DE69929954T2

DE69929954T2 - Verfahren und Vorrichtung zur adaptiven Lastwechsel-Kompensation

Info

Publication number: DE69929954T2
Application number: DE69929954T
Authority: DE
Inventors: Heikki Rasimus
Original assignee: ABB Oy
Current assignee: ABB Oy
Priority date: 1998-05-20
Filing date: 1999-05-05
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2019-05-06
Also published as: EP0958898B1; EP0958898A2; ES2259230T3; DE69929954D1; FI981131A0; FI981131A; ATE318463T1; FI112734B; US6316893B1; EP0958898A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur adaptiven Kompensation von Lastschwankungen, das in Verbindung mit einem elektrischen Motorantrieb verwendet wird, der einen Motor aufweist, wobei die Welle des Motors mit einer Last verbunden ist, die ein bekanntes Trägheitsmoment aufweist; eine Vorrichtung wie z.B. einen Wechselrichter zum Regeln des Motors, wobei eine Drehmomentregelung mit der Vorrichtung in Verbindung steht; und eine Drehzahlregelung zur Regelung der Motordrehzahl.
Die bekannten elektrischen Motorantriebe erlauben die Regelung einer Last mit großer Präzision. Zum Beispiel kann die auf die Welle des Motors einwirkende Winkelgeschwindigkeit oder das Drehmoment so sein, dass der gewünschte Wert recht genau beibehalten wird. Insbesondere bei drehzahlgeregelten Gruppen, die mit mehreren Motoren ausgestattet sind, die auf die eine oder andere Art miteinander verbunden sind, ist es äußerst wichtig, die Winkelgeschwindigkeit jedes Motors der Gruppe streng geregelt zu halten. Eine derartige drehzahlgeregelte Gruppe kann beispielsweise eine Zylindergruppe einer Papiermaschine sein. Die Drehzahl der rotierenden Walzen der Zylindergruppe sollte so geregelt sein, dass die Geschwindigkeit der zwischen den Walzen verlaufenden Papierbahn bei jeder Rolle gleich bleibt.
Wenn eine drehzahlgeregelte Gruppe einer Lastschwankung unterliegt, ändert sich die Drehzahl der rotierenden Walzen von ihrem eingestellten Wert, wobei in diesem Fall die Drehzahlregelung des Motorantriebs reagiert und letztendlich die Drehzahl korrigiert, indem sie auf den eingestellten Wert zurückgestellt wird. Im Zusammenhang mit Papiermaschinen werden Lastschwankungen, welche die Bahngeschwindigkeit beeinflussen, zum Beispiel durch Abstreichmesser von gegen die Walzen drückenden Zylindern, durch Messer von Beschichtungsstationen, die gegen Stützwalzen drücken und durch verschiedene abschließende Nips, d.h. Walzen, die gegeneinander gedrückt werden, hervorgerufen. Wenn die Last eines Motorantriebs zunimmt, zum Beispiel wenn ein Abstreichmesser gegen eine Walze gedrückt wird, nimmt die Drehzahl des Antriebs ab. In der umgekehrten Situation, anders gesagt: wenn sich zum Beispiel das Abstreichmesser von der Walzenoberfläche entfernt, nimmt die Drehzahl des Antriebs zu. Im Zusammenhang mit Papiermaschinen, wenn die Papierbahn zwischen den Walzen läuft, beeinflussen abrupte unkompensierte Schwankungen der Drehzahl auch die Spannung der Papierbahn in der Maschinenrichtung.
Frühere bekannte Versuche, vorhersehbare Lastschwankungen zu kompensieren, verwenden ein Verfahren, bei dem ein experimentell bestimmter Zusatzbefehl zu den Drehzahlbefehlen eines elektrischen Motorantriebs in einem geeigneten Moment hinzugefügt wird. Ein derartiges Verfahren zum Kompensieren von Lastschwankungen ist jedoch ziemlich uneffizient, da es schwierig ist, einen geeigneten zusätzlichen Drehzahlbefehl zu bestimmen. Ferner variieren Lastschwankungen in Größe und Zeit des Auftretens aufgrund mechanischer Abnutzung und Schwankungsverzögerungen.
Das Dokument EP 0 805 383 offenbart ein alternatives Verfahren zum Kompensieren von Störlasten unter Verwendung eines lernfähigen Kompensators. Daten werden als eine Funktion der Winkelposition gespeichert und es wird in diesem Dokument keine Schätzung für die Störlast bestimmt.
Das Dokument EP 0 680 138 12 offenbart eine Vorrichtung zum Regeln der Motordrehzahl. Bei diesem Regelungssystem wird die Stördrehzahl berücksichtigt, indem ein in das Regelungssystem eingebauter Observer verwendet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die vorstehend beschriebenen Nachteile vermieden werden und ein Kompensieren von Lastschwankungen auf zuverlässigere Weise ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, wobei das Verfahren durch das, was im selbständigen Anspruch 1 genannt ist, gekennzeichnet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf dem Gedanken, dass es während einer Lastschwankung möglich ist, eine Drehzahlkompensation zu bestimmen, die zusammen mit der nächsten Lastschwankung verwendet werden kann, um eine entsprechende Drehzahlstörung kompensieren zu können. Die Vorteile der Erfindung sind eine schnelle und zuverlässige Anpassung an vorhersehbare Lastschwankungen sowie die durch das Verfahren geschaffene zuverlässige Kompensation von Lastschwankungen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum adaptiven Kompensieren von Lastschwankungen, wie sie im selbständigen Anspruch 7 beansprucht ist.
Durch eine derartige Anordnung können die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer einfachen und zuverlässigen Konstruktion erreicht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun genauer in Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben, wobei
1 ein Blockdiagramm ist, das eine drehzahlgeregelte Gruppe der Erfindung zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das Blockdiagramm von 1 zeigt schematisch eine Lösung der Regelungstechnik des erfindungsgemäßen Verfahrens. Erfindungsgemäß weist ein elektrischer Motorantrieb einen regelbaren Motor auf, der z.B. eine Walze 3 als seine Last an der Welle hat. Die Drehgeschwindigkeit der Walze muss ungeachtet von Lastschwankungen so genau wie möglich geregelt werden. Der Antrieb weist ferner eine Drehzahlregelung 1 und eine Kombination 2 aus einer Drehmomentregelung und einer Stromversorgungseinrichtung auf. Die Einrichtung kann zum Beispiel ein Wechselrichter mit leicht regelbaren dynamischen Eigenschaften sein, wodurch eine schnelle Durchführung des Drehmomentbefehls durch die Drehmomentregelung möglich ist. Der Motorantrieb führt ferner die Bestimmung einer Winkelgeschwindigkeit ω der Walze durch. In der Zeichnung wird die Winkelgeschwindigkeit in eine Bahngeschwindigkeit v umgewandelt, indem die Winkelgeschwindigkeit mit einem Radius r der Walze multipliziert wird. Die Bahngeschwindigkeit v wird zu einer Addiereinheit 4 zurückgeführt, die einen Differenzwert v_e eines Befehlswertes v_o und der tatsächlichen Bahngeschwindigkeit v bildet, indem der tatsächliche Wert vom Befehlswert subtrahiert wird. Der Geschwindigkeits-Differenzwert v_e wird mit dem Eingang der Drehzahlregelung 1 verbunden, wodurch die Regelung darauf abzielt, den Differenzwert zu beseitigen und somit die Bahngeschwindigkeit der Befehlsgeschwindigkeit gleich zu machen.
1 zeigt ferner, wie eine Drehmomentstörung M_h mit einer Addiereinheit 5 verbunden wird. Ein Drehmoment M_mot, das auf die Welle des Motors einwirkt, wird mit dem anderen Eingang der Addiereinheit 5 verbunden. In einem realen System beeinflusst die Drehmomentstörung den Motor direkt über die Last, wodurch ein sich ergebendes Drehmoment reduziert wird. Vom Standpunkt der Regelungstechnik aus kann die Drehmomentstörung jedoch wie vorstehend beschrieben addiert werden, wobei in diesem Fall der Ausgang der Addiereinheit 5 das sich ergebende Drehmoment ist. Die in der Zeichnung dargestellte Kombination 3 aus Motor und Walze wird als eine Übertragungsfunktion
ausgedrückt, wobei r der Radius der Walze und J das kombinierte Trägheitsmoment der Walze und des Motors ist. Der Bediener s ist ein Integrationsoperator in Bezug auf die Übertragungsfunktion, wodurch der Eingang der Kombination 3 aus dem Motor und der Walze das Drehmoment ist, eine Bahngeschwindigkeit v wird als Ausgang erzielt.
Erfindungsgemäß weist die Anordnung einen Kompensator 6 auf, der eine geschätzte Drehmomentstörung und, mittels der Drehmomentkompensation des vorangegangenen Zyklus, die Größe einer neuen Drehmomentkompensation bestimmt. Hier bezieht sich 'Zyklus' auf den Prozess, der die Drehmomentstörung für die Kompensation, für welche die Drehmomentkompensation verwendet wird, bewirkt. Beispielsweise ist ein Abstreichmesser, das gegen eine Walze drückt, ein Zyklus. Die Bahngeschwindigkeit v dient als Eingang des Kompensators 6, und als ein Initialwert sollte eine Abschätzung des kombinierten Trägheitsmoments J der Last und des Motors bekannt sein. Der Ausgang des Kompensators 6 ist mit dem Eingang einer Addiereinheit 7 verbunden. Der Ausgang der Drehzahlregelung 1 ist mit dem anderen Eingang der Addiereinheit 7 verbunden, wobei in diesem Fall ein Drehmomentsbefehl M_o, der mit dem Eingang der Drehmomentregelung zu verbinden ist, vom Ausgang der Addiereinheit empfangen wird.
Die Anpassung der Anordnung beginnt, wenn eine Information empfangen wird, dass eine transiente Phase im Begriff ist zu beginnen. Derartige Informationen können vom Zentralrechner empfangen werden, der das einen Lastwechsel bewirkende Ereignis steuert. Die Information an einem Anfang einer transienten Phase, d.h. einem Zyklus, wird gewöhnlich weit vor dem tatsächlichen Lastwechsel empfangen. Nach Empfang eines Signals, das anzeigt, dass gleich ein Zyklus beginnen wird, beginnt der Kompensator mit dem Kompensieren, indem er eine Drehmomentkompensation M_k von der geschätzten Drehmomentstörung, die während des vorangegangenen Zyklus bestimmt worden ist, einem Ausgangssignal M_v der Drehzahlregelung hinzufügt, wodurch der Drehmomentsbefehl M_o der Drehmomentsregelung 2 bereitgestellt wird. Die Drehmomentkompensation M_k ist eine Zahlenfolge, die in regelmäßigen Intervallen bestimmt und im Speicher des Kompensators gespeichert wird, von dem aus die Drehmomentkompensation M_k zum Ausgang M_v der Drehzahlregelung in den gleichen Intervallen hinzugefügt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung realisiert der Kompensator die Gleichung M_k(k + 1) = aM_k(k) + (1 – a)M_h(k), wobei in diesem Fall die Kompensati on (k + 1), die während des nachfolgenden Zyklus verwendet wird, aus der Kompensation berechnet wird, die während des Zyklus (k) und der geschätzten Drehmomentstörung verwendet worden ist. Der Adaptionskoeffizient a in der Gleichung steuert die Geschwindigkeit der Adaption. Wenn der Wert von a niedrig ist, ist die Historie des Werts für die Berechnung wesentlich uninteressanter als die Abschätzung der Drehmomentstörung. Folglich passt sich der Kompensator schneller an eine möglicherweise geänderte Situation an. Im entgegengesetzten Fall, wenn der Wert von a hoch ist, erfolgt die Adaption langsam. Der Faktor a kann Werte zwischen 0 und 1 erhalten. Vorangegangene geschätzte Drehmomentstörungen, die in einer gewünschten Weise gewichtet sind, werden somit als Drehmomentkompensation verwendet.
Da die Kompensation bestimmt wird, indem die Drehmomentstörung als eine Funktion von Zeit geschätzt wird, passt sich das Verfahren an eine willkürlich geformte Drehmomentstörung an. Wie in 1 gezeigt, kann eine Abschätzung M_h = M_mot – J dv/r dt für die Drehmomentstörung bereitgestellt werden, wobei von dieser Abschätzung die Drehmomentstörung auf einfache Weise abgeschätzt werden kann. In der Gleichung ist M_mot die Größe eines Momentandrehmoments, das auf die Welle des Motors einwirkt und von der Stromversorgung empfangen wird. Diese Information wird direkt von der Stromversorgung empfangen; folglich erhält die Größe der Drehmomentstörung einen zuverlässigen Wert. Wenn der Adaptionskoeffizient bei der Bestimmung der Drehmomentkompensation auf 0 gesetzt ist, verwendet der Kompensator nur die Abschätzung des Drehmoments, die während des vorangegangenen Zyklus als Drehmomentkompensation bestimmt worden ist.
Ferner muss die Drehmomentkompensation von einem Zyklus zum anderen nicht notwendiger Weise die gleiche sein, sondern kann variieren. Wenn die Schwankungen klein genug sind, ist der Kompensator in der Lage, sich an die Situation während des Wechsels anzupassen und es können keine großen Fluktuationen im Drehzahlverhalten entdeckt werden. Wenn sich der Betrieb des Systems zwischen zwei Zyklen drastisch ändert, benötigt der Kompensator für die Adaption einige Zyklen; dies trifft auch zu, wenn keine Werthistorie in einer Eingangssituation gegeben ist.
In der transienten Phase kann sich die Störung willkürlich ändern. Die zur Verfügung stehende Speicherkapazität schränkt die Länge der transienten Phase ein, da die als eine Funktion der Zeit in regelmäßigen Intervallen berechnete Abschätzung für den nächsten Zyklus im Speicher gespeichert werden muss.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform gibt es eine Warteperiode von vorbestimmter Länge sobald das Steuersignal empfangen worden ist, das den Beginn der transienten Phase anzeigt, bevor die während der transienten Phase durchzuführenden Schritte begonnen werden. Das Steuersignal wird gewöhnlich empfangen, lange bevor der tatsächliche Lastwechsel erfolgt. Um Geld sparen zu können, sollte folglich vorzugsweise auf eine vorab bestimmte, einstellbare Periode gewartet werden, ehe mit dem Start der Adaptionsphase begonnen wird.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt eine Tiefpass-Filterung der Winkelgeschwindigkeit der Last, bevor die externe Drehmomentstörung berechnet wird. Das Filtern des Signals der Winkelgeschwindigkeit ist vorzuziehen, da während der Berechnung der externen Drehmomentstörung eine Ableitung des Signals der Winkelgeschwindigkeit durchgeführt wird, wobei dieser Vorgang abrupte Schwankungen verstärkt.
Ferner erfolgt, gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, eine Tiefpass-Filterung des Ausgangsdrehmoments der den Motor regelnden Vorrichtung, bevor die Abschätzung der externen Drehmomentstörung berechnet wird, wodurch sich die Abschätzung des Drehmoments auf moderate Weise ändern lässt.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Wert (Mk(k + n)) der Drehmomentkompensation, die sich auf einen vorab bestimmten nächsten Moment bezieht, als Drehmomentkompensation verwendet. Die geringe Verzögerung, die als ein Ergebnis der Tiefpass-Filterung der Winkelgeschwindigkeit und des Drehmoments erzeugt worden ist, kann somit kompensiert werden, indem die Drehmomentkompensation einen geringen Zeitvorsprung erhält.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein neuer Wert für den Adaptionskoeffizienten a bestimmt. Vorzugsweise sollte der Wert des Adaptionskoeffizienten neu bestimmt werden, wenn Schwankungen in Größe und Timing der Drehmomentstörung erwartet werden können. Wenn der Kompensator an eine momentane Drehmomentstörung genau angepasst ist, kann die Anwendung der Werthistorie somit reduziert werden, indem der Wert des Koeffizienten gesenkt wird, und es kann ein vorab bestimmter Wert der Drehmomentstörung als Kompensation verwendet werden.
Es ist dem Fachmann klar, dass die der Erfindung zugrunde liegende Idee auf viele Arten durchgeführt werden kann. Folglich sind die Erfindung und ihre Ausführungsformen nicht auf die vorstehend genannten Beispiele beschränkt, sondern können im Rahmen der Ansprüche variieren.

Claims

Verfahren zum adaptiven Kompensieren von Lastschwankungen, die während einer transienten Phase auftreten zur Verwendung mit einem elektrischen Motorantrieb, der einen Motor aufweist, wobei die Welle des Motors mit einer Last (3) verbunden ist, die ein bekanntes Trägheitsmoment aufweist; eine Vorrichtung (2), so wie einen Inverter, um den Motor zu steuern, sowie eine Drehmomentsteuerung, die mit der Einrichtung in Verbindung steht; und eine Geschwindigkeitssteuerung (1), die mit der Einrichtung (2) in Verbindung steht, um die Motorgeschwindigkeit zu steuern, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte aufweist: Durchführen, während eines Lastwechsels, als Funktion der Zeit zu regelmäßigen Abständen, einer Schätzung (M_h) einer externen Drehmomentstörung, die den Lastwechsel verursacht, und zwar durch Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit ω der Last und Berechnen der Abschätzung der externen Störung als Differenz des Ausgangsdrehmomentes (M_mot) der Einrichtung (2), die den Motor steuert, und des Gegendrehmomentes der Last mittels der Gleichung M_h= M_mot –Jdω/dt, wobei J das kombinierte Trägheitsmoment der Last und des Motors sind, und ω die Winkelgeschwindigkeit der Last ist, Abspeichern der Abschätzung für die externe Drehmomentstörung in dem Speicher eines Kompensators als eine Folge von Zahlen, die als Funktion der Zeit zu regelmäßigen Intervallen bestimmt worden sind, Empfangen einer Information bezüglich des Beginns einer neuen transienten Phase, Bilden einer Drehmomentkompensation (M_k) mit der Abschätzung der Drehmomentstörung (M_h), die während der vorangegangenen transienten Phase bestimmt worden ist, und Hinzufügen der Drehmomentkompensation zum Eingangsignal der Drehmomentsteuerung zur Kompensation der externen Drehmomentstörung beim Start der transienten Phase.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentkompensation (M_k) aufgrund von zwei oder mehr Abschätzungen von Drehmomentstörungen erfolgt, die während vorangegangener Lastwechsel bestimmt worden sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentkompensation M_k (k + 1) während eines anschließenden Lastwechsels mit der geschätzten Drehmomentstörung M_h(k) und der verwendeten Drehmomentkompensation M_k(k) erfolgt, und zwar mittels der Gleichung M_k(k + 1) = aM_k(k) + (1 – a)M_h(k), wobei die Größe des Adaptionskoeffizienten a zwischen 0 und 1 gesetzt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin einen Schritt aufweist, bei dem eine Tiefpass-Filterung der Winkelgeschwindigkeit der Last vor der Berechnung der Abschätzung der externen Drehmomentstörung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin einen Schritt aufweist, bei dem eine Tiefpass-Filterung des Ausgangs-Drehmomentes der Einrichtung zum Steuern des Motors erfolgt vor einer Berechnung der Abschätzung der Störung des externen Drehmomentes erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin einen Schritt aufweist, bei dem die Größe des Adaptionskoeffizienten a in dem Kompensator geändert wird, um die Geschwindigkeit der Adaption zu ändern.
Vorrichtung zum adaptiven Kompensieren von Lastschwankungen zur Verwendung in Verbindung mit einem elektrischen Motorantrieb, folgendes aufweisend: einen Motor, wobei die Welle des Motors mit einer Last (3) mit bekanntem Trägheitsmoment verbunden ist; eine Einrichtung (2), wie einen Inverter, um den Motor zu steuern, wobei eine Drehmomentsteuerung mit der Einrichtung in Verbindung steht; eine Geschwindigkeitssteuerung (1), die angeordnet ist, um die Geschwindigkeit des Motors unter Verwendung der Einrichtung (2) zu steuern, wobei die Geschwindigkeitssteuerung an ihrem Eingang eine Differenz (v_e) eines linearen Geschwindigkeitsbefehls (v_o) und einen momentanen Wert (v) der Lineargeschwindigkeit des Motors von einer Addiereinheit (4) erhält, und wobei die Anordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen Kompensator (6) aufweist, der angeordnet ist, um als Funktion der Zeit zu regelmäßigen Intervallen während einer transienten Phase, welche einen Lastwechsel verursacht, eine Schätzung (M_h) für eine externe Drehmomentstörung, welche den Lastwechsel verursacht, zu bestimmen, und zwar durch Bestimmung einer Winkelgeschwindigkeit ω der Last und Berechnung der Abschätzung der externen Drehmomentstörung als Differenz des Ausgangsdrehmomentes (M_mot) der Einrichtung (2), die den Motor steuert, und des Gegendrehmomentes der Last, auf Basis der Gleichung M_h= M_mot – J dω/dt, wobei J das kombinierte Trägheitsmoment der Last und des Motors sind, und ω die Winkelgeschwindigkeit der Last, und wobei der Kompensator einen Speicher aufweist zum Abspeichern der Abschätzung als eine Folge von Zahlen, die als Funktion der Zeit zu regelmäßigen Intervallen bestimmt worden sind, und auf eine Information bezüglich eines Beginns einer neuen transienten Phase anspricht, um eine Drehmomentkompensation (M_k) aufgrund der Abschätzung der Drehmomentstörung (M_h), die während der vorangegangenen transienten Phase bestimmt worden ist, zu bilden, und um die Drehmomentkompensation zum Eingangssignal der Drehmomentsteuerung hinzuzufügen, um so die externe Drehmomentstörung beim Beginn der transienten Phase zu kompensieren.