FR2912571A1

FR2912571A1 - Synchronous/asynchronous electric motor controlling method for speed regulator, involves adding electrical motor's estimated inertia determination term and anticipation term in speed control law

Info

Publication number: FR2912571A1
Application number: FR0753224A
Authority: FR
Inventors: Francois Malrait
Original assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Current assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe SAS
Priority date: 2007-02-13
Filing date: 2007-02-13
Publication date: 2008-08-15
Anticipated expiration: 2027-02-13
Also published as: FR2912571B1

Abstract

The method involves adding an electrical motor's estimated inertia determination term and anticipation term in a speed control law, where the anticipation term is equal to the estimated inertia multiplied by a derivative of reference speed. The estimated inertia is determined from the derivative of the reference speed and a difference between the reference speed and real or estimated speed.

Description

Procédé de commande d'un moteur électrique, mis en oeuvre dans unA method of controlling an electric motor, implemented in a

variateur de vitesse La présente invention se rapporte à un procédé de commande d'un moteur électrique, mis en oeuvre dans un variateur de vitesse et à un variateur de vitesse mettant en oeuvre ce procédé de commande. Le procédé de commande peut être appliqué à un moteur électrique synchrone ou asynchrone, fonctionnant en boucle ouverte sans retour d'une mesure de vitesse ou en boucle fermée avec retour d'une mesure de vitesse. Il est connu notamment par le document US 5,272,423 d'adapter la loi de commande en vitesse d'un moteur électrique pour minimiser les effets dus notamment à la variation de l'inertie du moteur. The present invention relates to a method for controlling an electric motor, implemented in a variable speed drive and to a speed controller implementing this control method. The control method can be applied to a synchronous or asynchronous electric motor, operating in open loop without return of a speed measurement or in closed loop with return of a speed measurement. It is known in particular from US 5,272,423 to adapt the speed control law of an electric motor to minimize the effects due in particular to the variation of the inertia of the engine.

Le bloc diagramme illustrant le fonctionnement d'une boucle de vitesse standard suivie par un variateur de vitesse pour la commande d'un moteur électrique est représenté en figure 1. Dans une boucle de vitesse standard, une référence de courant de couple est déterminée en employant un régulateur Proportionnel Intégral (appelé généralement PI) permettant de réguler une vitesse mesurée ou estimée à une vitesse de référence, indépendamment du niveau de couple de charge constant de l'application. En terme d'équations, la loi de commande illustrée par la figure 1 s'écrit de la manière suivante : J~=u- u=KP. ùw)+uI, (1) üI =KI.((T)ùw)<=> u1 =f KI•Oùw)•dt où : - u représente la commande à appliquer au moteur pour réguler la vitesse w à la vitesse de référence , - uI représente le terme intégral du régulateur Proportionnel-Intégral, iiI représente la dérivée de uI , - t représente le couple de charge, - KP et KI représentent les gains du régulateur PI. Pour obtenir une réponse en vitesse maîtrisée, les gains KP et KI du correcteur dépendent en fait de l'inertie réelle J du moteur. Cependant celle-ci n'est pas forcément connue ou n'est pas forcément égale à la valeur définie par défaut par le variateur ou saisie par l'utilisateur. L'inertie réelle du moteur peut même être variable au cours du fonctionnement du moteur. Or les performances de la réponse en vitesse du moteur (dépassement, temps de réponse) dépendent grandement de l'inertie du moteur. Une forte inertie va générer un fort dépassement tandis qu'une faible inertie va générer un temps de réponse très long. Pour optimiser les performances en vitesse du moteur, il faudrait donc modifier les gains de la boucle du régulateur PI de la boucle de vitesse pour chaque application. Dans la réalité et comme représenté en figure 1, le choix des gains KP et KI du régulateur PI dépend en fait d'une inertie estimée j , définie par défaut par le variateur ou saisie par l'utilisateur en fonction de son application. Le but de l'invention est d'optimiser les performances en vitesse du moteur sans tenir compte de l'application et donc sans modifier les gains du régulateur PI de la boucle de vitesse. The block diagram illustrating the operation of a standard speed loop followed by a variable speed drive for the control of an electric motor is shown in FIG. 1. In a standard speed loop, a torque current reference is determined using a Proportional Integral regulator (generally called PI) for regulating a speed measured or estimated at a reference speed, regardless of the level of constant load torque of the application. In terms of equations, the control law illustrated in FIG. 1 is written as follows: J = u- u = KP. ùw) + uI, (1) üI = KI. ((T) ùw) <=> u1 = f KI • Wherew) • dt where: - u represents the command to be applied to the motor to regulate the speed w at the speed of reference, - uI represents the integral term of the Proportional-Integral controller, iiI represents the derivative of uI, - t represents the load torque, - KP and KI represent the gains of the PI controller. In order to obtain a controlled speed response, the gains KP and KI of the corrector depend in fact on the real inertia J of the engine. However, this is not necessarily known or is not necessarily equal to the default value set by the drive or entered by the user. The actual inertia of the engine may even be variable during engine operation. However, the performance of the engine speed response (overshoot, response time) depends largely on the inertia of the engine. Strong inertia will generate a strong overshoot while a low inertia will generate a very long response time. To optimize the speed performance of the motor, it would therefore be necessary to modify the gains of the PI controller loop of the speed loop for each application. In reality and as represented in FIG. 1, the choice of the gains KP and KI of the regulator PI depends in fact on an estimated inertia j, defined by default by the variator or entered by the user according to his application. The object of the invention is to optimize the speed performance of the motor without taking into account the application and thus without modifying the gains of the PI regulator of the speed loop.

Ce but est atteint par un procédé de commande mis en oeuvre dans un variateur de vitesse destiné à la commande d'un moteur électrique, ledit variateur fonctionnant selon une loi de commande en vitesse dans laquelle une référence de courant est déterminée en employant un régulateur permettant de réguler une vitesse mesurée ou estimée à une vitesse de référence, ledit procédé étant caractérisé en ce que le procédé consiste à ajouter dans la loi de commande en vitesse un terme de détermination d'une inertie estimée du moteur et un terme d'anticipation dépendant de l'inertie estimée. Selon une particularité, l'inertie estimée du moteur est déterminée à partir de la dérivée de la vitesse de référence et de l'écart entre la vitesse de référence et la vitesse réelle ou la vitesse estimée. Selon une autre particularité, le terme d'anticipation est égal à l'inertie estimée multipliée par la dérivée de la vitesse de référence. This object is achieved by a control method implemented in a variable speed drive for controlling an electric motor, said variator operating according to a speed control law in which a current reference is determined by employing a regulator permitting regulating a speed measured or estimated at a reference speed, said method being characterized in that the method consists in adding in the speed control law a determination term of an estimated engine inertia and a dependent anticipation term of the estimated inertia. According to a particularity, the estimated inertia of the engine is determined from the derivative of the reference speed and from the difference between the reference speed and the actual speed or the estimated speed. According to another particularity, the term of anticipation is equal to the estimated inertia multiplied by the derivative of the reference speed.

Selon l'invention, la loi de commande en vitesse comporte les équations suivantes : u=J•+J•kp•(roûc')+ur ûr =J•ki•ûco) dans laquelle : - J représente l'inertie réelle du moteur, - u représente la commande à appliquer au moteur pour réguler la vitesse réelle w ou estimée à la vitesse de référence , - uI représente le terme intégral du régulateur Proportionnel-Intégral, - ûI représente la dérivée de uI , - t représente le couple de charge, - kp et ki sont fonction des gains du régulateur PI. L'invention concerne également un variateur de vitesse pour commander un moteur électrique, ce variateur étant apte à mettre en oeuvre le procédé de commande défini ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente une boucle de vitesse standard mise en oeuvre par un variateur de vitesse pour commander un moteur électrique, la figure 2 représente la boucle de vitesse améliorée selon l'invention, mise en oeuvre par un variateur de vitesse pour commander un moteur électrique. According to the invention, the law of speed control comprises the following equations: u = J • + J • kp • (roûc ') + ur ûr = J • ki • ûco) in which: - J represents the real inertia of the motor, - u represents the command to be applied to the motor to regulate the real speed w or estimated at the reference speed, - uI represents the integral term of the Proportional-Integral regulator, - i represents the derivative of uI, - t represents the torque load, - kp and ki are a function of the gains of the PI regulator. The invention also relates to a variable speed drive for controlling an electric motor, this variator being able to implement the control method defined above. Other features and advantages will appear in the detailed description which follows with reference to an embodiment given by way of example and represented by the appended drawings in which: FIG. 1 represents a standard speed loop implemented by a variable speed drive for controlling an electric motor, Figure 2 shows the improved speed loop according to the invention, implemented by a variable speed drive for controlling an electric motor.

En référence à la figure 1, le système réel tenant compte de l'inertie estimée J du moteur est défini par les équations suivantes : Jc~=u-u=J.kp•Oûw)+u1, (2) ù, =J•ki.Oûw)=ur = JJ•ki•((T)ûw)•dt Dans lequel, par rapport aux relations (1), on a défini KP = j. kp et KI = J ki . With reference to FIG. 1, the real system taking into account the estimated inertia J of the engine is defined by the following equations: Jc = uu = J.kp • U w) + u1, (2) ù, = J • ki .Ouw) = ur = JJ • ki • ((T) ûw) • dt In which, with respect to relations (1), we have defined KP = j. kp and KI = J ki.

L'invention consiste à ajouter un terme de détermination de l'inertie estimée dans la boucle de vitesse, opérant que lorsque la vitesse de référence varie suffisamment, et à améliorer la performance de la boucle de vitesse par ajout d'un terme d'anticipation (également appelé "feedforward") dépendant de l'inertie estimée qui a été préalablement déterminée. La boucle de vitesse ainsi améliorée est représentée sur la figure 2. Dans la suite de la description, le procédé de l'invention est explicité à partir d'un fonctionnement en boucle fermée, c'est-à-dire avec mesure de la vitesse w. Il peut également être mis en oeuvre en boucle ouverte en employant la vitesse estimée w, comme représenté par la flèche en pointillés sur la figure 2. Dans la suite de la description, il faudra donc comprendre que la vitesse réelle mesurée u peut être remplacée par la vitesse estimée w. Selon l'invention, afin de déterminer le terme d'anticipation à ajouter dans la boucle de vitesse, il faut s'intéresser à l'aspect stabilité et performance de la structure de la boucle de vitesse en regardant l'écart entre la vitesse w et la vitesse de référence iè. Si cet écart grandit alors que le variateur de vitesse n'est pas en limitation de couple, cela signifie que la régulation n'est pas maîtrisée voire est instable. En revanche, si cet écart oscille ou varie faiblement mais pendant une longue durée, cela signifie que la dynamique du système n'est pas satisfaisante. En effet, la vitesse w va alors osciller autour de la vitesse de référence c5 sans jamais l'atteindre ou va mettre un certain temps avant de l'atteindre. En calculant l'écart Aw = w û , on arrive donc à : Jki•(à û w) Ensuite, en soustrayant le terme J• à de chaque côté de la première équation ci-dessus, il vient : JJcbùJ =J•kp•ûco)+urûticûJ•à ûr=J•ki•ûo) Avec la notation Aw = w ûà , on obtient alors : J•Àw=ûJ.kp•Aw+(u1-Tc)ûJ• ûr =ûJ•ki•Aco Dans les équations (3) ci-dessus, le terme J • peut être vu comme un terme de perturbation en ajout de la perturbation constante. Ce terme montre en outre que le temps de réponse va dépendre de la dérivée de la vitesse de référence 7). Selon l'invention, dans les équations de la commande (2) mises en oeuvre par le variateur pour la commande du moteur, on ajoute donc le terme d'anticipation J• qui est fonction de l'inertie estimée et de la dérivée de la vitesse de référence. Le système est désormais le suivant : M=11ùTc 15 u=J. +J•kp•Oûw)+ur, (4) ii1 =J•ki•(àûw)=ur = JJ•ki•(à-w)•dt ûr =ûJ•ki•Aw (3) Pour ce système, si on regarde l'écart Aw = w ûà , on obtient alors : IJw=_J.kP(uj ûT)û(JûJ)•à ù, =ùJ•ki•Aw soit, avec 8J = J û J : 20 JJ.Aw = ûJ.kp.Aw+(u1 ûT)û6J• (5) 510 Par rapport aux équations (3) ci-dessus, dans ces équations (5), le terme perturbateur en J • à a donc été remplacé par un terme en 8J. . Lorsque l'inertie est mal connue, le terme 8J• peut être important et il n'existe donc pas un gain dynamique à ajouter le terme d'anticipation J. à dans les équations (4) de la commande ci-dessus. Cependant, désormais, la forme des relations (5) définies ci-dessus permet de réaliser une adaptation de l'inertie par ajout d'un terme d'estimation de l'inertie dans les équations de la commande. Pour cela, on pose la fonction d'énergie suivante qui correspond à la forme 10 du système défini à la relation (5) : V = 1 J • Aw2 + (ur -'LC )2 + 1 8J2 (6) 2 2•J•ki 2.y The invention consists in adding a term of determination of the estimated inertia in the speed loop, operating only when the reference speed varies sufficiently, and in improving the performance of the speed loop by adding an anticipation term. (also called "feedforward") depending on the estimated inertia that has been previously determined. The improved speed loop is shown in FIG. 2. In the remainder of the description, the method of the invention is explained from a closed-loop operation, that is to say with measurement of the speed w. It can also be implemented in an open loop by using the estimated speed w, as represented by the dashed arrow in FIG. 2. In the remainder of the description, it will therefore be understood that the actual measured speed u can be replaced by the estimated speed w. According to the invention, in order to determine the anticipation term to be added in the speed loop, it is necessary to look at the stability and performance aspect of the speed loop structure by looking at the difference between the speed w and the reference speed iè. If this difference grows while the drive controller is not in torque limitation, it means that the control is not controlled or is unstable. On the other hand, if this difference oscillates or varies slightly but for a long duration, it means that the dynamics of the system is not satisfactory. Indeed, the speed w will then oscillate around the reference speed c5 without ever reaching it or will take some time to reach it. Calculating the difference Aw = w û, we arrive at: Jki • (at û w) Then, subtracting the term J • on each side of the first equation above, it comes: JJcbùJ = J • kp • ûco) + urûticûJ • at ûr = J • ki • ûo) With the notation Aw = w ûà, we obtain: J • Àw = ûJ.kp • Aw + (u1-Tc) ûJ • ûr = ûJ • ki • Aco In equations (3) above, the term J • can be seen as a disturbance term in addition to the constant perturbation. This term also shows that the response time will depend on the derivative of the reference speed 7). According to the invention, in the equations of the control (2) implemented by the variator for controlling the motor, the anticipation term J • is added, which is a function of the estimated inertia and the derivative of the reference speed. The system is now: M = 11uTc 15 u = J. + J • kp • Oûw) + ur, (4) ii1 = J • ki • (aûw) = ur = JJ • ki • (à-w) • dt ûr = ûJ • ki • Aw (3) For this system, if we look at the gap Aw = w ûà, we get: IJw = _J.kP (uj ûT) û (JûJ) • to ù, = ûJ • ki • Aw is, with 8J = J û J: 20 JJ. Aw = ûJ.kp.Aw + (u1 ûT) û6J • (5) 510 Compared to equations (3) above, in these equations (5), the term disturbing in J • to has therefore been replaced by a term in 8J. . When the inertia is poorly known, the term 8J • can be important and there is therefore no dynamic gain to add the term of anticipation J. to equations (4) of the above command. However, from now on, the form of the relations (5) defined above makes it possible to adapt the inertia by adding a term of estimation of the inertia in the equations of the control. For this, we set the following energy function which corresponds to the form of the system defined in relation (5): V = 1 J • Aw2 + (ur -'LC) 2 + 1 8J2 (6) 2 2 • J • ki 2.y

A partir de cette dernière équation, il est possible de définir une loi d'adaptation de l'inertie à insérer dans les équations de la commande du système, permettant d'assurer la stabilité de ce système. 15 Pour que le système soit stable, cette fonction d'énergie V doit être positive et doit présenter une dérivée négative pour toutes les valeurs des grandeurs du système. Elle doit donc se comporter comme une fonction de Lyapunov. Cette fonction V est positive lorsque les valeurs de et y sont positives. La dérivée de V par rapport au temps vaut : V=J•Aw•Àw+ +SJ•8J ~J J ki Y (u ù 20 V=Aw.(ùJ•kp•Aw+(urù-8J• à) + (ùJ ki • Aw) + • 8J Y J. ki V=ùJ•kp•Aw2+Aw.(ur (1ù +BJ (8Jùy•Aw. ) -- Y J ~ Si on choisit = J et bJ = y. Aco• co , on arrive alors à : J =ùJ•kp•Aw2 (7) Cette dérivée de V (relation (7)) est donc négative. From this last equation, it is possible to define a law of adaptation of the inertia to be inserted in the equations of the control of the system, making it possible to ensure the stability of this system. In order for the system to be stable, this energy function V must be positive and must have a negative derivative for all values of the quantities of the system. It must therefore behave as a function of Lyapunov. This function V is positive when the values of and y are positive. The derivative of V with respect to time is: V = J • Aw • To + + SJ • 8J ~ JJ ki Y (u ù 20 V = Aw. (ÙJ • kp • Aw + (urù-8J • to) + (ùJ ki • Aw) + • 8J Y J. ki V = ùJ • kp • Aw2 + Aw (ur (1ù + BJ (8Jyy • Aw.) - YJ ~ If we choose = J and bJ = y. Aco • co, we then arrive at: J = ùJ • kp • Aw2 (7) This derivative of V (relation (7)) is therefore negative.

On en déduit donc que la fonction V est décroissante positive ce qui signifie qu'elle converge jusqu'à ce que l'erreur de vitesse s'annule. A partir de (7), en considérant que l'inertie réelle est constante, on en conclut que le terme d'estimation de l'inertie est égal à : J=y• •(oû(0) L'inertie estimée j est donc déterminée à partir de la dérivée de la vitesse de référence (to , de l'écart entre la vitesse de référence et la vitesse réelle (cT) û w) et de y qui est une constante positive. Lorsqu'une variation de la vitesse de référence est enregistrée, si la vitesse réelle est inférieure à la vitesse de référence, le système réel 10 est en retard par rapport au système estimé. L'inertie réelle est donc plus forte qu'attendue. Il faut donc augmenter la valeur de l'inertie estimée j , ce qui est réalisé automatiquement grâce à la relation û w ) . En suivant la boucle de vitesse améliorée de l'invention, le variateur de vitesse met donc à jour la valeur de l'inertie estimée J grâce à l'ajout du terme 15 J = y • à • (Foû w) dans les équations de la commande, la valeur initiale de l'inertie estimée étant celle définie par défaut ou saisie par l'utilisateur dans le variateur. Selon l'invention, la boucle de vitesse améliorée représentée en figure 2 et mise en oeuvre par le variateur de vitesse pour la commande du moteur suit donc la loi de commande en vitesse suivante : u=J•+J•kp•(roûc')+ur 20 (8) ro û co) J=y• •(ro -(0) It is therefore deduced that the function V is decreasing positive, which means that it converges until the speed error vanishes. From (7), considering that the real inertia is constant, we conclude that the term of estimation of inertia is equal to: J = y • • (o (0) The estimated inertia j is therefore determined from the derivative of the reference velocity (to, of the difference between the reference velocity and the actual velocity (cT) û w) and from y which is a positive constant. If the actual speed is less than the reference speed, the actual system 10 is behind the estimated system, so the actual inertia is higher than expected, so the value of the actual system must be increased. estimated inertia j, which is achieved automatically thanks to the relation û w). By following the improved speed loop of the invention, the variable speed drive thus updates the value of the estimated inertia J by adding the term J = y • to • (Fo w) in the equations of the command, the initial value of the estimated inertia being that defined by default or entered by the user in the drive. According to the invention, the improved speed loop represented in FIG. 2 and implemented by the variable speed drive for controlling the motor therefore follows the following speed control law: u = J • + J • kp • (roûc ' ) + ur 20 (8) ro û co) J = y • • (ro - (0)

En ajoutant le terme d'anticipation J. co dans la boucle de vitesse, la trajectoire en vitesse est suivie indépendamment des valeurs de gains de la boucle de vitesse. Le terme d'estimation de l'inertie J = ' • • ( - )c orajoutée dans les lois de 25 commande permet pour sa part d'assurer la performance et la stabilité du système. By adding the anticipation term J. co in the speed loop, the velocity path is followed independently of the velocity loop gain values. The term of estimation of the inertia J = '• • (-) c oradded in the laws of control allows for its part to ensure the performance and the stability of the system.

Claims

1. A control method implemented in a variable speed drive for controlling an electric motor, said drive operating according to a speed control law in which a current reference is determined by using a regulator (PI) allowing regulating a measured speed (o)) or an estimated speed (Co) at a reference speed (c), characterized in that the method consists in adding in the speed control law a determination term of an estimated inertia (J). ) of the engine and an anticipation term (J c) depending on the estimated inertia (J).

2. Method according to claim 1, characterized in that the estimated inertia (J) of the engine is determined from the derivative of the reference speed and the difference between the reference speed (c) and the speed actual (o) or estimated speed (c).

3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the anticipation term is equal to the estimated inertia (J) multiplied by the derivative of the reference speed (7).

4. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the speed control law comprises the following equations: u = J • + J • kp • (roûc ') + ur ûr = J • ki • ( 7t) in which: J represents the real inertia of the engine, u represents the control to be applied to the motor to regulate the real speed w or estimated at the reference speed, 5 uI represents the integral term of the motor; Proportional-Integral regulator, - i represents the derivative of uI, - t represents the load torque, - kp and ki are a function of the gains of the regulator PI.

5. Variable speed drive for controlling an electric motor, characterized in that it is able to implement the control method defined in one of claims 1 to 4.