DE3708479A1

DE3708479A1 - Binaerer ankerstrombeobachter fuer gleichstromantriebe

Info

Publication number: DE3708479A1
Application number: DE19873708479
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof Dr Ing Hofer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-03-16
Filing date: 1987-03-16
Publication date: 1988-11-03
Also published as: DE3708479C2

Description

Die Erfindung betrifft einen binären Ankerstrombeobachter für Gleichstromantriebe, insbesondere eine Anordnung zur potentialfreien Erfassung des Ankerstromes einer stromrichtergespeisten Gleichstrommaschine ohne analoge Meßglieder.

Geregelte Gleichstromantriebe sind seit einer Vielzahl von Jahren bekannt und werden insbesondere dort eingesetzt, wo hohe Anforderungen an das dynamische Verhalten eines elektrischen Antriebes gestellt werden. Die starken Nichtlinearitäten netzgeführter Stromrichter im Lückstrombereich können durch zusätzliche Glättungsmittel im Ankerkreis weitgehend unterbunden werden. Für die Regelung und Steuerung des Stromrichters sind sowohl analoge als auch digitale Verfahren bekannt, wobei die digitalen Verfahren auf der Basis von Mikrorechnern realisiert werden. Ferner ist es bereits bekannt, Nichtlinearitäten im Stromregelkreis durch adaptive Regelsysteme zu kompensieren. Die Messung des Ankerstromes erfolgt mit analogen Sensoren, weshalb der Istwert in Rechnersteuerungen digitalisiert wird.

Ein Nachteil bei den bisher verwendeten Ankerstrommeßverfahren in Gleichstromantrieben ist darin zu sehen, daß die analog arbeitenden Varianten schwer anpassungsfähig sind und die Regelungen auf digitaler Basis eine aufwendige Einrichtung zur Digital/Analog-Wandlung des analogen Stromistwertes erfordern. Hinzu kommt, daß bei der Abtastung und Digitalisierung des pulsierenden Gleichstroms erhebliche Fehler auftreten; insbesondere wenn der Ankerstrom nur schwach geglättet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile bei der Stromistwerterfassung in geregelten Gleichstromantrieben der eingangs genannten Art zu beseitigen und eine Stromistwerterfassung zu schaffen, die einfach in der Anwendung und zuverlässig und genau in der Wirkungsweise ist und sich leicht in digitale Stromregelkreise implementieren läßt.

Erreicht ist dieses Ziel dadurch , daß der binäre Ankerstrombeobachter eine digitale Simulierungsschaltung enthält, die aus binären Eingangsinformationen über eine Rechenvorschrift den Ankerstrom berechnet und als digitalen Istwert bereitstellt.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist in den Ansprüchen 2 bis 6 gekennzeichnet.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 Blockschaltbild einer bekannten Stromistwertbildung in digitalen Stromregelkreisen;

Fig. 2 Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 3 Ankerstromdiagramm mit binären Stromrichtergrößen;

Fig. 4 Vergleich der Ankerstromistwerte eines Stromwandlers und eines binären Ankerstrombeobachters.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt eine übliche Meßkette zur Istwertbildung des momentanen Ankerstromes, wie er für digitale Stromregler erforderlich ist. Um eine ausreichende Genauigkeit zu erzielen, kommen nur Analog/Digital-Wandler hoher Auflösung zum Einsatz. Da der zeitliche Verlauf des Ankerstromes stark oberwellenbehaftet ist, muß dem Analog/ Digital-Wandler ein Abtast-Halteglied vorgeschaltet werden. Für einen wirtschaftlichen Zugriff auf mehrere analoge Istwerte wird in eine solche analoge Schnittstelle noch ein Multiplexer eingefügt. Der Stromwandler kann im Gleichstromkreis oder im Wechselstromkreis eingeschleift sein.

Wie oben beschrieben, liegt das schwerwiegendste Problem der analogen Schnittstelle in der exakten Erfassung kleiner, lückender Ankerströme bei vertretbarem Aufwand, und deshalb befaßt sich die vorliegende Erfindung mit der Lösung dieses Problems.

Der in Fig. 2 gezeigte binäre Ankerstrombeobachter C für Gleichstromantriebe B enthält pro Ventil des Stromrichters A einen Betragsbildner 1, einen Komparator 2, eine galvanische Trennung 3, logische Verknüpfungsglieder 4, 5, Digitalisierungsstufen 6 und ein Rechenwerk 7, in dem über eine Rechenvorschrift der momentane Wert des Ankerstromes I _d in Abhängigkeit von binären Schaltinformationen des Stromrichters α, λ, u berechnet wird.

Nach der vorliegenden Erfindung wird somit ein softwareorientiertes Verfahren zur Ermittlung des Ankerstromes geschaffen, daß ohne analoge Messungen auskommt und den ermittelten Stromistwert als digitale Größe zur Verfügung stellt. Die binären Eingangsinformationen α, λ, u werden aus den Sperrspannungen der Stromrichterventile gewonnen, da diese im Schaltbetrieb arbeiten. Zu diesem Zwecke werden die Sperrspannungen gleichgerichtet 1 und einem Schwellenschalter 2 zugeführt, der die Sperrspannung auf Werte nahe Null abfragt und an seinem Ausgang ein periodisches, pulsbreiten- moduliertes Signal abgibt, das der Leitdauer des betrachteten Ventils entspricht. Die Oder-Verknüpfung aller vorhandenen Ventilleitdauern gibt die Länge der periodischen Stromkuppen im Ankerkreis wieder. Die Und-Verknüpfung der Leitdauern jeweils zweier miteinander kommutierender Ventile ergibt die Länge der periodischen Kommutiervoränge. Die Oder-Verknüpfung aller Zündimpulse ergibt die Länge der periodischen Zündverzögerungen des Stromrichters. Diese letztgenannte Impulsbildung kann für den Fall entfallen, daß das Rechenwerk nicht nur die Rechenvorschrift des Binären Ankerstrombeobachters aufnimmt, sondern auch die Regelung und Steuerung des Stromrichters durchführt. Die Auszählung und Digitalisierung der periodisch wiederkehrenden Längen des Steuerwinkels α, der Leitdauer g und der Überlappung u erfolgt mit Zählerbausteinen 6, so daß es möglich ist, α, λ und u mit hoher Genauigkeit festzustellen.

Die Rechenvorschrift, in die α, λ und u einzusetzen sind, lautet für alle vollgesteuerten, netzgeführten Stromrichtervarianten wie folgt:

worin C₁ und C₂ Konstanten sind, die den Effektivwert der Netzspannung enthalten. Die Pulszahl p berücksichtigt die möglichen Stromrichterschaltungen; für eine Drehstrombrückenschaltung ist p = 6, für eine Drehstrom mittelpunktschaltung ist p = 3 und für eine Wechselstrombrückenschaltung ist p = 2 einzusetzen.

Man muß zwei Arbeitsbereiche unterscheiden

diese werden durch die Beobachtergleichung (1) voll berücksichtigt. Der one-line berechnete Ankerstromistwert kann einem Stromregler zugeführt werden, da das Rechenwerk diese Gleichung in Zeitabständen berechnet, die kleiner als die Totzeit des Stromrichters sind. Die dargestellte und beschriebene Ausführung ist nur ein Beispiel zur Verwirklichung der Erfindung.

Fig. 3 zeigt die im binären Ankerstrombeobachter erzeugten periodischen Stromrichtersignale α, λ und u über dem zeitlichen Verlauf des Ankerstroms I _d, dessen arithmetischer Mittelwert der beschriebene binäre Ankerstrombeobachter durch Rechnung bestimmt. Der Lückbereich nach Gleichung (2) und der nichtlückende Bereich nach Gleichung (3) sind in dieses Diagramm eingetragen.

Fig. 4 zeigt die Sprungantwort eines mit einem binären Ankerstrombeobachter ausgerüsteten Stromregelkreises. Zum Vergleich ist der Istwert des binären Ankerstrombeobachters und der eines Stromwandlers aufgezeichnet. Die Verzögerung des berechneten Ankerstromes resultiert aus der Erfassung der Schaltzustände der Stromrichterventile und liegt in der Größenordnung der Stromrichtertotzeit.

Ein erfindungsgemäßer binärer Ankerstrombeobachter für Gleichstromantriebe, der durch Auswertung binärer Stromrichterinformationen analoge Messungen überflüssig macht, bereitet in der Realisierung und beim Einsatz in Stromrichteranlagen keine Schwierigkeiten. Der Kostenaufwand ist äußerst gering. Die Genauigkeit des berechneten Ankerstromistwertes durch den beschriebenen binären Ankerstrombeobachter liegt insbesondere im Lückbereich des Stromrichters höher als bei analogen Schnittstellen digitaler Regler. Dies bedeutet ferner, daß beim Einsatz von binären Ankerstrombeobachtern auf zusätzliche Glättungsmittel in Gleichstromantrieben verzichtet werden kann. Abhängigkeiten des binären Ankerstrombeobachters von Parameterschwankungen des Gleichstrommotors sind nicht vorhanden. Es versteht sich von selbst, daß binäre Ankerstrombeobachter in bestehende, digital geregelte Gleichstromantriebe auch nachträglich noch implementiert werden können.

Claims

1. Binärer Ankerstrombeobachter für Gleichstromantriebe, dadurch gekennzeichnet, daß eine digitale Simulierschaltung vorgesehen ist, welche eine Steuercharakteristik des Antriebs wiedergibt, daß die Charakteristik die Besonderheiten der Stromrichterschaltung berücksichtigt und die Daten des Motors enthält und daß binäre Signale, welche die Zündverzögerung, Einschaltdauer und Überlappung der Stromrichterventile darstellen, in der Simulierschaltung verarbeitet werden, um einen potentialfreien und digitalen Istwert des Ankerstroms ohne analoge Zwischenschritte zu erzeugen.

2. Binärer Ankerstrombeobachter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Simulierschaltung folgende Elemente enthält:
einen Betragsbildner (1), welcher ein der gleichgerichteten Sperrspannung der Ventile proportionales Signal abgibt, einen nachgeschalteten Komparator (2), dessen Ausgangsinformation den Schaltzustand der Stromrichterventile wiedergibt, eine Einrichtung zur galvanischen Trennung (3) der mit Netzpotential behafteten binären Eingangsgrößen, ein Logiknetzwerk (4) und (5) für die Bestimmung der pulsbreitenmodulierten Stromrichterinformationen, eine Einrichtung (6) für die Digitalisierung der Ausgangsinformationen von (4) und (5) und ein Rechenwerk (7) zur Abarbeitung einer Rechenvorschrift, deren Ergebnis dem Wert des Ankerstromes im Motor entspricht.

3. Binärer Ankerstrombeobachter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Logignetzwerk folgende Elemente enthält:
ein logisches Und-Glied zur Verknüpfung der Schaltzustände für jeweils zwei sich gegenseitig stromablösende Stromrichterventile, ein logisches Oder-Glied zur Verknüpfung der Schaltzustände aller Stromrichterventile, ein weiteres logisches Oder-Glied zur Verknüpfung der Zündverzögerungen aller Stromrichterventile.

4. Binärer Ankerstrombeobachter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Digitalisierung pulsbreitenmodulierter Stromrichterinformationen Zählerbausteine enthält, deren Zählerstand direkt von der Pulsbreite gesteuert wird und der einem Zugriff von außen zugänglich ist.

5. Binärer Ankerstrombeobachter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenwerk folgende Elemente enthält:
einen Festwertspeicher zur Aufnahme einer Rechenvorschrift, einen flüchtigen Speicher für Zwischenergebnisse, eine Zentraleinheit zur Ausführung einer Rechenvorschrift, einen parallelen Eingang zur Abfrage von Zählerbausteinen und einen parallelen Ausgang zur Ausgabe des durch Rechnung ermittelten Ankerstromwertes.

6. Binärer Ankerstrombeobachter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenvorschrift folgende Merkmale aufweist:
eine Berücksichtigung der verschiedenen Stromrichterschaltungen ist über die Pulszahl (p) gegeben, eine Berücksichtigung des Lückbetriebes ist über die Leitdauer ( λ ) gegeben und eine Berücksichtigung vorhandener Kommutierungsvorgänge ist über die Überlappung (u) gegeben.