DE4224796C2 - Method and device for generating a stable control behavior of a feed circuit - Google Patents
Method and device for generating a stable control behavior of a feed circuitInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor richtung zur Erzeugung eines stabilen Regelverhaltens einer Einspeiseschaltung bestehend aus einer Eingangsdrossel, mindestens einem Schaltmittel und einem Ausgangskondensator (CH 670 340 A5).The invention relates to a method and a front direction for generating a stable control behavior of a Feed circuit consisting of an input choke, at least one switching means and an output capacitor (CH 670 340 A5).
Aus der BBC-Druckschrift Nr. D VK 40076D mit dem Titel "Vier quadrantensteller - eine netzfreundliche Einspeisung für Triebfahrzeuge mit Drehstromantrieb", Sonderdruck aus "Elektrische Bahnen", Jahrgang 45, Heft 6, 1974, ist eine Einspeiseschaltung bekannt. Eine derartige Einspeiseschaltung stellt eine konstante Gleichspannung mit geringen Oberschwin gungen bereit, wobei der Ripplefaktor möglichst klein ist. Dem Wechselspannungsnetz (Einspeisenetz) wird möglichst nur Wirkleistung entnommen, d. h., der Leistungsfaktor ist groß. Der Aufwand für die Anlage in Gewicht, Volumen und Kosten soll möglichst gering sein. In Bild 1 dieser Druckschrift ist eine Zweiquadranten-Stellerausführung und in Bild 4 ist eine Vierquadrantenausführung der Einspeiseschaltung dargestellt. In Bild 7 dieser Druckschrift ist ein Blockschaltbild der Vierquadrantensteller-Ausführung, seiner Filterglieder und der übergeordneten Regelung dargestellt. Die dargestellte übergeordnete Regelung arbeitet nach dem Prinzip der Zwei punktsteuerung.A feed-in circuit is known from the BBC publication No. D VK 40076D with the title "Four quadrant plates - a grid-friendly feed for traction vehicles with three-phase drive", special print from "electric trains", year 45, issue 6, 1974. Such a feed circuit provides a constant DC voltage with low harmonics, the ripple factor being as small as possible. If possible, only active power is taken from the AC network (feed-in network), ie the power factor is large. The effort for the system in weight, volume and costs should be as low as possible. Figure 1 of this document shows a two-quadrant actuator version and Figure 4 shows a four-quadrant version of the feed circuit. Figure 7 of this publication shows a block diagram of the four-quadrant controller version, its filter elements and the higher-level control. The higher-level control shown works on the principle of two-point control.
Neben den Zweiquadranten- und Vierquadranten-Ausführungen ist ebenfalls eine Einquadranten-Ausführung bekannt (CH 670 340 A5), deren Prin zipschaltbild in Fig. 1 näher dargestellt ist und zur Erläu terung des Problems dient. Diese Einquadranten-Einspeise schaltung 2 arbeitet als Hochsetzsteller bzw. als steuerbare Spannungsquelle. Diese Einspeiseschaltung 2 besteht aus einer Spannungsquelle 4, einer Eingangsdrossel 6, einem Schaltmit tel 8, einem Gleichrichter 10 und einem Ausgangskondensator 12. Das Schaltmittel 8 ist elektrisch parallel zur Reihen schaltung Spannungsquelle 4 - Eingangsdrossel 6 geschaltet. Elektrisch parallel zum Schaltmittel 8 ist ebenfalls die Reihenschaltung Gleichrichter 10 - Ausgangskondensator 12 geschaltet. Am Ausgangskondensator 12 steht eine Ausgangs spannung uaus an. Diese Ausgangsspannung uaus ist über das Tastverhältnis von der Schalterspannung uS abhängig, deren Mittelwert annähernd der Eingangsspannung uein der Einspeise schaltung 2 entspricht. D.h., die Ausgangsspannung uaus ist über das Übersetzungsverhältnis des Stellers 2 von der Ein gangsspannung uein abhängig. Wie dieses Prinzipschaltbild zeigt, bildet die Eingangsdrossel 6 und der Ausgangskonden sator 12 einen Schwingkreis, der infolge seines geringen ohmschen Widerstandes schwach gedämpft ist. Dadurch werden Resonanzvorgänge nur schwach gedämpft.In addition to the two-quadrant and four-quadrant versions, a single-quadrant version is also known (CH 670 340 A5), the principle of which is shown in more detail in FIG. 1 and serves to explain the problem. This single quadrant feed circuit 2 works as a step-up converter or as a controllable voltage source. This feed circuit 2 consists of a voltage source 4 , an input choke 6 , a Schaltmit tel 8 , a rectifier 10 and an output capacitor 12th The switching means 8 is electrically connected in parallel to the series circuit voltage source 4 - input choke 6 . The series circuit rectifier 10 - output capacitor 12 is also connected electrically in parallel with the switching means 8 . The output capacitor 12 is an output voltage u on from. This output voltage u from is dependent on the duty cycle of the switch voltage u S, whose average value approximates the input voltage U of the feeder circuit corresponding to the second That is, the output voltage u from is on the gear ratio of the actuator 2 of the output voltage u A is a dependent. As this basic circuit diagram shows, the input choke 6 and the output capacitor 12 form a resonant circuit which is weakly damped due to its low ohmic resistance. As a result, resonance processes are only weakly damped.
Bisher wurde mittels einer unterlagerten Stromregelung ver sucht, diese Resonanzvorgänge besser zu dämpfen.So far, a subordinate current control was used seeks to dampen these resonance processes better.
In Fig. 2 ist das zum Prinzipschaltbild der Einspeiseschal tung 2 nach Fig. 1 zugehörige verallgemeinerte regelungs technische Blockschaltbild mit der zugeordneten übergeord neten Regelung 14 dargestellt. Für langsamere elektrische Vorgänge, als es der Schaltfrequenz bzw. Taktfrequenz des Stellers 2 entspricht, kann in guter Näherung das getaktete Schaltmittel 8 als Multiplizierer 16 und 18 betrachtet wer den, wobei 16 das Stellverhalten für die Spannung und 18 das Stellverhalten für den Strom beschreibt. Die Eingangsdrossel 6 und der Ausgangskondensator 12 sind jeweils als Integra toren 20 und 22 regelungstechnisch dargestellt. Die zuge hörige übergeordnete Regelung 14 besteht aus einer Spannungs regelung mit unterlagerter Stromregelung. Dieser übergeord neten Regelung 14 sind die Regelgrößen Ausgangsspannung uaus und Drosselstrom iL der Einspeiseschaltung 2 zugeführt. Die Spannungsregelung bildet aus einer Ausgangsspannungs-Regel differenz ueaus mittels eines Spannungsreglers 24 einen Drosselstrom-Sollwert iL*. Mittels dieses Sollwertes iL* und des Drosselstrom-Istwertes iL wird mit Hilfe eines Stromreg lers 26 ein Steuersignal uST für die Einspeiseschaltung 2 erzeugt, das einem Steuereingang 28 dieser Einspeiseschaltung 2 zugeführt wird.In FIG. 2 is a principle diagram of the Einspeiseschal device 2 of FIG. 1 corresponding generalized technical regulation block diagram of the associated übergeord Neten control 14 shown. For slower electrical processes than it corresponds to the switching frequency or clock frequency of the actuator 2 , the clocked switching means 8 can be regarded as a multiplier 16 and 18 , who describes the actuating behavior for the voltage and 18 the actuating behavior for the current in good approximation. The input choke 6 and the output capacitor 12 are each shown as integers 20 and 22 in terms of control technology. The associated higher-level control 14 consists of a voltage control with subordinate current control. This superordinate regulation 14 , the controlled variables output voltage u out and choke current i L of the feed circuit 2 are supplied. The voltage control forms an output voltage control difference u eaus by means of a voltage regulator 24, a choke current setpoint i L *. By means of this setpoint i L * and the actual choke current value i L , a control signal u ST for the feed circuit 2 is generated with the aid of a current regulator 26 and is fed to a control input 28 of this feed circuit 2 .
Die unterlagerte Stromregelung der übergeordneten Regelung 14 bewirkt im Regelkreis, daß anstelle des Integrators 20 ein Proportionalregler erster Ordnung (PT₁-Regler) vorhanden sein würde. Wird der Regelkreis recht schnell ausgelegt, so wird die Grenzfrequenz dieses funktionell anwesenden PT₁-Reglers in der Nähe der Resonanzfrequenz liegen. Stabiles Regelver halten ist somit nur möglich mit einer Grenzfrequenz kleiner als der Resonanzfrequenz, selbst wenn die Resonanzfrequenz wesentlich kleiner als die Taktfrequenz des Schaltmittels 8 ist. Damit wird die mögliche Dynamik der Einspeiseschaltung 2 nicht nutzbar. Eine höhere Taktfrequenz kann nicht zur Ver besserung der Dynamik, sondern nur zur Verringerung der Welligkeit genutzt werden.The subordinate current control of the higher-level control 14 causes in the control circuit that a proportional controller of the first order (PT 1 controller) would be present instead of the integrator 20 . If the control loop is designed quite quickly, the cutoff frequency of this functionally present PT₁ controller will be close to the resonance frequency. Stable Regelver is thus only possible with a cutoff frequency lower than the resonance frequency, even if the resonance frequency is significantly lower than the clock frequency of the switching means 8 . This means that the possible dynamics of the feed circuit 2 cannot be used. A higher clock frequency cannot be used to improve the dynamics, but only to reduce the ripple.
Eine weitere Maßnahme zur Dämpfung von Resonanzvorgängen bei der Einspeiseschaltung 2 ist die Dämpfungsrückführung. Diese Maßnahme der Dämpfungsrückführung ist unabhängig von Takt- und Resonanzfrequenz stets möglich, sofern man einen last stromabhängigen Spannungsabfall in der Größenordnung von mindestens 5 bis 10% in Kauf nehmen kann. Bei der Dämpfungs rückführung werden auf der Steuerungsebene dämpfungswirksame ohmsche Anteile nachgebildet. Problematisch ist hier vorwie gend die bei Entlastung auftretende Spannungserhöhung am Ausgangskondensator. Um einen dauerhaften Spannungsabfall zu vermeiden, kann der Spannungsabfall auf dynamische Vorgänge begrenzt, d. h. hochpaßbewertet wirksam werden.Another measure for damping resonance processes in the feed circuit 2 is the damping feedback. This measure of damping feedback is always possible regardless of the clock and resonance frequency, provided that a load-dependent voltage drop in the order of magnitude of at least 5 to 10% can be accepted. In the case of damping feedback, ohmic components which have an effect on damping are simulated at the control level. The problem here is predominantly the voltage increase at the output capacitor that occurs when the load is relieved. In order to avoid a permanent voltage drop, the voltage drop can be limited to dynamic processes, ie it can have a high-pass rating.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, wobei mit einfachen Mitteln unmittelbar die Resonanzvorgänge bei einer eingangs beschrie benen Einspeiseschaltung unterbunden werden können.The invention is based on the object of a method and to provide a device, with simple means immediately described the resonance processes in an entry can be prevented.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An spruchs 1 und des Anspruchs 6 gelöst.This object is achieved by the features of the An claim 1 and claim 6 solved.
Durch die Bildung eines gewichteten Steuersignals aus einem Steuersignal der Einspeiseschaltung, wobei dieses Steuersi gnal der Einspeiseschaltung umgekehrt proportional zu einer von zwei Regelgrößen der Einspeiseschaltung gewichtet wird und der Steuerung der Einspeiseschaltung mittels dieses ge wichteten Steuersignals wird bewirkt, daß der gebildete Re sonanzkreis der Einspeiseschaltung aufgetrennt wird. D.h., durch eine externe Zusatzmaßnahme wird das regelungstechnisch wirksame Ersatzschaltbild des Hochsetzstellers nach Fig. 2 derart verändert, daß die geschlossene Resonanzschleife auf getrennt wird. Diese Schleifenauftrennung funktioniert sowohl beim Betrieb mit unterlagerter Stromregelung (bekannte Maß nahme zur Resonanzdämpfung) als auch ohne Regler. Grundsätz lich kann für die Wichtung entweder die Regelgröße Drossel strom iL oder die Regelgröße Ausgangsspannung uaus der Ein speiseschaltung verwendet werden.By forming a weighted control signal from a control signal of the feed circuit, this control signal of the feed circuit is weighted in inverse proportion to one of two control variables of the feed circuit and the control of the feed circuit by means of this weighted control signal causes the formed resonance circuit of the feed circuit to be separated becomes. In other words, the additional circuit diagram of the step-up converter according to FIG. 2, which is effective in terms of control technology, is changed by an external additional measure such that the closed resonance loop is separated. This loop separation works both when operating with a subordinate current control (known measure for resonance damping) and without a controller. Basically, either the control variable choke current i L or the control variable output voltage u from the supply circuit can be used for the weighting.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zur Bildung des gewichteten Steuersignals wird die Regelgröße Ausgangsspannung uaus ver wendet, da diese Regelgröße meist nur eine Polarität aufweist und zudem gemäß der Verwendung der Einspeiseschaltung in der Regel konstant ist.In an advantageous method for forming the weighted control signal, the control variable output voltage u out is used since this control variable usually has only one polarity and is also generally constant in accordance with the use of the feed circuit.
Da diese Schleifenauftrennung grundsätzlich nur für Frequen zen kleiner der Taktfrequenz des Schaltmittels wirksam ist, aber nicht auf den Bereich unterhalb einer Resonanzfrequenz allein begrenzt ist, kann nun durch Erhöhung der Taktfrequenz die Regeldynamik erhöht werden. Somit ist ein stabiles Regel verhalten auch oberhalb der Resonanzfrequenz möglich, wobei weitere Eckfrequenzen des Regelkreises nun die Grenzfrequen zen bilden. Since this loop separation basically only for frequencies zen less the clock frequency of the switching means is effective, but not to the area below a resonance frequency is limited by increasing the clock frequency the control dynamics are increased. So this is a stable rule behavior also possible above the resonance frequency, whereby further corner frequencies of the control loop are now the limit frequencies form zen.
Schaltungstechnische Ausführungsformen einer zusätzlichen Modulationseinrichtung zur Erzeugung des gewichteten Steuer signals sind den Unteransprüchen 7 und 8 zu entnehmen.Circuit-related embodiments of an additional Modulation device for generating the weighted tax signals can be found in subclaims 7 and 8.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel nach der Erfin dung schematisch veranschaulicht ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing Reference in which an embodiment according to the inven is schematically illustrated.
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens bei einer Einspeiseschaltung mit übergeordneter Regelung gemäß Fig. 2. Fig. 3 shows an apparatus for carrying out the OF INVENTION to the invention method at a feed circuit with a master control according to FIG. 2.
Die Fig. 3 zeigt das regelungstechnische Blockschaltbild der Einspeiseschaltung 2 mit zugehöriger übergeordneter Regelung 14 nach Fig. 2, wobei eine Modulationseinrichtung 30 zusätz lich vorgesehen ist. Diese Modulationseinrichtung 30 ist einerseits mit dem Ausgang der übergeordneten Regelung 14 und andererseits mit einer der beiden Regelgrößen der Einspeise schaltung 2 verbunden. Um dies zu verdeutlichen ist die Re gelgröße Ausgangsspannung uaus mit einer durchgezogenen Si gnalleitung und die Regelgröße Drosselstrom iL mit einer unterbrochenen Signalleitung dargestellt. Der Ausgang der Modulationseinrichtung 30 ist mit dem Steuereingang 28 der Einspeiseschaltung 2 verbunden. FIG. 3 shows the control block diagram of the feed circuit 2 with the associated higher-level control 14 according to FIG. 2, a modulation device 30 being additionally provided. This modulation device 30 is connected on the one hand to the output of the higher-level control 14 and on the other hand to one of the two control variables of the feed circuit 2 . To clarify this, the control variable output voltage u out is shown with a solid signal line and the controlled variable inductor current i L with an interrupted signal line. The output of the modulation device 30 is connected to the control input 28 of the feed circuit 2 .
Als Modulationseinrichtung 30 kann im einfachsten Fall ein Quotientenbildner vorgesehen sein, an dessen erstem Eingang das Steuersignal uSt der übergeordneten Regelung 14 und an dessen zweitem Eingang die Regelgröße Ausgangsspannung uaus oder die Regelgröße Drosselstrom iL anstehen. Mittels dieses Quotientenbildners wird aus dem Steuersignal uSt der Einspei seschaltung ein gewichtetes Steuersignal u′St erzeugt, in dem das Steuersignal uSt durch die Ausgangsspannung uaus oder durch den Drosselstrom iL dividiert wird. Dadurch ist das Steuersignal uSt der Regelung 14 umgekehrt proportional zu einer der beiden Regelgrößen uaus und iL der Einspeiseschal tung 2 gewichtet worden. In the simplest case, a quotient generator can be provided as the modulation device 30 , at the first input of which the control signal u St of the higher-level control 14 and at the second input of the control variable output voltage u off or the control variable choke current i L are present. By means of this quotient former, a weighted control signal u 'St is generated from the control signal u St of Einspei seschaltung, in which the control signal u St by the output voltage u from or is divided by the inductor current i L. Thus, the control signal u St of the scheme 14 is inversely proportional to one of the two control variables u and i L of Einspeiseschal tung been weighted. 2
Außerdem kann als Modulationseinrichtung 30 ein Reziprokbild ner mit nachgeschaltetem Multiplizierer vorgesehen sein. Am Eingang des Reziprokbildners steht entweder die Regelgröße Ausgangsspannung uaus oder die Regelgröße Drosselstrom iL an. Der reziproke Wert dieser Größe uaus oder iL wird einem er sten Eingang des nachgeschalteten Multiplizierers zugeführt, wobei am zweiten Eingang dieses Multiplizierers das Steuer signal uSt der Regelung 14 ansteht. Mittels dieser Ausführung der Modulationseinrichtung 30 wird eine Division in eine Multiplikation umgewandelt, die schaltungstechnisch einfacher zu bewerkstelligen ist.In addition, a reciprocal image ner with a downstream multiplier can be provided as the modulation device 30 . At the input of the reciprocator, either the control variable output voltage u is pending or the control variable choke current i L is present . The reciprocal value of this quantity u out or i L is fed to a first input of the downstream multiplier, the control signal u St of the control 14 being present at the second input of this multiplier. By means of this embodiment of the modulation device 30 , a division is converted into a multiplication which is easier to accomplish in terms of circuitry.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Modula tionseinrichtung 30 ist diese Bestandteil einer nicht näher dargestellten Steuereinrichtung der Einspeiseschaltung 2, die aus dem Steuersignal uSt die Schaltsignale für das Schaltmit tel 8 generiert. Bei einer Steuereinrichtung wird ein hoch frequentes Abtastsignal (dreieck- oder rampenförmig) mit dem Sollsignal der mittleren Schalterspannung uS(t) verglichen, z. B. einem Sinussignal, wobei die Steuerspannung uSt deren Amplitude verändert. Damit das Steuersignal uSt umgekehrt proportional zu einer der beiden Regelgrößen uaus oder iL der Einspeiseschaltung 2 gewichtet wird, wirkt eine der beiden Regelgrößen uaus oder iL proportional auf die Amplitude des Abtastsignals ein. Durch diese Ausgestaltung ist die Modu lationseinrichtung 30 integraler Bestandteil der Steuerein richtung der Einspeiseschaltung 2.In a particularly advantageous embodiment of the modulation device 30 , this is part of a control device, not shown, of the feed circuit 2 , which generates the switching signals for the switching agent 8 from the control signal u St. In a control device, a highly frequented scanning signal (triangular or ramp-shaped) is compared with the target signal of the mean switch voltage u S (t), e.g. B. a sinusoidal signal, the control voltage u St changes its amplitude. So that the control signal u St is weighted inversely proportional to one of the two control variables u out or i L of the feed circuit 2 , one of the two control variables u out or i L has a proportional effect on the amplitude of the scanning signal. With this configuration, the modulation device 30 is an integral part of the control device of the feed circuit 2 .
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