerstromregler 5 angesteuert wird. Der Sollwert m* dieses Stromreglers wird von einem Drehzahlregler 16 bestimmt, dem der Drehzahlsollwert n* und der mittels der Tachomaschine Tgewonnene Istwert π zugeführt ist Der Drehzahlregler 16 besitzt keinen Integralanteil, sondern ist als reiner P-Regler ausgebildet Mittels einer modellmäßigen Nachbildung der Regelstrecke A in Form des Beobachters B wird eine dem Lastmoment m_L proportionale und dem Summenträgheitsmoment aus J\ und J₂ umgekehrt proportionale Größe a gewonnen, welche dem Ausgangssignal des Drehzahlreglers 16 mittels des Mischgliedes 17 aufgeschaltet wird. Dadurch wird der Drehzahlregler von der Aufgabe entbunden, stationär eine das Lastmoment rriL ausgleichende Größe aufzubringen. Wie im folgenden noch näher erläutert wird, erscheint an der Ausgangsklemme 19 des Beobachters B eine Größe b, welche proportional dem Motorerregerfeld und umgekehrt proportional dem Summenträgheitsmoment aus /1 und /2 ist. Diese Größe wird einem Dividierer 110 zugeführt, welcher hinter dem Mischglied und vor einem mit 111 bezeichneten Begrenzungsglied angeordnet ist. Angesteuert wird der Beobachter von einer dem Ankerstromistwert proportionalen Größe U und von der der Motordrehzahl η proportionalen Ausgangsspannung der Tachodynamo T. Diese beiden Ansteuergrößen sind dem Beobachter B an seinen Eingangsklemmen 112 und 113 zugeführt.

F i g. 2 gibt den Signalflußplan der Regelanordnung gemäß F i g. 1 mit den jeweiligen Beiwerten der einzelnen Regelkreisglieder wieder. K_p ist der Verstärkungsfaktor des Proportionalreglers 16. Die in F i g. 1 aus dem Stromregler 5 und dem Stromrichterstellglied 4 bestehende Ankerstromregelung ist durch ein Verzögerungsglied 114 erster Ordnung mit der Zeitkonstanten Ti angenähert. Die Regelstrecke A enthält zur Bildung des elektrischen, vom Elektromotor aufgebrachten Moments ein von der ankerstromproportionalen Größe i_A und der feldproportionalen Größe φ beaufschlagtes Multiplizierglied 115, dessen; Ausgangssignal das Lastmoment /n_t entgegenwirkt Am Ausgang des Mischgliedes 116 ergibt sich damit eine der Motorbeschleunigung proportionale Größe Tm · ή. Weiterhin ist durch das Integrierglied 117 der integrale Zusammenhang zwischen der Motorbeschleunigung Tu · π und der Motordrehzahl η dargestellt, wobei die Zeitkonstante 7m des Integriergliedes 17 abhängt von der Summe der Trägheitsmomente J₁ + J₂ des Antriebs A. Bei den in den Blocksymbolen eingetragenen Übertragungsfunktionen bedeutet «jeweils den Laplace-Operator.

Die eben beschriebene Struktur des Antriebs A findet

sich entsprechend in seinem mit Ä bezeichneten Modell wieder, welches Teil des Beobachters Bi ist: So entspricht ein erster Multiplizierer 1Ϊ5 dem Multiplizierglied 115 und das Mischglied ίΐϊ* dem Mischglied

116 der Regelstrecke A Anstelle des Integriergliedes

117 mit der von der jeweiligen Trägheitsmomentensumme abhängigen Zeitkonstanten T_M ist ein Integrierglied 18 mit der unveränderlichen Zeitkonstanten 7o verwendet Der Beobachter B1 enthält außer dem Modell Ä der Regelstrecke A eine lineare Zustandsnachführung in Abhängigkeit von der Differenz e zwischen tatsächlicher Motordrehzahi π und modellmäßig nachgebildeter Drehzahl n. Diese lineare Zustandsnachführung besteht in einem Proportionalglied 19 mit dem Verstärkungsfaktor KI und einem Integrierglied 20 mit dem Integrationsbeiwert — K\/To, welches zur Nachbildung der Größe a dient

Zur Identifikation der Größe b enthält der Beobachter Bi erfindungsgemäß eine nichtlineare, adaptive Nachstelleinrichtung, bestehend aus einem zweiten Multiplizierer 21, der eingangssei tig vom Differenzsignal e und vom Ankerstrom U beaufschlagt ist und dessen Ausgang über einen Integrator 22 mit dem Integrationsbeiwert K₀ZTo auf den zweiten Eingang des ersten Multiplizierers 115 wirkt Es läßt sich zeigen, daß nach dem durch die lineare Zustandsnachführung bewirkten Abgleich zwischen tatsächlicher und modellmäßig nachgebildeter Drehzahl — d. h. bei stationärem Verschwinden des Differenz- oder Fehlersignals e — die an der Ausgangsklemme 18 bzw. am Ausgang des Integriergliedes 20 auftretende Größe a den Wert mi ■ Το/Tu und die an der Ausgangsklemme 19 des Beobachters Bi auftretende Größe b den Wert ψ · T₀ZTm aufweist Wesentlich ist, daß mit dem Signal b der Quotient aus der motorfeldproportionalen Größe φ und der der Trägheitsmomentensumme J\+J₂ proportionalen Größe Tm identifiziert wird, so daß bei adaptivem Eingriff des Signals b über den Dividierer 110 Feld- und Trägheitsmomentenänderungen kompensiert werden und keine Verschlechterung der Regeldynamik eintritt Das Ausgangssignal des Dividierers 110 enthält neben einem von der Regelabweichung n*-n abhängigen Anteil eine Größe, welche genau dem Wert mjy entspricht, womit das angreifende Lastmoment m_L im stationären Zustand exakt kompensiert wird, sofern das Ausgangssignal des Dividierers 110 kleiner ist als die durch das Begrenzungsglied 111 vorgegebene Begrenzung, d. h. in voller Höhe auf den nachfolgenden Antrieb wirken kann. In diesem Falle gilt bei Vernachlässigung der Stromregelung (T,—o) für die Motordrehzahl π die Beziehung

woraus auch zu ersehen ist, daß der weitere Verlauf der Drehzahl unbeeinflußt bleibt von Änderungen des Lastmomentes mu von Änderungen des Summenträgheitsmomentes bzw. der davon abhängenden mechanischen Zeitkonstanten Tm und von Änderungen des Motorfeldes φ.

Das Abgleichverhalten — die Dynamik — des Beobachters kann nach bekannten Regeln unabhängig von der Dynamik des Drehzahlregelkreises unter entsprechender Festlegung der Koeffizienten K\ und K₂ optimiert werden, wobei man für die Zeitkonstante T₀ zweckmäßigerweise einen Wert wählt, welcher an der unteren Grenze des voraussichtlichen Schwankungsbe-

reiches der mechanischen Zeitkonstanten T_M liegt. Als entscheidend für eine erwartungstreue und stabile Identifikation der feldproportionalen Größe b durch die nichtlineare Nachstelleinrichtung wurde erkannt, daß auf ihr Multiplizierglied 21 keine zwei von der Beobachterdynamik abhängigen Signale einwirken dürfen. Bei der erfindungsgemäß getroffenen Auswahl der beiden Eingangssignale des Multiplizierers 21 ist lediglich das Fehlersignal e von der Beobachterdynamik abhängig, nicht aber das
Signal i_A-

In der Regel wird das von dem Tachodynamo T abgegebene Meßsignal η nicht störungsfrei sein, sondern mit einer Meßstörung w behaftet sein, welche vor allem durch die Laufernutung der Tachodynamo bedingt ist Für eine naturgetreue Parameternachbildung durch den Beobachter wurde als wichtig erkannt, daß eine solche Störung nicht unvermittelt auf beide Eingänge eines Multiplizierers wirken sollte.

Diese Beziehung wird nun im Beobachter B1 mittels eines Mischgliedes 24 nachgebildet. Der eine Eingang dieses Mischgliedes 24 besteht im Ausgangssignal eines Differenziergliedes 25, welches die Glättungszeitkonstante Γ aufweist und eingangsseitig von dem mit der Meßstörung w überlagerten drehzahlproportionalen Signal η beaufschlagt wird. Der andere Eingang des Mischgliedes 24 besteht im Ausgangssignal eines dritten Multiplizierers 26, dessen einer Eingang von dem

ankerstromproportionale io ankerstromproportionalen Signal U über ein Glättungs-

glied 27 angesteuert wird, welches dieselbe Glättungszeitkonstante T hat wie das Differenzierglied 25. Der andere Eingang des Multiplizierers 26 wird vom Ausgang eines Integrators 28 beaufschlagt welcher eingangsseitig vom Ausgangssignal eines vierten Multiplizierers 29 beaufschlagt ist. an dessen Eingängen das Fehlersignal e und das über das Verzögerungsglied 27 geführte ankerstromproportionale Signal i\ r liegen. Im stationären Zustand tritt am Ausgang des Mischgliedes

Zur Ingangsetzung des Identifikationsvorganges für 20 24 entsprechend der obigen Beziehung ein Signal der

die Größe b kann für den Fall, daß durch genügend Größe

häufige Änderungen des Sollwertes n* keine ausreichende Veränderungen im Ankerstrom /U herbeigeführt - a = -

werden, dem Ausgangssignal des Multiplizierers 21 eine kleine negative Spannung ε aufgeschaltet werden, welche ein Drift des Beobachtungsregelkreises in

Richtung seiner Stabilitätsgrenze auslöst Die dadurch

bewirkte aufklingende Schwingung setzt dann die

Identifikation in Gang und stabilisiert gleichzeitig die Regelung. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch

und hängt in seiner Frequenz von der Spannung ε und

dem Integrationsbeiwert Ko/To des Integrators 22 ab. In Fig.3 ist eine etwas aufwendigere Variante für

den Beobachter dargestellt, welche jedoch den Vorteil aufweist, daß die Wirkung der Meßwelligkeit wund der Lastmomentänderungen auf die Parameternachbildung noch besser unterdrückt werden können. Bei dieser Variante wurde vom Beobachter Al der Fig.2 die Modellnachbildung Ä, die proportionale Nachführung über das Proportionalglied 19 und die nichtlineare Nachstelleinrichtung mittels des Multiplizierers 21 und des Integrators 22 unverändert übernommen. Unterschiedlich ist jedoch die Nachbildung der lastmomentproportionalen Größe a. Diese erfolgt hier nicht in Rückkopplungsart innerhalb des Beobachters, sondern durch Nachbildung der Signalsumme für den Angriffspunkt des Lastmomentes mz. Wie aus dem in Fig.3 formal umstrukturierten Signalflußbild der Regelstrekke A hervorgeht, gilt zwischen den Eingängen und dem Ausgang des Mischgliedes 116 folgende Beziehung

= Ts n-U ■ ψ ■ To/Tm-

auf und somit am Ausgang des Integrators 28 ein Signal der Größe -(φ ■ T₀ITm), womit es genau dem jeweils negativen Wert des Ausgangssignals des Integrators 22 entspricht Wesentlich ist hierbei jedoch, daß sich in den beiden vorzeichenverschiedenen Signalen der Integratoren 28 und 22 die Meßstörung iv gleichsinnig niederschlägt, weshalb sie durch Mittelwertbildung mittels eines weiteren Mischgliedes 30 und eines Verstärkungsgliedes mit dem Verstärkungsfaktor 1/2 vollständig eliminiert werden kann. Das Signal 6=((p · T₀ZTm)" enthält also die Meßstörung w nicht mehr.

In Fig.3 ist auch eine zweite Variante für die Identifikationsanregung bei der Nachbildung der feldproportionalen Größe b gezeigt welche darin besteht, daß dem Mischglied 17 zusätzlich eine periodische, rechteckförmige Wechselspannung aufgeschaltet wird. Die Frequenz dieser Rechteckschwingung ist auf die Glättungszeitkonstanten der Glieder 25 und 27 abzustimmen, ihre Amplitude wird zweckmäßigerweise so groß gewählt, daß sich gerade noch tragbare Drehzahlschwankungen — üblicherweise im Promillebereich — ergeben.
Bei der in Fig.3 dargestellten Variante ist es ebenfalls möglich, anstelle des rechteckförmigen Anregesignals ν ein Gleichstromsignal ε im Eingang eines oder beider Integratoren 22 bzw. 28 einzuspeisen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur proportional-integralen Drehzahlregelung einer von einem Elektromotor angetriebenen Arbeitsmaschine mit veränderlicher Belastung, bestehend aus einem Drehzahlregelkreis und einem unterlagerten Stromregelkreis, wobei dem Stromregler als zusätzlicher Sollwert eine dem Lastmoment proportionale Größe aufgeschaltet ist, wobei der Drehzahlregler ein reiner Proportionalregler ist und der zusätzlicher Sollwert mittels eines Beobachters gewonnen wird, der ein Modell der Regelstrecke enthält, das vom Motorstrom und dem Differenzsignal aus Motordrehzahl und der aus dem Modell selbst gewonnenen Drehzahl angesteuert ist, wobei das Differenzsignal einem Integrator zugeführt ist dessen Ausgangssignal der zusätzliche Sollwert ist, nach Patent 28 02 224, mit multiplikativer Verknüpfung des vom Ankerstrom abgeleiteten Ansteuersignals mit einer dem Motorfeld proportionalen Größe und mit multiplikativer Verknüpfung des um die zusätzliche Aufschaltung veränderten Ausgangssignals des Drehzahlreglers mit einer dem Motorfeld umgekehrt proportionalen Größe, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: