DE4423776C2

DE4423776C2 - Vibration suppression method for drive controls

Info

Publication number: DE4423776C2
Application number: DE4423776A
Authority: DE
Inventors: Mathias Hoerstmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-29
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2014-07-01
Also published as: DE4423776A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei Antriebsregelungen stellt die mechanische Anordnung, bestehend aus An triebsmaschinen und elastisch angekoppelten Lasten, ein schwingfähiges Zwei- oder Mehrmassensystem dar. Wird bei der Berechnung des Regelkreises eine starre mechanische Kopplung vorausgesetzt, so können besondere Vorkeh rungen notwendig werden um zu verhindern, daß das mechanische System zu Schwingungen angeregt wird.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1. In the case of drive controls, the mechanical arrangement, consisting of An driving machines and elastically coupled loads, an oscillating Two- or multi-mass system. Is used in the calculation of the control loop Assuming a rigid mechanical coupling, special precautions to become necessary to prevent the mechanical system from closing Vibrations is excited.

Ein Verfahren zur Kompensation von Schwingungen mit schwacher Dämpfung, das an das bekannte POSICAST-Prinzip angelehnt ist, wurde bereits in der Pa tentschrift DE 35 03 875 C2 angegeben. Bei diesem Verfahren wird das Aus gangssignal des Reglers in zwei oder mehrere Signale aufgespalten, wobei das erste Signal direkt, und das zweite und evtl. weitere Signale zeitver zögert in Abhängigkeit von der Resonanzfrequenz auf die Regelstrecke aufge schaltet werden. Durch das verzögerte Aufschalten eines Teils des Regler- Ausgangssignals kann jedoch, je nach Dauer der Verzögerungszeit und je nach Größe des verzögert aufgeschalteten Signalanteils, eine Beeinträchtigung des Regelverhaltens des gesamten Regelkreises hervorgerufen werden.A method of compensating for vibrations with weak damping, the based on the well-known POSICAST principle, was already mentioned in Pa tent specification DE 35 03 875 C2 specified. With this procedure, the end output signal of the controller split into two or more signals, wherein the first signal directly, and the second and possibly further signals delayed hesitates depending on the resonance frequency on the controlled system be switched. Due to the delayed activation of part of the controller Output signal can, however, depending on the duration of the delay time and depending on Size of the delayed signal component, an impairment of the control behavior of the entire control loop.

Aus R. Schönfeld, Digitale Regelung elektrischer Antriebe, Verlag Technik, Berlin, 1990, S. 203-210 ist ein anderes in der Antriebstechnik häufig angewendetes Verfahren zur Kompensation von Schwingungen bekannt, nämlich die Drehzahldifferenzaufschaltung auf den Stromregelkreis. Bei diesem Verfahren wird ein Zusatzmoment auf den Antrieb aufgeschaltet, das der Drehzahldifferenz zwischen der Last und dem Antrieb proportional ist. Das Verfahren ist jedoch nur dann wirksam, wenn die Zeitkonstante des Strom regelkreises klein gegenüber der Zeitkonstante des mechanischen Systems ist. Des weiteren führt das Verfahren zu einer Verschlechterung des Störverhaltens, da bei einem Laststoß mit Drehzahlabfall an der Last das aufgeschaltete Zusatzmoment stets so gerichtet ist, daß es dem Regelvorgang entgegenwirkt.From R. Schönfeld, digital control of electric drives, Verlag Technik, Berlin, 1990, pp. 203-210, another one is common in drive technology applied method for compensating vibrations is known, namely the speed difference connection to the current control loop. With this An additional torque is applied to the drive by the process Speed difference between the load and the drive is proportional. The However, the method is only effective if the time constant of the current control loop small compared to the time constant of the mechanical system is. Furthermore, the method leads to a deterioration in the Interference behavior, because in the event of a load surge with a drop in speed at the load additional torque is always directed so that it is the control process counteracts.

Ein weiteres, ebenfalls aus R. Schönfeld, Digitale Regelung elektrischer Antriebe, Verlag Technik, Berlin, 1990, S. 210-220 bekanntes Verfahren zur Regelung von Systemen mit konzentrierten Parametern, wie es eine Antriebsregelstrecke darstellt, ist die Zustandsregelung. Bei diesem Verfahren wird nicht eine einzelne Regelgröße geregelt, sondern der mittels Zustandsvektor dargestellte Gesamtzustand der Bewegung. Dadurch läßt sich eine gegenüber herkömmlichen Kaskadenregelungen deutlich verbesserte Regeldynamik erzielen. Aufgrund des erhöhten meßtechnischen Aufwands und des komplizierten Entwurfsverfahrens, das eine genaue Kenntnis der Regelstrecke erfordert, lohnt sich der Einsatz einer Zustandsregelung bei antriebstechnischen Anwendungen häufig jedoch nicht.Another, also from R. Schönfeld, digital electrical control Antriebe, Verlag Technik, Berlin, 1990, pp. 210-220 known method for Control of systems with concentrated parameters, such as one Is the state control. With this The process is not regulated by a single controlled variable, but by means of State vector of the overall state of the movement. This allows a significantly improved compared to conventional cascade regulations Achieve control dynamics. Due to the increased metrological effort and the complicated design process, which requires a precise knowledge of the Controlled system requires, the use of a state control is worthwhile drive technology applications often not.

Aus der Schrift JP 4-15715 (A) der Patent Abstracts of Japan, Sekt. P, Vol. 16, Nr. 171 (1992) ist bereits ein Verfahren bekannt, bei dem die Ge schwindigkeitsregelung eines Zweimassensystems durch die Erfassung der Geschwindigkeiten beider Teilmassen realisiert wird. Bei diesem System wurde die klassische Kaskadenregelung mit Drehzahlregler ersetzt durch ein Regelsystem, bei dem ähnlich wie bei den oben erwähnten Zustandsregelkrei sen die Energiezustände aller Energiespeicher erfaßt werden und durch ein Vorfilter die stationäre Regelgenauigkeit erreicht wird. Wie bei den Zustandsregelungen ist auch hier ein Regelkreisentwurf mit den klassischen Methoden der Regelungstechnik nicht möglich.From JP 4-15715 (A) of Patent Abstracts of Japan, Sekt. P, Vol. 16, No. 171 (1992) a method is already known in which the Ge speed control of a dual mass system by recording the Speeds of both partial masses is realized. With this system the classic cascade control with speed controller was replaced by a Control system, similar to the state control loops mentioned above sen the energy states of all energy stores are detected and by a Prefilter the stationary control accuracy is achieved. Like the Condition control is also a control loop design with the classic ones Control engineering methods not possible.

Im Patent WO 93/12477 A1 ist ein Verfahren zur Geschwindigkeitsregelung ei nes Mehrmotorenantriebes beschrieben, bei dem zur Istwerterfassung die Geschwindigkeiten aller Motoren erfaßt und gemittelt werden. Diese Mittel wertbildung bezieht sich jedoch nur auf die Motorgeschwindigkeiten, während die Last als weitere Teilmasse des Systems nicht einbezogen wird. Die Schwingungsdämpfung wird bei diesem Verfahren dadurch erzielt, daß mittels einer Beobachterschaltung das zwischen Antriebsmaschine und Last auftre tende Antriebsmoment ermittelt und bei einem Laststoß absenkend auf die Ge schwindigkeitsregelung aufgeschaltet wird. Dieses Verfahren ist vor allem für mechanische Anordnungen mit sehr niedrigen Eigenfrequenzen geeignet, bei denen die Kraftübertragung nicht zu stark beansprucht werden darf. Bei hochdynamischen Antrieben hingegen ist eine nachteilige Wirkung auf das Störverhalten zu erwarten.Patent WO 93/12477 A1 describes a method for speed control Nes multi-motor drive described in which for actual value acquisition Speeds of all motors are recorded and averaged. This means however, value formation only refers to engine speeds during the load is not included as a further part of the system. The Vibration damping is achieved in this method in that an observer circuit that occurs between the engine and the load The driving torque is determined and lowered to the Ge in the event of a load surge speed control is activated. This procedure is first of all suitable for mechanical arrangements with very low natural frequencies, where the power transmission must not be stressed too much. At highly dynamic drives, however, is an adverse effect on the Disturbance behavior to be expected.

Die Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren zur Schwingungsunterdrückung bei Antriebsregelungen anzugeben, bei dem das Regelverhalten nicht beein trächtigt wird und die Reglerparameter nicht verändert werden müssen. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.The task therefore consists of a method for suppressing vibrations to specify for drive controls where the control behavior does not affect is pregnant and the controller parameters do not have to be changed. This object is achieved with a method according to claim 1.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung und an einem Ausführungsbeispiel erläutert.The invention is based on a drawing and on a Exemplary embodiment explained.

In der Zeichnung zeigen: The drawing shows:

Fig. 1 ein allgemeines Strukturbild eines Regelsystems, bei dem die Anregung von Schwingungen durch ein Verfahren nach der Erfindung unterdrückt wird, Fig. 1 is a general structure of a control system in which the excitation of vibrations is suppressed by a method according to the invention,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an einer nach dem Stromleitverfahren drehzahlgeregelten Gleichstrommaschine mit elastisch gekoppelter Last. Fig. 2 shows an embodiment of the invention on a speed-controlled DC machine with an elastically coupled load according to the current conduction method.

Beim in Fig. 1 dargestellten Strukturbild wird der Sollwert w dem Regelkreis in analoger oder digitaler Form zugeführt. An der Summierungsstelle s₁ erfolgt der Soll-Istwertvergleich. Die Differenz zwischen dem Sollwert w und dem gemittelten Istwert x wird dem Regler R zugeführt. Das Ausgangssignal y des Reglers wird auf die Regelstrecke S aufgeschaltet, die evtl. einen unterlagerten Stromregelkreis besitzt. Die Regelstrecke beinhaltet ein Zwei- oder Mehrmassensystem, bestehend aus n Antriebs- und Belastungsmaschinen, die elastisch und evtl. über eine Lose aneinander gekoppelt sind. Die Drehzahl- oder Geschwindigkeitsistwerte der einzelnen Massen x₁, x₂, . . ., x_n werden erfaßt und mit Hilfe der Verstär kungsglieder k_x1, k_x2, . . ., k_xn mit einer Wichtung versehen, die den Mas senverhältnissen entspricht.In the structure diagram shown in FIG. 1, the setpoint value w is fed to the control loop in analog or digital form. The setpoint / actual value comparison takes place at the summation point s ₁ . The difference between the setpoint w and the averaged actual value x is fed to the controller R. The output signal y of the controller is applied to the controlled system S, which may have a subordinate current control loop. The controlled system includes a two- or multi-mass system, consisting of n drive and loading machines, which are elastic and possibly linked to each other via a slack. The actual speed or speed values of the individual masses x ₁ , x ₂ ,. . ., x _n are detected and with the aid of the amplification elements k _x1 , k _x2 ,. . ., k _xn with a weighting that corresponds to the mass ratios.

Die gewichteten Istwerte werden an der Summierungsstelle s₂ zu einem Mit telwert x aufsummiert. Der so erfaßte Mittelwert entspricht stets dem Impuls des gesamten Systems, unabhängig davon welche Schwingungen die Teilmassen gegeneinander ausführen. Es läßt sich theoretisch nachweisen, daß die Übertragungsfunktion dieses Systems x/y (ohne Stromregelkreis) der eines Integriergliedes entspricht, wie es bei den Berechnungen im allgemei nen zugrundegelegt wird.The weighted actual values are summed up to a mean value x at the summation point s ₂ . The mean value recorded in this way always corresponds to the impulse of the entire system, regardless of which vibrations the partial masses perform against each other. It can be demonstrated theoretically that the transfer function of this system x / y (without current control loop) corresponds to that of an integrating element, as is generally used in the calculations.

Zur Veranschaulichung ist in Fig. 2 ein Prinzipschaltplan für ein Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Antriebseinheit, bestehend aus einer Gleichstromsmaschine M und einer Last L, die über eine elastische Welle gekoppelt sind. Die Drehzahlregelung erfolgt nach dem Stromleitverfahren (innerer geschlossener Stromregelkreis mit überlagerter Drehzahlregelung). Der Drehzahlistwert wird an der An triebsmaschine und an der Last mittels Tachogeneratoren erfaßt. Die Wich tung der Istwerte erfolgt nach der Vorschrift
For illustration, a basic circuit diagram for an exemplary embodiment of the invention is shown in FIG. 2. It is a drive unit consisting of a DC machine M and a load L, which are coupled via an elastic shaft. The speed control is based on the current control method (inner closed current control circuit with superimposed speed control). The actual speed value is recorded on the drive machine and on the load by means of tachogenerators. The actual values are weighted according to the regulation

J_i: Trägheitsmoment einer Teilmasse
J_ges: Trägheitsmoment des gesamten Systems
k_i: Verstärkungsfaktoren für die einzelnen Istwerte.J _i : moment of inertia of a partial mass
J _tot : moment of inertia of the entire system
k _i : Gain factors for the individual actual values.

Die gewichteten Drehzahlanteile werden aufsummiert und der daraus resultie rende Mittelwert dem Istwerteingang des Drehzahlreglers zugeführt.The weighted speed components are added up and the resulting result The mean value is fed to the actual value input of the speed controller.

Die Mittelwertbildung der Drehzahlistwerte kann bei Erfassung mittels Ta chogeneratoren auf einfache Weise durch geeignetes zusammenschalten der Tachogeneratoren erfolgen, entweder in Parallelschaltung oder in Reihen schaltung. Bei Parallelschaltung der Tachogeneratoren ist Voraussetzung, daß die proportionalen Spannungswerte der Tachogeneratoren gleich groß sind. Die Wichtung erfolgt dann durch eine entsprechende Wahl der Innenwi derstände der Tachogeneratoren.The averaging of the actual speed values can be carried out using Ta Chogenerators in a simple way by suitable interconnection of the Tachogenerators are made either in parallel or in series circuit. If the tachometer generators are connected in parallel, that the proportional voltage values of the tachogenerators are the same are. The weighting is then carried out by an appropriate choice of the inner wi the status of the tachometer generators.

Bei Reihenschaltung der Tachogeneratoren müssen die Spannungsverhältnisse der Tachogeneratoren den Massenverhältnissen entsprechen.When the tachometer generators are connected in series, the voltage conditions must be met the tachometer generators correspond to the mass ratios.

Claims

Method for suppressing vibrations in drive controls with a speed or speed controller, the controlled system containing an oscillatable dual or multi-mass system, the control parameters being constant and the control variables being the speeds or speeds (x ₁ , x ₂ ... X _k ) of the partial masses are recorded individually and multiplied by an analog or digital circuit with a weighting factor (k ₁ , k ₂ ... k _n ) and the weighted speeds or velocities are added to an average value (x) which corresponds to the angular momentum of the Overall system corresponds and which is fed to the actual value input of the speed or speed controller.