FR2678790A1

FR2678790A1 - Method and device for regulating the rotational frequency of a direct-current motor with independent excitation

Info

Publication number: FR2678790A1
Application number: FR9108438A
Authority: FR
Inventors: Lesage Joel
Original assignee: Direction General pour lArmement DGA
Current assignee: Direction General pour lArmement DGA
Priority date: 1991-07-05
Filing date: 1991-07-05
Publication date: 1993-01-08
Anticipated expiration: 2011-07-05
Also published as: FR2678790B1

Abstract

The invention relates to a device for regulating the rotational frequency of a direct-current electric motor with independent excitation, particularly including control logic 14, an electric motor 5, a loop B1 for regulating the rotational frequency of the motor 5, a loop B2 for regulating the voltage at the terminals of the inductor and a loop B3 for regulating the excitation current, this device being characterised in that the loop B3 comprises an electronic module 8, bringing together the set of operating parameters, and in which the parameters of the experimental equation or equations for the excitation current as a function of the rotor voltage are inserted when it is configured. Application especially to direct-current electric motors with independent excitation, offering a high motor torque.

Description

L'invention concerne le domaine des machines électriques à courant continu, plus particulièrement un procédé et un dispositif électronique et électrique de régulation de la fréquence de rotation d'un moteur à courant continu et à excitation séparée. The invention relates to the field of direct current electric machines, more particularly a method and an electronic and electric device for regulating the rotation frequency of a direct current motor with separate excitation.

Les moteurs électriques à courant continu les plus couramment utilisés dans l'industrie sont soit à excitation série, soit à excitation séparée soit à excitation shunt
Les premiers, surtout utilisés pour la traction, nécessitent un fort courant au démarrage et ne sont pas facilement contrôlable en fréquence de rotation. En effet, lorsqu'une tension est appliquée, la fréquence de rotation s'accroit jusqu'à ce que le couple résistant équilibre le moteur.The most commonly used direct current electric motors in the industry are either series excitation, separate excitation or shunt excitation
The first, especially used for traction, require a strong current at start-up and are not easily controllable in rotation frequency. When a voltage is applied, the frequency of rotation increases until the resistive torque balances the motor.

Pour ces raisons, l'utilisation des moteurs à courant continu et à excitation shunt ou à excitation séparée se généralise. Le réglage de la fréquence de rotation de ces derniers est obtenu principalement de deux manières distinctes ou combinées, la première consistant à faire varier le courant d'excitation et la seconde à faire varier la tension d'alimentation d'induit. For these reasons, the use of DC motors with shunt excitation or separate excitation is widespread. The adjustment of the frequency of rotation of the latter is obtained mainly in two distinct or combined ways, the first consisting in varying the excitation current and the second in varying the armature supply voltage.

Dans ce dernier cas, l'établissement du couple moteur nécessite une variation aux bornes égale à la chute interne de tension RI , ou R représente la résistance interne et I le courant induit. La chute de tension interne étant faible par rapport à la tension nominale, l'établissement du couple moteur ntest freiné que par la constante de temps de l'induit, comprise en général entre 0,04 et 0,07s. In the latter case, the establishment of the motor torque requires a variation at the terminals equal to the internal voltage drop RI, where R represents the internal resistance and I the induced current. The internal voltage drop being low compared to the nominal voltage, the establishment of the motor torque is only slowed down by the time constant of the armature, generally between 0.04 and 0.07s.

L'établissement du couple est donc très rapide et les phénomènes transitoires limités.The establishment of the couple is therefore very rapid and the transient phenomena limited.

Cependant, lorsqu'un moteur doit fonctionner à diverses fréquences de rotation et que le rapport des fréquences extrêmes est grand, la solution de réglage la plus simple et à moindre perte consiste à utiliser un dispositif agissant sur le courant dans le circuit d'excitation. However, when a motor has to operate at various frequencies of rotation and the ratio of the extreme frequencies is large, the simplest adjustment solution and at least loss consists in using a device acting on the current in the excitation circuit.

Ce dispositif comporte généralement une boucle de régulation Proportionnelle-Intégrale-Dérivée (PID) qui asservit le courant d'excitation à la fréquence de rotation de régulation du moteur. Cependant le contrôle de la fréquence de rotation présente des difficultés, notamment lorsque les réactions d'induit sont mal compensées. En effet, la compensation diminue considérablement l'inductance apparente de l'induit et par suite sa constante de temps lors des régimes transitoires. Aussi une mauvaise compensation rend la régulation particulièrement instable. This device generally comprises a Proportional-Integral-Derivative regulation loop (PID) which controls the excitation current to the motor regulation frequency of rotation. However, controlling the frequency of rotation presents difficulties, particularly when the armature reactions are poorly compensated. In fact, compensation considerably reduces the apparent inductance of the armature and consequently its time constant during transient states. Also, poor compensation makes regulation particularly unstable.

Ainsi, lorsqu'on fait varier brusquement de 0 à la puissance nominale Pn puis de Pn à 0 la charge d'un moteur à courant continu à excitation séparée dont l'induit est alimenté par une tension réglable et dont le circuit d'excitation est alimenté part un générateur de courant stable, il se produit des phénomènes oscillatoires pouvant conduire au déclenchement des dispositifs de sécurité par survitesse ou surintensité. Thus, when suddenly varying from 0 to the nominal power Pn and then from Pn to 0 the load of a DC motor with separate excitation whose armature is supplied by an adjustable voltage and whose excitation circuit is powered by a stable current generator, oscillatory phenomena occur which can lead to the triggering of safety devices by overspeed or overcurrent.

Une boucle de régulation supplémentaire peut être ajoutée pour résoudre cette difficulté. Cependant, cette dernière rend les réglages très complexes et une mise au point de l'ensemble moteur-régulateur sur banc d'essai est souvent indispensable. Elle occasionne ainsi un surcoût important. An additional control loop can be added to resolve this difficulty. However, the latter makes the adjustments very complex and a development of the engine-regulator assembly on a test bench is often essential. It thus causes a significant additional cost.

Un surréglage transitoire de la tension aux bornes de l'inducteur peut être utilisé pour limiter l'amplitude des oscillations. Toutefois, le temps d'atteinte de l'équilibre reste long. A transient over-adjustment of the voltage across the inductor can be used to limit the amplitude of the oscillations. However, the time to reach equilibrium remains long.

Dans le but de remédier à ces difficultés, l'invention a pour objet un procédé de régulation de la fréquence de rotation d'un moteur à courant continu à excitation séparée qui consiste à utiliser deux boucles de régulation en cascade, la première, appelée boucle milieu destinée à réguler le courant d'excitation en fonction de la tension d'induit selon une ou plusieurs équations déterminées expérimentalement en traçant un réseau de courbes présentant la valeur du courant d'excitation en fonction de cette tension, et la seconde, appelée boucle finale rapide, destinée à réguler la tension aux bornes des inducteurs du moteur à partir d'une consigne de courant délivrée sous forme de tension par la boucle milieu. In order to remedy these difficulties, the invention relates to a method of regulating the rotation frequency of a DC motor with separate excitation which consists in using two cascade regulation loops, the first of which is called the loop medium intended to regulate the excitation current as a function of the armature voltage according to one or more equations determined experimentally by plotting a network of curves presenting the value of the excitation current as a function of this voltage, and the second, called loop fast final, intended to regulate the voltage across the motor inductors from a current setpoint delivered as voltage by the middle loop.

De préférence, la boucle milieu régule le courant d'excitation en fonction de la tension d'induit selon une fonction linéaire. Preferably, the middle loop regulates the excitation current as a function of the armature voltage according to a linear function.

Pour la mise en oeuvre de ce procédé , un dispositif selon l'invention comporte, de façon connue, une alimentation stabilisée en courant continu, des éléments de protection, une logique de commande, une boucle de régulation de la tension au bornes de l'inducteur ainsi qu'une boucle de régulation du courant d'excitation et est caractéristique en ce que cette dernière boucle comprend un module électronique démontable sous tension appelé module de personnalisation, regroupant l'ensemble des paramètres de fonctionnement, et dans lequel les paramètres de la ou des équations expérimentales du courant d'excitation en fonction de la tension d'induit sont définis lors de la configuration du module. For the implementation of this method, a device according to the invention comprises, in known manner, a stabilized direct current supply, protection elements, control logic, a voltage regulation loop at the terminals of the inductor as well as a loop for regulating the excitation current and is characteristic in that this latter loop comprises a removable electronic module under voltage called a personalization module, grouping together all of the operating parameters, and in which the parameters of the or experimental equations of the excitation current as a function of the armature voltage are defined during the configuration of the module.

Selon un mode d'exécution privilégié qui accroît la précision de la régulation, le procédé consiste à utiliser trois boucles de régulation en cascade, la boucle finale, la boucle intermédiaire, toutes deux précédemment mentionnées, et une boucle d'entrée dont la constante de temps est plus élevée que celle de la boucle intermédiaire, et dont le rôle est d'ajuster la valeur de la consigne du courant d'excitation en fonction de la fréquence de rotation mesurée sous forme de tension. According to a preferred embodiment which increases the precision of the regulation, the method consists in using three cascade regulation loops, the final loop, the intermediate loop, both previously mentioned, and an input loop whose constant of time is higher than that of the intermediate loop, and whose role is to adjust the value of the excitation current setpoint as a function of the rotation frequency measured in the form of voltage.

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description d'un mode de réalisation privilégié présentée ci-après à titre non limitatif, avec référence aux dessins annexés ci-après dans lesquels - la figure 1 présente l'architecture du dispositif selon le mode de réalisation privilégié du procédé,
- la figure 2 illustre une méthode de réalisation des paramètres caractérisant une relation linéaire entre le courant d'excitation et la tension d'induit. Other characteristics and advantages will appear in the description of a preferred embodiment presented below without implied limitation, with reference to the attached drawings below in which - FIG. 1 presents the architecture of the device according to the mode of privileged realization of the process,
- Figure 2 illustrates a method of producing parameters characterizing a linear relationship between the excitation current and the armature voltage.

La figure 1 présente l'architecture générale du dispositif de mise en oeuvre du procédé dans laquelle les fonctions principales figurent sous la forme de modules. FIG. 1 presents the general architecture of the device for implementing the method in which the main functions appear in the form of modules.

L'alimentation générale est réalisée à partir d'un réseau à courant continu 1 sur lequel est placé un filtre d'entrée passif 2 destiné à protéger le circuit contre les surtensions et les perturbations. Les tensions de servitude sont délivrées par un module d'alimentation interne 3 qui peut être du type à "découpage " afin que ces tensions présentent de bonnes caractéristiques de stabilité malgré les variations possibles de celle du réseau. En aval du filtre d'entrée, est disposé un module électronique 4 d'ajustement du courant d'alimentation de l'inducteur 5 puis un filtre passif passe bas de sortie 6 fonctionnant en mode différentiel. Dans le mode de réalisation présenté, il s'agit d'un filtre passif en L dans lequel les selfs sont couplées magnétiquement et le point milieu des capacités est relié à la masse.Il sert à bloquer les harmoniques basses fréquences jusqu'à quelques dizaines de kilohertz. Une diode de protection 7 est placée en amont de l'inducteur
La logique de commande 14 reçoit les ordres concernant le choix de la fréquence de rotation, en l'occurrence petite ou grande. Ces ordres sont transmis au module de personnalisation 8. Ce dernier est configurable et il regroupe les différents paramètres de fonctionnement tels que la consigne de vitesse, le flux correspondant à la fréquence de rotation sélectionnée, le flux ou le courant maximum toléré par le moteur, la valeur des paramètres caractérisant l'équation expérimentale du courant d'excitation en fonction de la tension d'induit... Il est avantageux de rendre ce module aisément démontable sous tension afin d'accroître la disponibilité du dispositif.The general supply is made from a direct current network 1 on which is placed a passive input filter 2 intended to protect the circuit against overvoltages and disturbances. The service voltages are delivered by an internal power supply module 3 which can be of the "chopping" type so that these voltages have good stability characteristics despite possible variations from that of the network. Downstream of the input filter, an electronic module 4 for adjusting the supply current of the inductor 5 is placed, then a passive low-pass output filter 6 operating in differential mode. In the embodiment presented, it is a passive L-shaped filter in which the inductors are magnetically coupled and the midpoint of the capacitors is connected to ground. It is used to block low frequency harmonics up to a few tens kilohertz. A protection diode 7 is placed upstream of the inductor
The control logic 14 receives the orders concerning the choice of the frequency of rotation, in this case small or large. These orders are transmitted to the personalization module 8. The latter is configurable and includes the various operating parameters such as the speed setpoint, the flow corresponding to the selected rotation frequency, the flow or the maximum current tolerated by the motor, the value of the parameters characterizing the experimental equation of the excitation current as a function of the armature voltage ... It is advantageous to make this module easily removable under voltage in order to increase the availability of the device.

Le module d'élaboration de la valeur de la consigne de courant 9 détermine cette dernière à partir des informations stockées dans le module de personnalisation. The module for developing the value of the current setpoint 9 determines the latter on the basis of the information stored in the personalization module.

Les modules 10 et 11 sont des portes logiques. Le module 10 permet le basculement de la consigne de fréquence de rotation (petite PV ou grande GV) vers le comparateur 12 en fonction des ordres provenant de la logique de commande. Le module 1l permet de mettre en service ou hors service la boucle de régulation de vitesse en transmettant ou en supprimant son signal à partir de la détection d'écart qu'elle possède en sortie.En effet, le signal n'est transmis au comparateur 13 que lorsque la valeur du signal est contenue dans une fourchette de + 10% de celle du signal de la boucle de courant c'est-à-dire lorsque l'écart relatif entre la fréquence de rotation réelle et la fréquence de consigne est inférieur a t 10%
En plus des différents modules précités le dispositif de mise en oeuvre du procédé selon le mode d'exécution privilégié comporte trois boucles de régulation.The modules 10 and 11 are logic gates. The module 10 enables the rotation frequency setpoint (small PV or large GV) to be switched to the comparator 12 according to the orders coming from the control logic. The module 11 allows you to activate or deactivate the speed control loop by transmitting or suppressing its signal from the deviation detection it has at output. Indeed, the signal is not transmitted to the comparator 13 only when the value of the signal is within a range of + 10% of that of the signal of the current loop, that is to say when the relative difference between the actual rotation frequency and the set frequency is less was 10%
In addition to the various modules mentioned above, the device for implementing the method according to the preferred embodiment comprises three regulation loops.

La première, appelée boucle d'entrée que l'on notera
B1, consiste à ajuster la consigne de courant à partir de l'écart relatif de fréquence de rotation entre la fréquence sélectionnée et la fréquence réelle. La régulation est avantageusement du type Proportionnel - intégral et n'est active que lorsque l'écart relatif de fréquence de rotation SV est dans une plage de t 10% environ. Dans l'exemple, l'écart de vitesse est mesuré sous la forme d'une tension.The first, called the input loop which we will note
B1, consists of adjusting the current setpoint from the relative difference in frequency of rotation between the selected frequency and the actual frequency. The regulation is advantageously of the proportional - integral type and is only active when the relative deviation of the frequency of rotation SV is in a range of about 10% t. In the example, the speed difference is measured as a voltage.

La seconde, appelée boucle milieu et notée B2 servant à réguler le courant d'excitation à partir des paramètres de la ou des équations expérimentales contenus dans le module de personnalisation, de la tension d'induit et de l'écart relatif de fréquence de rotation SV. La consigne de courant est aussi délivrée sous la forme d'une tension. The second, called the middle loop and denoted B2 used to regulate the excitation current from the parameters of the experimental equation (s) contained in the personalization module, the armature voltage and the relative deviation of the frequency of rotation SV. The current setpoint is also delivered in the form of a voltage.

La troisième, appelée boucle finale et notée B3 régule la tension aux bornes des inducteurs à partir de la consigne de courant délivrée, sous la forme d'une tension, par la boucle milieu. The third, called final loop and denoted B3 regulates the voltage across the inductors from the current setpoint delivered, in the form of a voltage, by the middle loop.

Lorsque le moteur est au repos et qu'une fréquence de rotation est sélectionnée, le module 9 élabore la consigne de courant à partir des informations contenues dans le module de personnalisation. Cette consigne est ensuite transmise à l'entrée de la boucle de régulation du courant B2 .Cette dernière établit alors la valeur de la consigne pour la boucle de régulation de tension B3 qui, en maintenant fixe la tension aux bornes des inducteurs amortit tout phénomène oscillatoire
Dans cette phase de démarrage, la boucle de régulation de la fréquence de rotation B1 est tout d'abord inhibée, par l'intermédiaire, par exemple, d'une constante de temps élevée ou d'une temporisation dont la durée est suffisante pour permettre la stabilisation de la fréquence de rotation du moteur , puis elle fonctionne en corrigeant progressivement la consigne de courant pour obtenir une régulation de fréquence de rotation finale inférieure à + 2%
Dans le cas ou l'écart de fréquence de rotation SV serait, après la fin de la temporisation, supérieure à 10% , la boucle B1 resterait inhibée.When the motor is at rest and a rotation frequency is selected, the module 9 develops the current setpoint from the information contained in the personalization module. This setpoint is then transmitted to the input of the current regulation loop B2. This then establishes the value of the setpoint for the voltage regulation loop B3 which, while maintaining the voltage across the inductors, dampens any oscillatory phenomenon
In this start-up phase, the loop for regulating the frequency of rotation B1 is first inhibited, by means of, for example, a high time constant or a time delay whose duration is sufficient to allow stabilization of the motor rotation frequency, then it works by gradually correcting the current setpoint to obtain a final rotation frequency regulation less than + 2%
In the case where the deviation of the frequency of rotation SV is, after the end of the time delay, greater than 10%, the loop B1 would remain inhibited.

Dans le cas du passage d'une fréquence de rotation à une autre, le module de personnalisation sélectionne les paramètres de fonctionnement correspondant à la nouvelle fréquence de rotation puis la consigne de courant est élaborée au sein du module 9 à partir des informations contenues dans le module de personnalisation. Le fonctionnement est ensuite analogue à celui précédemment décrit. In the case of switching from one rotation frequency to another, the personalization module selects the operating parameters corresponding to the new rotation frequency then the current setpoint is developed within module 9 from the information contained in the customization module. The operation is then analogous to that previously described.

En régime stabilisé, ou dans le cas de variations faibles de charge ou de tension dlalimentation, la boucle B1 de régulation de fréquence de rotation pilote la boucle de régulation du courant B2 qui ajuste le courant d'excitation via la boucle B3. Cette dernière est sans effet notable sur la précision de la régulation. In steady state, or in the case of small variations in load or supply voltage, the loop B1 for regulating the rotation frequency controls the current regulation loop B2 which adjusts the excitation current via the loop B3. The latter has no significant effect on the accuracy of the regulation.

En cas de variation brusque de la charge , le courant d'induit augmente brutalement provoquant une variation aussi brutale du courant dans l'inducteur donc du flux du fait, de leur couplage. Cependant, la boucle B3 maintient constante la tension aux bornes de l'inducteur, s'opposant ainsi aux variations du courant dans l'inducteur. La boucle B2 à constante de temps plus élevée, corrige alors si nécessaire la consigne de courant, tandis que la boucle d'entrée B1 ajuste la fréquence de rotation avec une constante de temps plus élevée que celle des deux autres boucles. In the event of an abrupt variation in the load, the armature current increases abruptly, causing an equally abrupt variation in the current in the inductor, therefore in the flow, because of their coupling. However, loop B3 keeps the voltage across the inductor constant, thus opposing variations in the current in the inductor. Loop B2 with a higher time constant then corrects the current setpoint if necessary, while input loop B1 adjusts the frequency of rotation with a higher time constant than that of the other two loops.

En cas de fluctuation de la tension d'induit, la boucle milieu B2 modifie la consigne de courant à partir des paramètres de l'équation expérimentale reliant le courant d'excitation à la tension d'induit et les phénomènes oscillatoires de flux dans les inducteurs sont compensés par la boucle de régulation B3. Avec une constante de temps plus longue, la boucle B3 ajuste la fréquence de rotation à la consigne choisie lorsque l'écart relatif 6V s'est réduit. In the event of fluctuation in the armature voltage, the middle loop B2 modifies the current setpoint from the parameters of the experimental equation connecting the excitation current to the armature voltage and the oscillatory flux phenomena in the inductors are compensated by the regulation loop B3. With a longer time constant, loop B3 adjusts the frequency of rotation to the setpoint chosen when the relative difference 6V has reduced.

Ainsi, les fluctuations de tension ont pour conséquence, des variations modérées du courant d'induit et des variations proportionnelles au courant d'inducteur.Thus, voltage fluctuations result in moderate variations in the armature current and variations proportional to the inductor current.

Enfin, en cas de panne de la boucle d'entrée B1, le dispositif fonctionne mais avec des performances moindre notamment au niveau de la précision du réglage de la fréquence de rotation. Finally, in the event of failure of the input loop B1, the device operates but with lower performance, in particular with regard to the precision of the adjustment of the frequency of rotation.

Dans le but de définir les paramètres caractérisant la relation entre la tension d'induit et le courant d'excitation des expériences sont effectuées dans lesquelles on trace, pour une fréquence de rotation donnée, le réseau de courbes représentant le courant d'excitation Iex en fonction de la tension d'induit Ui pour différentes valeurs
P1 à Pn de la charge et à une fréquence de rotation donnée.In order to define the parameters characterizing the relationship between the armature voltage and the excitation current, experiments are carried out in which we draw, for a given frequency of rotation, the network of curves representing the excitation current Iex in function of armature voltage Ui for different values
P1 at Pn of the load and at a given frequency of rotation.

Un exemple de faisceau de courbe est présenté sur la figure 2 . Dans cet exemple, ce faisceau de courbe est modélisé par une seule droite qui a été obtenu en utilisant la méthode connue des moindres carrés. Les paramètres A et B caractérisant cette droite sont ensuite entrés dans le module de personnalisation pour les différentes fréquences de rotation du moteur qui peuvent être sélectionnées.An example of a curve beam is shown in Figure 2. In this example, this curve beam is modeled by a single straight line which was obtained using the known method of least squares. The parameters A and B characterizing this line are then entered in the personalization module for the different motor rotation frequencies which can be selected.

L'application d'un dispositif selon l'invention est particulièrement avantageuse dans le cas d'un moteur à courant continu à excitation séparée présentant un fort couple moteur. The application of a device according to the invention is particularly advantageous in the case of a DC motor with separate excitation having a high motor torque.

Claims

1. A method of regulating the frequency of rotation of a DC motor with separate excitation, characterized in that it consists in using two cascade regulation loops, the first, called middle loop intended to regulate the excitation current as a function of the armature voltage according to one or more equations determined experimentally by plotting a network of curves presenting the value of the excitation current as a function of the armature voltage and the second, called rapid final loop, intended to regulate the voltage across the motor inductors from a current setpoint delivered as a voltage by the middle loop.

2. Method according to claim 1, characterized in that the equation is a linear law, of the form:

1ex = A.Ui + B where 1ex represents the excitation current, Ui the armature voltage, and A and B two parameters determined experimentally.

3. Method according to any one of claims 1 and 2, characterized in that it consists in adding a third regulation loop called input loop, whose time constant is greater than that of the intermediate loop and whose role is to adjust the excitation current setpoint according to the rotation frequency measured in the form of voltage.

4. Device for implementing the method according to one of claims 1 and 2, comprising in known manner a stabilized DC power supply, protection elements, control logic, a voltage regulation loop armature, an excitation current regulation loop, device characterized in that the excitation current regulation loop comprises an electronic module 8, called a personalization module, grouping together all of the operating parameters and in which the parameters of experimental equations of the excitation current as a function of the armature voltage are defined during the configuration of the module.

5. Device according to claim 4, characterized in that it further comprises a loop for regulating the frequency of rotation.

6. Device according to any one of claims 4 and 5, characterized in that the module 8 is removable under tension.