EP2404227A1 - Regelkonzept für ein digital geregeltes magnetspeisegerät - Google Patents

Regelkonzept für ein digital geregeltes magnetspeisegerät

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EP2404227A1
EP2404227A1 EP10707248A EP10707248A EP2404227A1 EP 2404227 A1 EP2404227 A1 EP 2404227A1 EP 10707248 A EP10707248 A EP 10707248A EP 10707248 A EP10707248 A EP 10707248A EP 2404227 A1 EP2404227 A1 EP 2404227A1
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EP
European Patent Office
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control
load
observer
controller
loop
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Withdrawn
Application number
EP10707248A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Felix Jenni
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Scherrer Paul Institut
Original Assignee
Scherrer Paul Institut
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for setting a digitally controlled Magnetspei- seêt.
  • Particle accelerators require high-precision magnetic feeders. There is a fundamental desire to further increase the precision of existing equipment as well as that of new equipment. The current situation and the way to increase the quality of the existing power supply units are briefly described below:
  • PID proportional integral derivative controller
  • state controller linear / nonlinear control
  • adaptive structure continuous-time / discrete-time control
  • PID structures are used for regulations.
  • PID controllers are generally robust, i. even with not quite optimal design (typically loads that do not behave as well as modeled) good results are obtained and the controlled systems are stable. Extended to include adaptive properties, anti-wind-up, etc., the behavior can be further improved. This is the proven control structure of today's devices.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method and a device for controlling a magnetic power supply, with which the robustness of the control concept increased, the reaction times of the control concept further shortened and the precision of the control concept is further improved.
  • a method for the regulation of a magnetic feed device which comprises the following steps: a) carrying out a basic structure of the control as a double-loop control with a voltage control loop for the magnet voltage and a current control loop for the magnetic current, the ⁇ in the control loops are preferably summarized in a controller; b) performing the voltage regulation loop as a state regulator, the state controller feedback parameters adaptively adapting, as needed, the behavior of a power converter, an output filter, and a load; c) modeling the behavior of the power converter, the Changfil ⁇ age and the load with an observer (Observer, Luenberger observer, Kalman filter) and tracking the observer in adaptation to the effective behavior of the power converter, the Aus ⁇ input filter and the load; and d) implementing the current control loop as an adaptive PI controller.
  • a device for controlling a magnetic power supply comprising the following components: a) a basic structure of the control as a double-loop control with a voltage control loop for the magnet voltage and a current control loop for the magnetic current, the two rule ⁇ circuits are preferably summarized in a controller; b) the voltage control loop is implemented as a state controller, wherein the feedback parameters for the state controller are adaptively adaptable to the behavior of a power converter, an output filter and a load if necessary; c) an observer to model the behavior of the power converter, output filter and load, with the observer tracking the effective behavior of the power converter, output filter and load; and d) the current control loop is designed as an adaptive PI controller.
  • this system model can achieve improved robustness over the known in the prior art regulator using the obser ⁇ ters (Observer).
  • the course of the observer is continuously tracked as closely as possible to the behavior of the physical system.
  • the system behavior can be time and work point dependent.
  • an identification of the output filter and the load can be made for the calculation and adaptation of the control coefficients on the fully installed magnetic feeder.
  • the basic function and its associated parameters can thus be determined cleanly.
  • the identification can be carried out in a special operating mode in which parameters that are as realistic as possible to operation can be obtained. Alternatively, however, the identification can also be carried out continuously during operation.
  • control structure can typically be realized in a time-discrete manner.
  • Figure 1 is a schematic representation of a block diagram of a regulated according to the invention magnetic feeder.
  • Figure 2 is a schematic representation of a block diagram for the
  • An embodiment is implemented in a corrector power supply having the following configuration:
  • the basic structure of the control is 'double-ended'.
  • the two control loops can also be combined into one controller.
  • the voltage control loop is executed as a state controller. If necessary, the feedback parameters are adaptively adapted to the behavior of the converter, the output filter and the load. Since the voltages at and currents in the output of the actuator and in the filter are noisy and have a large ripple, they can not simply be measured and used for the feedbacks of the state controller.
  • the converter, the output filter and the load are therefore modeled with an observer (Observer, Luenberger observer, Kalman filter). The observer is tracked to the effective behavior of the circuit.
  • the current control loop is implemented as an adaptive PI controller.
  • an identification of the filter and the load is made on the completely installed device (that is to say with load). This identification is currently being made in a special mode of operation. Likewise, it would also be possible to carry out the identification continuously during operation.
  • the necessary limits for the correct operation of the control and protection functions for the power converter for example, d / dt limitations where necessary) are provided.
  • the final rule structure is realized time-discretely.
  • control cycle In conventional controls, a meaningful control cycle is at most as fast as an AD converter cycle. For precise transducers, this cycle time is a very limiting magnitude. In the case of the use of the observer data selected here, the control cycle can be selected as fast as possible independently of the AD converter, as is still useful with regard to the controllability of the semiconductors.
  • a numerical system image is calculated by means of multi-dimensional optimization.
  • the controller coefficients are then determined from this.
  • the measurement of the data is done with magnetic feeder and associated controller.
  • the determination of the system image and the calculation of the control coefficients are currently still performed on a PC. Then the coefficients are loaded into the controller and the system runs autonomously. For this operation, the schematic block diagram according to FIG. 2 applies.

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Abstract

Erfindungsgemäss sind ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Regelung eines Magnetspeisegeräts offenbart, welche die folgenden Schritte umfassen: a) Ausführen einer Grundstruktur der Regelung als zweischleifige Regelung mit einer Spannungsregelschleife für die Magnetspannung und einer Stromregelschleife für den Magnetstrom, wobei die beiden Regelkreise vorzugsweise in einen Regler zusammengefasst werden; b) Ausführen der Spannungsregelschleife als Zustandsregler, wobei die Rückführparameter für den Zustandsregler bedarfsweise adaptiv dem Verhalten von Stromrichter, Ausgangsfilter und Last angepasst werden; c) Modellieren des Verhaltens von Stromrichter, Ausgangsfilter und Last mit einem Beobachter (Observer, Luenberger-Beobachter, Kalmanfilter) und dem effektiven Verhalten von Stromrichter, Ausgangsfilter und Last angepassten Nachführen des Beobachters; und d) Realisieren der Stromregelschleife als adaptiver PI-Regler.

Description

Regelkonzept für ein digital geregeltes Magnetspeisegerät
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung eines digital geregelten Magnetspei- segeräts.
Für Teilchenbeschleuniger werden hochpräzise Magnetspeisegeräte benötigt. Es besteht dabei grundsätzlich der Wunsch, die Präzision der bestehenden Geräte sowie auch die von neuen Geräten weiter zu steigern. Nachfolgend sind die heutige Situation und der Weg für eine Erhöhung der Qualität der bestehenden Speisegeräte kurz dargestellt :
Die Genauigkeit und die Geschwindigkeit von Magnetspeisegeräten (ganz generell von geregelten Systemen) sind bei gegebener Struktur durch die Geschwindigkeit des ganzen Systems (Frequenzgang) und die Kreisverstärkung bestimmt. Frequenzgang und Kreisverstärkung werden limitiert durch:
• Art und mathematische Ordnung des zu regelnden Systems -^ Stabilität
• Verzögerungen bei der Messung (Analog-Digital-Wandlung, ADC) und der Umsetzung des Sollwertes im Stellglied (Stromrichter, Konverter)
• Messrauschen und Rauschen im System -> begrenzen die Kreis- Verstärkung
• Art der eingesetzten Regelung (proportional integral derivative Controller (PID), Zustandsregler, lineare / nichtlineare Regelung, adaptive Struktur, zeitkontinuierliche / zeitdiskrete Regelung ) .
Mit den heutigen adaptiven PI-Regelungen (proportional integral Controller) sind Geschwindigkeit und Präzision der digital geregelten Speisegeräte weitgehend ausgereizt. Bei gleicher Regelstruktur können schnellere und genauere Geräte nur noch mit höhe- ren Schaltfrequenzen der Halbleiter und schnelleren Regelzyklen realisiert werden. Bei gegebener Leistung eines Gerätes sind die Schaltgeschwindigkeiten der Halbleiter durch die Elemente, die auf dem Markt erhältlich sind, vorgegeben. Die technologischen Grenzen der Halbleiter verschieben sich nur langsam und damit ist auf diesem Weg in den nächsten Jahren nur eine langsame Erhöhung von Präzision und Geschwindigkeit möglich.
Für sehr schnelle Geräte muss deshalb die Leistungsfähigkeit der verwendeten digitalen Regelung gesteigert werden. Dies geschieht einerseits mit der laufenden Verbesserung der Kontroll-Hardware und andererseits mit der Verbesserung der implementierten Regel- struktur.
Wenn immer möglich, werden für Regelungen PID-Strukturen eingesetzt. Neben der , relativ einfachen' Auslegung sind PID-Regler im Allgemeinen robust, d.h. auch bei nicht ganz optimaler Auslegung (typischerweise Lasten, die sich nicht genau so verhalten wie modelliert) werden gute Resultate erhalten, und die geregelten Systeme sind stabil. Erweitert um adaptive Eigenschaften, , anti- wind-up' etc. lässt sich das Verhalten noch weiter verbessern. Dies ist die bewährt Regelstruktur der heutigen Geräte.
Regeltechnisch bessere Resultate lassen sich mit dem Einsatz von Zustandsreglern erreichen. Diese verarbeiten bei Vollausbau alle internen , Zustände' (Ströme und Spannungen) des zu regelnden Systems. Eine Hürde, die dabei auftreten kann, ist es, dass diese Zustände nicht alle messbar sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln eines Magnetspeisegeräts anzugeben, mit denen die Robustheit des Regelungskonzeptes gesteigert, die Reaktionszeiten des Regelungskonzepts weiter verkürzt und die Präzision des Regelungskonzepts weiter verbessert wird.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein Verfahren für die Regelung eines Magnet- speisegeräts vorgesehen ist, welches die folgenden Schritte um- fasst : a) Ausführen einer Grundstruktur der Regelung als zweischleifige Regelung mit einer Spannungsregelschleife für die Magnetspannung und einer Stromregelschleife für den Magnetstrom, wobei die bei¬ den Regelkreise vorzugsweise in einen Regler zusammengefasst wer- den; b) Ausführen der Spannungsregelschleife als Zustandsregler, wobei die Rückführparameter für den Zustandsregler bedarfsweise adaptiv dem Verhalten von einem Stromrichter, einem Ausgangsfilter und einer Last angepasst werden; c) Modellieren des Verhaltens des Stromrichters, des Ausgangsfil¬ ters und der Last mit einem Beobachter (Observer, Luenberger- Beobachter, Kaimanfilter) und Nachführen des Beobachters in Anpassung an das effektive Verhalten des Stromrichters, des Aus¬ gangsfilters und der Last; und d) Realisieren der Stromregelschleife als adaptiver PI-Regler.
Bezüglich der Vorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäss durch eine Vorrichtung für die Regelung eines Magnetspeisegeräts gelöst, welche die folgenden Komponenten umfasst: a) eine Grundstruktur der Regelung als zweischleifige Regelung mit einer Spannungsregelschleife für die Magnetspannung und einer Stromregelschleife für den Magnetstrom, wobei die beiden Regel¬ kreise vorzugsweise in einen Regler zusammenfassbar sind; b) die Spannungsregelschleife ist als Zustandsregler ausgeführt, wobei die Rückführparameter für den Zustandsregler bedarfsweise adaptiv dem Verhalten von einem Stromrichter, einem Ausgangsfilter und einer Last anpassbar sind; c) einen Beobachter zum Modellieren des Verhaltens von Stromrichter, Ausgangsfilter und Last, wobei der Beobachter dem effektiven Verhalten von Stromrichter, Ausgangsfilter und Last nachführbar ist; und d) die Stromregelschleife ist als adaptiver PI-Regler ausgeführt. Auf diese Weise kann dieses Systemmodell mit Hilfe des Beobach¬ ters (Observer) eine verbesserte Robustheit gegenüber den im Stand der Technik bekannten Regler erzielen. Der Verlauf des Beobachter wird dabei kontinuierlich möglichst genau dem Verhalten des physikalischen Systems nachgeführt. Das Systemverhalten kann zeit- und arbeitspunktabhängig sein. Mittels der automatischen Adaption der Einstellparameter des Reglers lassen sich so negative Einflüsse auf die Regelung reduzieren und die Robustheit steigern .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann für die Berechnung und Adaption der Regelkoeffizienten am fertig installierten Magnetspeisegerät eine Identifikation von dem Ausgangsfilter und der Last vorgenommen werden. Auf diese Weise kann somit die Grundfunktion und ihre dazugehörigen Parameter sauber bestimmt werden. Zusätzlich kann die Identifikation in einem speziellen Betriebsmodus durchgeführt werden, bei dem möglichst betriebsrealistische Parameter gewonnen werden können Alternativ kann die Identifikation aber auch kontinuierlich im Be- trieb vorgenommen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können zudem schutzrelevante Begrenzungen für die korrekte Funktion der Regelung und Schutzfunktionen für den Strom- richter (z.B. d/dt- Begrenzungen, wo notwendig) vorgesehen werden. Dabei kann die Regelstruktur typischerweise zeitdiskret realisiert sein.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Darstellung ein Blockdiagramm von einem gemäss der Erfindung geregelten Magnetspeisegerät; und
Figur 2 in schematischer Darstellung ein Blockdiagramm für die
Identifikation von Filter und Last eines Magnetspeisegerätes .
Ein Ausführungsbeispiel ist in einem Korrektor-Speisegerät mit der folgenden Ausgestaltung implementiert: Die Grundstruktur der Regelung ist , zweischleifig' ausgeführt. Es bestehen eine Spannungsregelschleife für die Magnetspannung und eine Stromregelschleife für den Magnetstrom. Dabei können die beiden Regelkreise auch in einen Regler zusammengefasst werden.
Die Spannungsregelschleife wird als Zustandsregler ausgeführt. Die Rückführparameter werden bei Bedarf adaptiv dem Verhalten des Stromrichters, des Ausgangsfilters und der Last angepasst. Da die Spannungen am und Ströme im Ausgang des Stellgliedes und im Filter rauschen und eine grosse Welligkeit aufweisen, können sie nicht einfach gemessen und für die Rückführungen des Zu- standsreglers verwendet werden. Der Stromrichter, das Ausgangsfilter und die Last werden deshalb mit einem Beobachter (Obser- ver, Luenberger- Beobachter, Kaimanfilter) modelliert. Der Beob- achter wird dem effektiven Verhalten der Schaltung nachgeführt.
Die Stromregelschleife schliesslich ist als adaptiver PI-Regler realisiert. Für die Berechnung und Adaption der Regelkoeffizienten wird am fertig installierten Gerät (d.h. mit Last) eine Iden- tifikation von Filter und Last vorgenommen. Diese Identifikation wird zurzeit in einem speziellen Betriebsmodus gemacht. Ebenso wäre es auch möglich, die Identifikation kontinuierlich im Betrieb vorzunehmen. Die notwendigen Begrenzungen für die korrekte Funktion der Regelung und Schutzfunktionen für den Stromrichter (z.B. d/dt- Begrenzungen, wo notwendig) sind vorgesehen. Die endgültige Regelstruktur ist zeitdiskret realisiert.
Einfache Magnetspeisegeräte mit digitaler Regelstruktur leiden unter drei wesentlichen Nachteilen, die bei der Verwendung der erfindungsgemässen Lösung gemäss Figur 1 zumindest abgeschwächt werden können:
1. Die inneren Zustände von Stromrichter, Filter und Last können nicht sinnvoll gemessen werden, da sie als Folge des ge- schalteten Halbleiterbetriebes stark verzerrt sind. Mit diesen Signalen ist keine Zustandsrückführung möglich. Deren entsprechende Abbilder im Beobachter (Observer) sind jedoch unverzerrt, womit eine schnelle Regelung realisiert werden kann .
2. Die Daten-Konversionen in den Analog-Digital-Wandlern (ADC) und Transfer der Daten in den Prozessor (Controller) verursachen eine Verzögerung, welche die Geschwindigkeit der Regelung begrenzt. Ist das Modell der Hardware gut, so kann für schnelle Vorgänge mit den inneren Werten des Modells geregelt werden - das Modell selber wird langsamer den effek- tiven Werten nachgeführt. Dieses Vorgehen ermöglicht in gewissen Anwendungen den Einsatz von langsameren aber präziseren AD- Wandler.
3. Bei konventionellen Regelungen ist ein sinnvoller Kontroll- Zyklus höchstens so schnell wie ein AD- Wandler Zyklus. Bei präzisen Wandlern ist diese Zykluszeit eine stark einengende Grosse. Bei der hier gewählten Verwendung der Beobachterdaten kann der Kontrollzyklus unabhängig vom AD- Wandler so schnell gewählt werden, wie dies hinsichtlich der Ansteuer- barkeit der Halbleiter noch sinnvoll ist.
Für die Ermittlung der Reglerparameter ist eine exakte Systembeschreibung (Modell) notwendig. In der Praxis werden die Daten am fertig eingebauten Geräte ermittelt.
Aus den Daten der gemessenen Schrittantworten von Lastspannung und -ström wird mittels einer mehrdimensionalen Optimierung ein numerisches Systemabbild berechnet. Aus diesem werden anschlies- send die Reglerkoeffizienten bestimmt. Die Messung der Daten erfolgt mit Magnetspeisegerät und zugehörigem Kontroller. Die Bestimmung des Systemabbildes und die Berechung der Regelkoeffizienten werden zurzeit noch auf einem PC durchgeführt. Anschlies- send werden die Koeffizienten in den Kontroller geladen und das System läuft autonom. Für diese Operation gilt das schematische Blockschaltbild gemäss Figur 2.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren für die Regelung eines Magnetspeisegeräts, welches die folgenden Schritte umfasst: a) Ausführen einer Grundstruktur der Regelung als zweischleifige Regelung mit einer Spannungsregelschleife für die Magnetspannung und einer Stromregelschleife für den Magnetstrom, wobei die beiden Regelkreise vorzugsweise in einen Regler zusammengefasst werden; b) Ausführen der Spannungsregelschleife als Zustandsregler, wobei die Rückführparameter für den Zustandsregler bedarfsweise adaptiv dem Verhalten von Stromrichter, Ausgangsfilter und Last angepasst werden; c) Modellieren des Verhaltens von Stromrichter, Ausgangsfilter und Last mit einem Beobachter (Observer, Luenberger-Beobachter,
Kaimanfilter) und dem effektiven Verhalten von Stromrichter, Ausgangsfilter und Last angepassten Nachführen des Beobachters; und d) Realisieren der Stromregelschleife als adaptiver PI-Regler.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei für die Berechnung und Adaption der Regelkoeffizienten am fertig installierten Magnetspeisegerät (d.h. mit Last) eine Identifikation von Ausgangsfilter und Last vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Identifikation in einem speziellen Betriebsmodus durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Identifikation kontinuierlich im Betrieb vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der hervorgehenden Ansprüche, wobei schutzrelevante Begrenzungen für die korrekte Funktion der Regelung und Schutzfunktionen für den Stromrichter (z.B. d/dt- Begrenzungen, wo notwendig) vorgesehen werden.
6. Verfahren nach einem der hervorgehenden Ansprüche, wobei die Regelstruktur zeitdiskret realisiert ist.
7. Vorrichtung für die Regelung eines Magnetspeisegeräts, umfas¬ send die folgenden Komponenten: a) eine Grundstruktur der Regelung als zweischleifige Regelung mit einer Spannungsregelschleife für die Magnetspannung und einer Stromregelschleife für den Magnetstrom, wobei die beiden Regel¬ kreise vorzugsweise in einen Regler zusammenfassbar sind; b) die Spannungsregelschleife ist als Zustandsregler ausgeführt, wobei die Rückführparameter für den Zustandsregler bedarfsweise adaptiv dem Verhalten von Stromrichter, Ausgangsfilter und Last anpassbar sind; c) einen Beobachter zum Modellieren des Verhaltens von Stromrichter, Ausgangsfilter und Last, wobei der Beobachter dem effektiven Verhalten von Stromrichter, Ausgangsfilter und Last nachführbar ist; und d) die Stromregelschleife ist als adaptiver PI-Regler ausgeführt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei für die Berechnung und A- daption der Regelkoeffizienten am fertig installierten Magnet- speisegerät (d.h. mit Last) eine Identifikation von Ausgangsfil¬ ter und Last vornehmbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Identifikation in einem speziellen Betriebsmodus durchführbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Identifikation kontinuierlich im Betrieb vornehmbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der hervorgehenden Ansprüche 7 bis 10, wobei schutzrelevante Begrenzungen für die korrekte Funktion der
Regelung und Schutzfunktionen für den Stromrichter (z.B. d/dt- Begrenzungen, wo notwendig) vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach einem der hervorgehenden Ansprüche 7 bis 11, wobei die Regelstruktur zeitdiskret realisiert ist.
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