WO2017167492A1 - Verfahren und vorrichtung zum regeln einer elektrischen maschine - Google Patents

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WO2017167492A1
WO2017167492A1 PCT/EP2017/053208 EP2017053208W WO2017167492A1 WO 2017167492 A1 WO2017167492 A1 WO 2017167492A1 EP 2017053208 W EP2017053208 W EP 2017053208W WO 2017167492 A1 WO2017167492 A1 WO 2017167492A1
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input signal
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sint
input
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Viktor Barinberg
Dirk Hansen
Ulrich Heller
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Wago Verwaltungs GmbH
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Wago Verwaltungs GmbH
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Program-control systems
    • G05B19/02—Program-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form
    • G05B19/41—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form characterised by interpolation, e.g. the computation of intermediate points between programmed end points to define the path to be followed and the rate of travel along that path
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/048—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators using a predictor
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/42—Servomotor, servo controller kind till VSS
    • G05B2219/42263—Different sample rates, multiple sample rates for the different loops

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for controlling an electrical machine.
  • the drive controllers make it possible to adjust the speed of the machines, or to perform a regulation of the speed by e.g. Limit torques.
  • a programmable controller (English: Programmable Logic Controller, PLC) is often connected to a controller, which has an interface via which a user program can be loaded.
  • PLC Programmable Logic Controller
  • Many common PLC controls work cycle-oriented, whereby the from the
  • cycle time Typical cycle times are between 1-10 ms. For more powerful models, the cycle times may also be in the range of 100 ⁇ .
  • electrical drive systems often include speed and position encoder.
  • Such sensor systems capture the mechanical variables, such as speed and position of the machine. The precise acquisition of these values is necessary to provide the controller with actual values of the state of the machine and to close the existing corresponding control loops.
  • resolvers, incremental, sine-cosine or end-data encoders can be used as position encoders.
  • the operating cycle of a sine-cosine generator for example, may typically be in the range of 1-62.5 ⁇ .
  • the cycle of actual value detection essentially depends on the sensor system used.
  • a control can have several sensor inputs for different sensor systems in order to control the machine based on the differently detected actual values.
  • An analog sine-cosine encoder can provide the corresponding actual values to the drive controller comparatively quickly.
  • each sensor system typically operates with its own cycle time, which in particular also depends on the speed of the internal evaluation electronics of the sensor system.
  • the duty cycle of an exemplary EnDat position sensor may be 25 ⁇ .
  • the position / speed or current control of an electrical machine is typically done using a pulse width modulated inverter. This regulation is often adjusted according to the required bandwidth.
  • the corresponding power stroke can be in the range of 15.75-500 ⁇ .
  • the field bus clock, or the clock with the setpoints are passed to the inverter can be individual and, for example, between 31.25 ⁇ and 10 ms.
  • a component of the entire system is selected as the master, which specifies a master clock.
  • Components are then set accordingly.
  • the properties of all components must therefore be taken into account. This can lead to unwanted limitations, especially if individual components do not have to work continuously but in start / stop mode to follow the master clock.
  • the invention is in particular the object of providing a control method and apparatus for controlling an electric machine, in which as many components such as sensor systems can work independently and in particular individual system clocks of the components can be easily varied.
  • the above object is achieved by a method for controlling an electric machine.
  • the method in this case comprises providing a current input signal for a current input interval.
  • the input signal may be an actual value of the machine detected by a sensor system, such as an actual position of the machine.
  • the instantaneous input signal can be provided by a sensor system or also by a PLC.
  • the current input interval can essentially be defined or determined by the operating clock of the corresponding system which provides the instantaneous input signal. For example, if the working clock of the corresponding providing system is 40 ⁇ , the instantaneous input interval corresponds to this 40 ⁇ .
  • the input signal can thus be provided periodically in 40 ⁇ s intervals, so the operating cycle of the sensor system may for example be 25 kHz. The times at which two input signals are provided periodically one after the other can thereby define the corresponding input interval.
  • the method further comprises calculating intermediate values for future intermediate intervals.
  • the respective intermediate intervals are shorter than the input interval.
  • the input interval is an integer multiple of an intermediate interval. For example, if that If the current input interval is 40 ⁇ long, then 80 intermediate values are calculated for future intermediate intervals, whereby the intermediate intervals can each be 500 ns long and can lie in the input interval.
  • the calculation of the intermediate values is carried out based on the current input signal which was provided for the current input interval. Further, the calculation is based on either at least one past input signal or at least one past intermediate value. Thus, the calculation is performed based on a corresponding history of the data or information associated with the signals or values to provide intermediate values for future ones, along with the provided present input signal
  • the method comprises regulating the machine in a control interval based on an intermediate value valid for the control interval.
  • a corresponding control of the machine for example, take place with a control frequency of 4 kHz.
  • the control of the machine can be done with a control interval of 250 ⁇ .
  • the rule interval is longer than the respective intermediate intervals.
  • the control interval is an integer multiple of an intermediate interval.
  • a previously calculated intermediate value can be used, which for the control interval and preferably at the beginning of the
  • each component can advantageously work with an individual clock, which is optimal for the respective component.
  • the individual clock is independent of the respective clock of the other components. Since the calculation of intermediate values takes place with a clock that is faster than the remaining system cycles, an intermediate value can be used at any time for the regulation of the machine, which is much more precise than an instantaneous last available instantaneous value Input signal.
  • a master clock that couples the different components of the system. For example, each sensor system can provide readings in its own cycle or continuously, and does not need to operate in start / stop mode. Based on these regularly provided measured values, intermediate values are calculated, which are then used to control the electrical machine.
  • intermediate values are calculated, which are then used to control the electrical machine.
  • Interpolation clock for generating the intermediate values preferably much shorter than all other clocks in the system.
  • the intermediate values calculated in the interpolation cycles or intermediate intervals form a quasi-continuous information spectrum for the control. Accordingly, the machine is controlled based on a current at the time of control
  • calculating intermediate values comprises extrapolating at least one intermediate value for at least one intermediate interval in the future.
  • one intermediate value for a future intermediate interval may be extrapolated at one or more past input intervals.
  • the extrapolation of intermediate values takes place on the basis of an interpolation based on the current input signal and at least one input signal lying in the past.
  • This extrapolation can be performed, for example, on the basis of a linear interpolation or a higher-order polynomial-based interpolation of input values from the past.
  • the current input interval comprises several components
  • an intermediate value is calculated for each intermediate interval of the current input interval.
  • the instantaneous input interval may preferably be an integer multiple of a
  • the intermediate intervals are preferably the same length and, for example, each have a length of 500 ns.
  • Input interval can be retrieved. If the momentary
  • an intermediate value may be calculated for each of the 80 intermediate intervals that are in the current input interval. Therefore, a currently valid or current intermediate value can be used to control the machine virtually at any time in the input interval.
  • a current input signal provided in a current intermediate interval replaces a corresponding previously calculated intermediate value for the current intermediate interval.
  • the provision of the current input signal can be in a momentary
  • the method further comprises providing a subsequent input signal for a subsequent input interval following the current input interval.
  • the method further comprises determining whether a difference between the following input signal and a temporally associated calculated intermediate value is greater than a defined one
  • Threshold So there is a provided input signal with a corresponding intermediate value.
  • the corresponding intermediate value was calculated for the intermediate interval in which the following input signal is provided. The expert will be doing, about in
  • a suitable threshold This can be specified absolutely or relatively.
  • the method further comprises the step of compensating a delay of the input signal due to the propagation delay.
  • the delay related to delay in the input signal which is determined by a corresponding delay
  • providing the current input signal comprises providing a plurality of current input signals for respective current input intervals.
  • input signals from two different sensor systems may be provided, each one
  • the respective working cycle of the providing systems can be the same or different from each other.
  • the respective intermediate values are calculated based on the respective current input signals for a common intermediate interval lying in the future.
  • the common Interval interval is shorter than the respective momentary
  • Input intervals For example, intermediate values for each
  • Input signal can be provided with a common extrapolation clock.
  • each intermediate clock for example in every 500 ns interval, there are then correspondingly extrapolated intermediate values for the respective input signals.
  • the control can access a quasi-continuous information spectrum, so that on the one hand the control of the machine is very accurate and on the other hand operate the components that provide the input signals independently and easily connected to a drive controller, or be removed from this, without the controller complicated to reconfigure.
  • the corresponding setpoints are provided at the same time for the corresponding interpolation and to a universal common
  • control interval is continuously adjustable.
  • a frequency of a pulse width modulated control can be infinitely adjusted or reduced. This can be temporarily reduced, for example, the losses in the inverter and its performance can be increased accordingly. Adjusting the work cycles or how it works
  • the frequency of the pulse width modulated control can be adjusted almost continuously, but at least quasi-continuously.
  • the present invention allows a switching of individual system clocks can be performed at any time independently.
  • sensors can be exchanged, removed or added at will, without affecting other systems or their working cycles.
  • each system can be continuous
  • each intermediate interval is the same length.
  • the above object is achieved by a device for controlling an electric machine.
  • the device comprises at least one input which is set up to provide a current input signal for a current input interval.
  • the device has a calculation module which is set up for calculating intermediate values for future ones
  • the respective intermediate intervals are shorter than the input interval.
  • the calculation is carried out based on the current input signal. Furthermore, the calculation is based on at least one input signal lying in the past or at least one intermediate value lying in the past.
  • the device comprises a control module, which is set up for controlling the machine in a control interval based on an intermediate value valid for the control interval.
  • the rule interval is longer than the respective intermediate intervals.
  • the computation module comprises a field programmable logic gate array (FPGA).
  • FPGA field programmable logic gate array
  • Calculating the intermediate values can be significantly reduced. Thus, very short intermediate intervals can be used. Thus, each time point at which the control module requires corresponding data for controlling the machine, a corresponding current intermediate value is present.
  • the calculation module is preferably set up to extrapolate at least one intermediate value for at least one intermediate interval lying in the future.
  • the calculation module is arranged to extrapolate intermediate values based on interpolation based on the current input signal and at least one in the past
  • the apparatus further comprises a comparison module arranged to determine whether a difference consists of a following input signal provided for an input interval following the current input interval and a time-related computed one
  • the apparatus further comprises a compensation module arranged to perform a compensation of the delay in the input signal due to the propagation time.
  • the device preferably also has a memory module which is set up to provide the intermediate values to the control module. More preferably, the input signals are also stored in the memory module in order to be provided. Thus, all intermediate values are provided in the memory module.
  • the control module can access the memory module at a certain time to control the machine at a certain time, and read out a currently valid intermediate value. The control of the machine is preferably carried out subsequently based on this currently valid intermediate value.
  • the device has a plurality of inputs, each configured to provide a plurality of current ones
  • the calculation module calculates the respective intermediate values based on the respective current input signals for a common in the Future intermediate interval.
  • the current input intervals may be the same or different from each other.
  • the common intermediate interval is shorter than the respective current ones
  • the apparatus is arranged to perform one of the above-described methods for controlling an electric machine.
  • Interval intervals are preferably shorter than all other system cycles in the system.
  • the intermediate intervals are significantly shorter than the shortest clock of all input signals and control intervals of the system components.
  • the respective intermediate intervals may be less than 1 ms, preferably less than 1 ⁇ , more preferably less than 500 ns, more preferably less than 100 ns, more preferably less than 50 ns and most preferably less than 10 ns.
  • the current input intervals are integer multiples of the intermediate interval.
  • control interval is an integer multiple of
  • FIG. 1 shows schematically an electric drive system according to a preferred embodiment
  • Fig. 2 shows schematically the structure of a control of the electric drive system of Fig. 1
  • FIG. 3 schematically shows the time profile of values and signals according to a further preferred embodiment
  • FIG. 4 schematically shows the time course of values and signals according to a further preferred embodiment
  • FIG. 5 schematically shows the time profile of values and signals according to a further preferred embodiment.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a preferred embodiment of an electric drive system.
  • This comprises an electrical machine 30, which may be designed, for example, as an electric motor 30.
  • the motor 30 is controlled by means of a drive controller 20.
  • the drive controller 20 receives signals from various components 11, 12, 13, 14, which may include, for example, a higher-level PLC and various sensors or speed and position encoders. Each of the components 11, 12, 13, 14 can work internally with its own, individual cycle time. Corresponding to these cycle times, the components 11, 12, 13, 14 provide signals to corresponding inputs of the drive controller 20.
  • component 11 operates on a 25 kHz clock, thus providing its signals S A 0 at 40 ⁇ s intervals T A 0 , once per clock.
  • Component 12 operates at a 50 kHz clock, and thus provides in 20 ⁇ -
  • Component 14 operates on a 10 kHz clock, thus providing its signals S D 0 in ⁇ ⁇ intervals T D 0 .
  • the components can therefore each work with different cycle times or provide the signals at respectively different intervals.
  • FIG. 2 schematically shows the drive controller 20 from FIG.
  • the control of the motor 30 takes place by means of the control module 250, which also includes an output stage or an inverter for driving the electric machine 30.
  • the control module 250 may also operate at a different cycle time.
  • the components 11, 12, 13, 14 provide input signals S AD 0 to the drive controller 20, wherein this can be done with different clocks as described above.
  • the component 11 sets every 40 ⁇ a current input signal S A 0 to the
  • the input signal is fed to the interpolation module 211 where, due to its instantaneous value S 0 and at least one of its values from the past, S A becomes a
  • Interpolationstician for example, an interpolation polynomial is set.
  • a linear interpolation is preferred, which except the
  • a compensation module 221 the delay of the signals due to the line length or the transit time is compensated.
  • Compensation module 221 also other known delays of the component 11 can be compensated.
  • the input signals provided by the components 12, 13, 14 are also processed by the respective interpolation modules 212, 213, 214 and compensation modules 222, 223, 224 in the same way as the input signal provided by the component 11.
  • the input signals whose propagation delays are already compensated and whose interpolation functions are already known, are transferred to an extrapolation module 230.
  • the signals of the individual components 11, 12, 13, 14 are extrapolated to a common intermediate clock, for example with a common intermediate clock frequency of 2 MHz, so that a corresponding intermediate interval is 500 ns.
  • the course of the extrapolation is described below
  • the provisioning module can be designed as a data storage module and provide the extrapolated intermediate values S AD ex t to the control module 250.
  • the intermediate clock of the extrapolation module 230 is inventively faster than all other system cycles. In particular, the intermediate clock is faster than the control clock of the control module 250.
  • the provision module is always quasi-continuous in each
  • the control module 250 periodically accesses the provisioning module 240, and may, at almost any time, extract current intermediate values from the provisioning module 240.
  • the control module 250 can thus control the motor 30 independently of the individual input intervals or cycles of the components 11, 12, 13, 14.
  • the person skilled in the art understands that the runtime does not have to be compensated for every input signal. It is essential that the inputs are extrapolated to a common intermediate clock, so that the control module 250 quasi-continuous actual and / or desired values for controlling the motor 30 are provided.
  • certain modules of the device may be combined in a module or otherwise combined.
  • the compensation modules 221, 222, 223, 224 as
  • Calculation module in the sense of the present invention can be implemented.
  • FIG. 3 schematically shows the time profile of input signals and intermediate values according to an embodiment.
  • a current input signal S 0 is provided for a current input interval T 0 .
  • the length of the input interval is dependent on the respective signal-providing component.
  • an input interval comprises three
  • Intermediate intervals or extrapolation intervals T ex t are the same length, and may for example have a time length of 500 ns.
  • Past input signal Si which was provided at time t_i for the previous input interval Ti
  • corresponding intermediate values Si n t, o, i, Si n t, o, 2 and Si n t, o, 3 are calculated for the times t 0 , i, t 0, 2 and t 1, respectively
  • Control module 250 from FIG. 2 accesses the provisioning module 240, for example during the intermediate interval t 0, 2 ⁇ t ⁇ ti, and reads out the corresponding, currently valid intermediate value Si n t, o, 2. Subsequently, the machine is controlled based on this intermediate value Si n t, o, 2. At time ti, a new, for example, measured input signal Si is provided, and replaces the corresponding previously calculated intermediate value Sint, o, 3. This is followed by an extrapolation of the intermediate value Sint, i, i, Sint, i, 2 and Sint, i, 3 for the intermediate intervals t ⁇ t ⁇ ti, 2 and t 2 ⁇ t ⁇ ti, 2 .
  • FIG. 4 shows a situation similar to FIG. 3.
  • the values Sint, o, i, Sint, o, 2 are for the time points t 0, i and t is 0; 2, and then to the corresponding intermediate intervals, i ⁇ t ⁇ t 0, 2 and t is 0; 2 ⁇ t ⁇ ti valid.
  • a new input signal Si is provided for a subsequent input interval ⁇ .
  • this new input signal Si does not match the extrapolated value Sint, 3, o. Therefore, the extrapolated value Si n t, 3 , o is corrected to the value of the new input signal Si.
  • corrected value Si is thus provided for the intermediate interval ti ⁇ t ⁇ ti, i of the control unit 250.
  • a subsequent calculation, for example of the intermediate value Si n t, i, i, is then also based on the corrected value Si.
  • an input signal Si for the input interval ⁇ is provided and by means of interpolation for the time points t, t i, 2 (or for the intermediate intervals ti, i ⁇ t ⁇ ti, 2 and ti, 2 ⁇ t ⁇ t 2 ) calculates the intermediate values Sint, i, i and Sint, i, 2. Likewise, an extrapolated value Sint, i, 3 is calculated for the time t 2 .
  • a new input signal S 2 is provided. However, this input signal S 2 differs significantly from the corresponding, currently valid, calculated
  • Input signal S 2 and the temporally associated calculated intermediate value Si n t, i, 3 with a defined threshold value is detected that the provided new input signal S 2 is a statistical outlier or large
  • Probability is a faulty input signal.
  • an absolute difference or a relative change between the provided input signal and the projected intermediate value can be used as the threshold value.
  • Extrapolation such as the intermediate value Si n t, 2 , i, now takes place using the intermediate value Si n t, 3 , o.
  • the new, recognized as faulty input signal S 2 is discarded.
  • an electric machine 3 can be regulated based on a corresponding intermediate value Sint, independently of the operating cycle of the signal-providing components.
  • the drive controller 20 can be supplemented by additional modules to perform appropriate steps.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine. Das Verfahren umfasst dabei ein Bereitstellen eines momentanen Eingangssignals für ein momentanes Eingangsintervall. Ferner umfasst das Verfahren ein Berechnen von Zwischenwerten für in der Zukunft liegende Zwischenintervalle basierend auf dem momentanen Eingangssignal und entweder einem in der Vergangenheit liegenden Eingangssignal oder mindestens einem in der Vergangenheit liegenden Zwischenwert. Ferner umfasst das Verfahren ein Regeln der Maschine in einem Regelintervall basierend auf einem für das Regelintervall gültigen Zwischenwert. Die jeweiligen Zwischenintervalle sind dabei kürzer als das Eingangsintervall und das Regelintervall.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine
l. Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine. 2. Technischer Hintergrund
Moderne elektrische Antriebe mit beispielsweise Gleichstrom-, Wechselstromoder Drehstrommaschinen werden mittels entsprechender elektrischer
Antriebsregler geregelt. Die Antriebsregler ermöglichen es, die Drehzahl der Maschinen zu verstellen, oder auch eine Regelung der Drehzahl durchzuführen um z.B. Drehmomente zu begrenzen.
An einen Antriebsregler wird dabei häufig eine speicherprogrammierbare Steuerung (engl.: Programmable Logic Controller, PLC) angeschlossen, die eine Schnittstelle aufweist, über die ein Anwenderprogramm geladen werden kann. Viele gängige PLC-Steuerungen arbeiten zyklusorientiert, wobei das vom
Hersteller fest eingespeicherte Betriebssystem die Zykluszeit vorgibt. Typische Zykluszeiten liegen dabei zwischen 1-10 ms. Bei leistungsstärkeren Modellen können die Zykluszeiten auch im Bereich von 100 μβ liegen.
Ferner umfassen elektrische Antriebssysteme häufig Drehzahl- und Lagegeber. Solche Sensorsysteme erfassen die mechanischen Größen, wie Drehzahl und Lage der Maschine. Das präzise Erfassen dieser Werte ist erforderlich, um den Regler mit Ist-Werten des Zustandes der Maschine zu versorgen, und die vorhandenen entsprechenden Regelkreise zu schließen. Als Lagegeber können z.B. Resolver, Inkremental-, Sinus-Cosinus- oder EndDat-Geber verwendet werden. Der Arbeitstakt eines Sinus-Cosinus-Gebers, zum Beispiel, kann dabei typischerweise in dem Bereich von 1-62,5 μβ liegen. Der Zyklus der Ist-Wert-Erfassung hängt im Wesentlichen von dem verwendeten Sensorsystem ab. Eine Regelung kann dabei mehrere Sensoreingänge für verschiedene Sensorsysteme aufweisen, um die Maschine basierend auf den unterschiedlich erfassten Ist-Werten zu regeln. Ein analoger Sinus-Cosinus- Geber kann die entsprechenden Ist-Werte dem Antriebsregler vergleichsweise schnell zur Verfügung stellen. Digitale Sensorsysteme übertragen hingegen die Ist-Werte über serielle Schnittstellen, was eine gewisse Übertragungszeit erfordert. Weiterhin arbeitet jedes Sensorsystem typischerweise mit einer eigenen Zykluszeit, die insbesondere auch von der Schnelligkeit der internen Auswerteelektronik des Sensorsystems abhängt. Beispielsweise kann der Arbeitstakt eines beispielhaften EnDat-Positionssensors 25 μβ betragen.
Die Positions-/ Drehzahl- oder Stromregelung einer elektrischen Maschine erfolgt typischerweise mithilfe eines pulsbreitenmodulierten Wechselrichters. Diese Regelung wird häufig nach der benötigten Bandbreite eingestellt. Der entsprechende Arbeitstakt kann dabei im Bereich von 15,75 - 500 μβ liegen. Auch der Feldbustakt, bzw. der Takt mit dem Sollwerte an die Umrichter übergeben werden, kann individuell sein und beispielsweise zwischen 31,25 μβ und 10 ms liegen.
Um die verschiedenen Takte der einzelnen Komponenten miteinander zu koppeln, wird üblicherweise eine Komponente des gesamten Systems als Master ausgewählt, welcher einen Mastertakt vorgibt. Die Zyklen der übrigen
Komponenten werden daraufhin entsprechend eingestellt. Bei der Konfiguration des Mastertaktes müssen somit die Eigenschaften aller Komponenten berücksichtigt werden. Dies kann zu unerwünschten Einschränkungen führen, insbesondere wenn einzelne Komponenten nicht kontinuierlich, sondern im Start/Stopp-Betrieb arbeiten müssen, um dem Mastertakt zu folgen.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche eine effiziente Regelung einer elektrischen Maschine ermöglichen. Der Erfindung liegt dabei insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Regelungsverfahren und Vorrichtung zum Steuern einer elektrischen Maschine bereitzustellen, bei denen möglichst viele Komponenten wie z.B. Sensorsysteme unabhängig voneinander arbeiten können und insbesondere einzelne Systemtakte der Komponenten problemlos variiert werden können.
Diese und weitere Aufgaben, die aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden, werden durch das Verfahren gemäß Anspruch l und durch die
Vorrichtung gemäß Anspruch n gelöst.
3. Inhalt der Erfindung
Die oben genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Regeln einer elektrischen Maschine. Prinzipiell kann mittels dieses Verfahrens jede elektrische Maschine, und insbesondere Elektromotoren und elektrische Antriebe geregelt werden. Das Verfahren umfasst dabei ein Bereitstellen eines momentanen Eingangssignals für ein momentanes Eingangsintervall. Das momentane
Eingangssignal kann dabei ein von einem Sensorsystem erfasster Ist-Wert der Maschine sein, wie beispielsweise eine Ist-Lage der Maschine. Das momentane Eingangssignal kann von einem Sensorsystem oder auch von einer PLC bereitgestellt werden.
Das momentane Eingangsintervall kann dabei im Wesentlichen durch den Arbeitstakt des entsprechenden Systems definiert bzw. bestimmt sein, welches das momentane Eingangssignal bereitstellt. Wenn der Arbeitstakt des entsprechenden bereitstellenden Systems beispielsweise 40 μβ beträgt, entspricht das momentane Eingangsintervall diesen 40 μβ. Das Eingangssignal kann somit periodisch in 40^s-Intervallen bereitgestellt werden, der Arbeitstakt des Sensorsystems kann also beispielsweise 25 kHz betragen. Die Zeitpunkte, zu denen zwei Eingangssignale periodisch nacheinander bereitgestellt werden, können dabei das entsprechende Eingangsintervall definieren.
Das Verfahren umfasst ferner ein Berechnen von Zwischenwerten für in der Zukunft liegende Zwischenintervalle. Die jeweiligen Zwischenintervalle sind dabei kürzer als das Eingangsintervall. Vorzugsweise ist das Eingangsintervall ein ganzzahliges Vielfaches eines Zwischenintervalls. Zum Beispiel, wenn das momentane Eingangsintervall 40 μβ lang ist, werden 80 Zwischenwerte für zukünftige Zwischenintervalle berechnet, wobei die Zwischenintervalle jeweils 500 ns lang sein können und in dem Eingangsintervall liegen können.
Das Berechnen der Zwischenwerte erfolgt dabei basierend auf dem momentanen Eingangssignal, welches für das momentane Eingangsintervall bereitgestellt wurde. Ferner erfolgt das Berechnen basierend auf entweder mindestens einem in der Vergangenheit liegenden Eingangssignal oder mindestens einem in der Vergangenheit liegenden Zwischenwert. Somit wird die Berechnung basierend auf einer entsprechenden Historie der den Signalen bzw. Werten zugeordneten Daten bzw. Informationen durchgeführt, um zusammen mit dem bereitgestellten momentanen Eingangssignal Zwischenwerte für in der Zukunft liegende
Zwischenintervalle zu berechnen.
Ferner umfasst das Verfahren ein Regeln der Maschine in einem Regelintervall basierend auf einem für das Regelintervall gültigen Zwischenwert. So kann eine entsprechende Regelung der Maschine beispielsweise mit einer Regelfrequenz von 4 kHz erfolgen. Dementsprechend kann die Regelung der Maschine mit einem Regelintervall von 250 μβ erfolgen. Dabei kann beispielsweise eine Positions-, Drehzahl- oder Stromregelung, oder auch die Regelung einer pulsbreitenmodulierten Spannung der Maschine alle 250 μβ erfolgen. Das Regelintervall ist dabei länger als die jeweiligen Zwischenintervalle. Vorzugsweise ist das Regelintervall ein ganzzahliges Vielfaches eines Zwischenintervalls. Für das Regeln der Maschine kann ein zuvor berechneter Zwischenwert verwendet werden, welcher für das Regelintervall und vorzugsweise zu Beginn des
Regelintervalls gültig ist. Mittels der Erfindung kann somit vorteilhaft jede Komponente mit einem individuellen Takt arbeiten, welcher für die jeweilige Komponente optimal ist. Der individuelle Takt ist dabei unabhängig von dem jeweiligen Takt der anderen Komponenten. Da das Berechnen von Zwischenwerten mit einem Takt erfolgt, der schneller ist als die übrigen Systemzyklen, kann zum Regeln der Maschine jederzeit auf einen Zwischenwert zurückgegriffen werden, welcher wesentlich präziser ist, als ein zeitlich zurückliegendes zuletzt bereitgestellte momentanes Eingangssignal. Es muss ferner kein Mastertakt vorgegeben werden, welcher die unterschiedlichen Komponenten des Systems koppelt. Jedes Sensorsystem kann zum Beispiel in seinem eigenen Takt oder kontinuierlich Messwerte liefern, und muss nicht im Start-/Stopp-Betrieb arbeiten. Basierend auf diesen regelmäßig bereitgestellten Messwerten werden Zwischenwerte berechnet, welche dann zum Regeln der elektrischen Maschine verwendet werden. Hierbei ist der
Interpolationstakt zur Erzeugung der Zwischenwerte bevorzugt wesentlich kürzer als alle anderen Takte im System. Somit bilden die in den Interpolationstakten bzw. Zwischenintervallen berechneten Zwischenwerte ein quasikontinuierliches Informationsspektrum für die Regelung. Entsprechend erfolgt das Regeln der Maschine basierend auf einem jeweils zum Regelungszeitpunkt aktuellen
Zwischenwert. Vorteilhaft können damit Ist- und Sollwerte der Regelung mit einer hohen Frequenz generiert werden, und somit quasikontinuierlich für das Regeln der Maschine verwendet werden. Vorzugsweise umfasst das Berechnen von Zwischenwerten ein Extrapolieren zumindest eines Zwischenwertes für zumindest ein in der Zukunft liegendes Zwischenintervall. So kann basierend auf dem bereitgestellten momentanen Eingangssignal und einem oder mehreren bereitgestellten Eingangssignalen in einem oder mehreren in der Vergangenheit liegenden Eingangsintervallen ein Zwischenwert für ein in der Zukunft liegendes Zwischenintervall extrapoliert werden.
Bevorzugt erfolgt das Extrapolieren von Zwischenwerten auf der Basis einer Interpolation, die auf dem momentanen Eingangssignal und mindestens einem in der Vergangenheit liegenden Eingangssignal basiert ist. Diese Extrapolation kann beispielsweise aufgrund einer linearen Interpolation oder einer auf einem höhergradigen Polynom basierenden Interpolation von Eingangswerten aus der Vergangenheit durchgeführt werden. Somit ist es möglich, Zwischenwerte für zumindest ein in der Zukunft liegendes
Zwischenintervall schnell zu berechnen. Dadurch können mit einer kleinen Zeitrasterung viele Zwischenwerte berechnet werden, anhand derer die Maschine präzise, effizient und dynamisch geregelt werden kann. Vorzugsweise umfasst das momentane Eingangsintervall mehrere
Zwischenintervalle. Dabei wird für jedes Zwischenintervall des momentanen Eingangsintervalls ein Zwischenwert berechnet. Dabei kann das momentane Eingangsintervall vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches eines
Zwischenintervalls sein. Dabei sind ferner vorzugsweise die Zwischenintervalle gleich lang und haben beispielsweise jeweils eine Länge von 500 ns. Durch Berechnen von Zwischenwerten für jedes in dem momentanen Eingangssignal liegendes Zwischenintervall, können präzise Werte zum Regeln der Maschine bereitgestellt werden, welche unabhängig von dem momentanen
Eingangsintervall abgerufen werden können. Wenn sich das momentane
Eingangsintervall beispielsweise über 40 μβ erstreckt und jedes Zwischenintervall 500 ns lang ist, kann ein Zwischenwert für jedes der 80 Zwischenintervalle berechnet werden, welche in dem momentanen Eingangsintervall liegen. Daher kann quasi zu jedem Zeitpunkt in dem Eingangsintervall ein momentan gültiger bzw. aktueller Zwischenwert zum Regeln der Maschine herangezogen werden.
Vorzugsweise ersetzt ein momentanes Eingangssignal, das in einem momentanen Zwischenintervall bereitgestellt wird, einen entsprechenden zuvor berechneten Zwischenwert für das momentane Zwischenintervall. Das Bereitstellen des momentanen Eingangssignals kann dabei in einem momentanen
Zwischenintervall erfolgen, für welches zuvor bereits ein entsprechender
Zwischenwert berechnet wurde. Durch Ersetzen dieses zuvor berechneten Zwischenwertes durch das momentane Eingangssignal wird der zuvor berechnete Zwischenwert auf den tatsächlichen Wert des Eingangssignals (z.B. ein aktueller, tatsächlich gemessener Wert) korrigiert. Damit wird der momentane Ist-Zustand der Maschine in dem entsprechenden momentanen Zwischenintervall so gut wie möglich beschrieben.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Bereitstellen eines folgenden Eingangssignals für ein folgendes Eingangsintervall, welches dem momentanen Eingangsintervall folgt. Vorzugsweise weist das Verfahren weiter ein Bestimmen auf, ob eine Differenz aus dem folgenden Eingangssignal und einem zeitlich zugehörigen berechneten Zwischenwert größer ist, als ein definierter
Schwellenwert. Es wird also ein bereitgestelltes Eingangssignal mit einem entsprechenden Zwischenwert verglichen. Der entsprechende Zwischenwert wurde dabei für das Zwischenintervall berechnet, in welchem das folgende Eingangssignal bereitgestellt wird. Der Fachmann wird dabei, etwa in
Abhängigkeit der Messtoleranz, einen passenden Schwellenwert wählen. Dieser kann dabei absolut oder relativ vorgegeben werden.
Vorzugsweise wird, falls bestimmt wurde, dass die Differenz größer ist, als der Schwellenwert, das folgende Eingangssignal verworfen. Die weitere Berechnung von Zwischenwerten erfolgt nun anhand des entsprechenden Zwischenwertes, und nicht anhand des folgenden Eingangssignals. Andernfalls wird vorzugsweise, falls bestimmt wurde, dass die Differenz kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist, der entsprechende, zeitlich zugehörige, berechnete Zwischenwert durch das folgende Eingangssignal ersetzt. Somit können auf effiziente Weise Ausreißer in dem Eingangssignal erkannt und verworfen werden, so dass diese sich nicht negativ auf die Regelung der Maschine auswirken können. Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt einer Kompensation einer Verzögerung des Eingangssignals aufgrund der Laufzeit.. Die laufzeitbezogene Verzögerung im Eingangssignal, welches durch eine entsprechende
Systemkomponente bereitgestellt werden kann, wird somit kompensiert.
Bekannte Verzögerungen einer Systemkomponente können somit ebenfalls berücksichtigt werden, um präzise Werte zum Regeln der Maschine
bereitzustellen.
Vorzugsweise umfasst das Bereitstellen des momentanen Eingangssignals ein Bereitstellen von mehreren momentanen Eingangssignalen für jeweils momentane Eingangsintervalle. Es können beispielsweise Eingangssignale von zwei verschiedenen Sensorsystemen bereitgestellt werden, wobei jedes
Sensorsystem mit einer beliebigen Arbeitsfrequenz arbeiten und in
unterschiedlicher Frequenz entsprechende Eingangssignale bereitstellen kann. Der jeweilige Arbeitszyklus der bereitstellenden Systeme kann dabei gleich oder verschieden voneinander sein. Vorzugsweise erfolgt das Berechnen der jeweiligen Zwischenwerte basierend auf den jeweiligen momentanen Eingangssignalen für ein gemeinsames in der Zukunft liegendes Zwischenintervall. Das gemeinsame Zwischenintervall ist dabei kürzer als die jeweiligen momentanen
Eingangsintervalle. So können beispielsweise Zwischenwerte für jedes
Eingangssignal mit einem gemeinsamen Extrapolationstakt bereitgestellt werden. In jedem Zwischentakt, beispielsweise in jedem 500-ns-Intervall, liegen dann entsprechend extrapolierte Zwischenwerte für die jeweiligen Eingangssignale vor. Damit kann die Regelung auf ein quasikontinuierliches Informationsspektrum zugreifen, so dass einerseits die Regelung der Maschine sehr genau ist und andererseits die Komponenten, welche die Eingangssignale bereitstellen, unabhängig voneinander operieren und problemlos an einen Antriebsregler angeschlossen werden, oder von dieser entfernt werden, ohne den Antriebsregler aufwendig neu konfigurieren zu müssen. Zu jedem Zwischentakt wird dann für jedes Eingangssignal ein entsprechender extrapolierter Zwischenwert
bereitgestellt, welcher zum Regeln der Maschine verwendet werden kann.
Vorzugsweise werden, wenn mehrere Systeme oder Antriebe synchrone Aktionen ausführen sollen, die entsprechenden Sollwerte zeitgleich für die entsprechende Interpolation bereitgestellt und auf einen universellen gemeinsamen
Zwischentakt interpoliert bzw. extrapoliert.
Vorzugsweise ist das Regelintervall kontinuierlich verstellbar. Beispielsweise kann somit eine Frequenz einer pulsbreitenmodulierten Regelung stufenlos verstellt bzw. herabgesetzt werden. Dadurch können zum Beispiel temporär die Verluste im Umrichter reduziert werden und entsprechend seine Leistung erhöht werden. Ein Anpassen der Arbeitszyklen oder der Funktionsweise von
beispielsweise Sensorsystemen ist dabei nicht erforderlich. So kann bei genügend kurzen Zwischenintervallen die Frequenz der pulsbreitenmodulierten Regelung nahezu kontinuierlich, zumindest jedoch quasikontinuierlich verstellt werden.
Vorteilhafterweise erlaubt es die vorliegende Erfindung, dass eine Umschaltung einzelner Systemtakte jederzeit unabhängig voneinander durchgeführt werden kann. So können beispielsweise Sensoren beliebig ausgetauscht, entfernt oder hinzugefügt werden, ohne dass andere Systeme bzw. deren Arbeitstakte hierdurch beeinflusst werden. Ferner kann jedes System kontinuierlich
Eingangswerte bereitstellen und muss nicht eventgesteuert arbeiten. Dadurch kann die größtmögliche und aktuellste Informationsmenge zur Regelung der Maschine bereitgestellt werden.
Vorzugsweise erfolgen das Bereitstellen von Eingangssignalen und das Regeln der Maschine periodisch. Insbesondere vorzugsweise ist jedes Zwischenintervall gleich lang.
Weiterhin wird die oben genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine gelöst. Die Vorrichtung umfasst dabei zumindest einen Eingang, welcher eingerichtet ist, zum Bereitstellen eines momentanen Eingangssignals für ein momentanes Eingangsintervall. Ferner weist die Vorrichtung ein Berechnungsmodul auf, welches eingerichtet ist, zum Berechnen von Zwischenwerten für in der Zukunft liegende
Zwischenintervalle. Die jeweiligen Zwischenintervalle sind dabei kürzer als das Eingangsintervall. Das Berechnen erfolgt dabei basierend auf dem momentanen Eingangssignal. Ferner erfolgt das Berechnen basierend auf mindestens einem in der Vergangenheit liegenden Eingangssignal oder mindestens einem in der Vergangenheit liegenden Zwischenwert.
Ferner umfasst die Vorrichtung ein Regelungsmodul, welches eingerichtet ist, zum Regeln der Maschine in einem Regelintervall basierend auf einem für das Regelintervall gültigen Zwischenwert. Das Regelintervall ist dabei länger als die jeweiligen Zwischenintervalle.
Vorzugsweise umfasst das Berechnungsmodul eine im Feld programmierbare Logik-Gatter- Anordnung (englisch: Field Programmable Gate Array, FPGA). Durch den Einsatz der FPGA-Technologie kann die Berechnungszeit zum
Berechnen der Zwischenwerte erheblich reduziert werden. Somit können sehr kurze Zwischenintervalle verwendet werden. Damit liegt jedem Zeitpunkt, zu dem das Regelungsmodul entsprechende Daten zum Regeln der Maschine benötigt, ein entsprechender aktueller Zwischenwert vor. Vorzugsweise ist das Berechnungsmodul zum Extrapolieren zumindest eines Zwischenwertes für zumindest ein in der Zukunft liegendes Zwischenintervall eingerichtet.
Vorzugsweise ist das Berechnungsmodul eingerichtet zum Extrapolieren von Zwischenwerten auf der Basis einer Interpolation, dieauf dem momentanen Eingangssignal und mindestens einem in der Vergangenheit liegenden
Eingangssignal basiert.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung weiter ein Vergleichsmodul auf, welches eingerichtet ist zum Bestimmen, ob eine Differenz aus einem für ein in dem momentanen Eingangsintervall folgenden Eingangsintervall bereitgestellten folgenden Eingangssignal und einem zeitlich zugehörigen berechneten
Zwischenwert größer ist, als ein definierter Schwellenwert.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung weiterhin ein Kompensationsmodul auf, welches eingerichtet ist, zum Durchführen einer Kompensation der Verzögerung im Eingangssignal aufgrund der Laufzeit.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung weiterhin ein Speichermodul auf, welches eingerichtet ist, zum Bereitstellen der Zwischenwerte an das Regelungsmodul. Weiter bevorzugt werden im Speichermodul auch die Eingangssignale gespeichert, um bereitgestellt zu werden. In dem Speichermodul sind somit alle Zwischenwerte bereitgestellt. Das Regelungsmodul kann zum Regeln der Maschine in einem Regelintervall zu einem bestimmten Zeitpunkt auf das Speichermodul zugreifen, und einen momentan gültigen Zwischenwert auslesen. Das Regeln der Maschine erfolgt vorzugsweise anschließend basierend auf diesem aktuell gültigen Zwischenwert. Vorzugsweise weist die Vorrichtung mehrere Eingänge auf, die jeweils eingerichtet sind, zum Bereitstellen von mehreren momentanen
Eingangssignalen für jeweilige momentane Eingangsintervalle. Vorzugsweise berechnet dabei das Berechnungsmodul die jeweiligen Zwischenwerte basierend auf den jeweiligen momentanen Eingangssignalen für ein gemeinsames in der Zukunft liegendes Zwischenintervall. Die momentanen Eingangsintervalle können dabei gleich oder verschieden voneinander sein. Vorzugsweise ist das gemeinsame Zwischenintervall kürzer als die jeweiligen momentanen
Eingangsintervalle. Vorzugsweise ist die Vorrichtung eingerichtet, zum Durchführen eines der oben beschriebenen Verfahren zum Regeln einer elektrischen Maschine. Die
Zwischenintervalle sind vorzugsweise kürzer als alle anderen Systemzyklen in dem System. Insbesondere sind die Zwischenintervalle signifikant kürzer als der kürzeste Takt aller Eingangssignale und Regelintervalle der Systemkomponenten. Dabei können die jeweiligen Zwischenintervalle kleiner als l ms, vorzugsweise kleiner als ι μβ, weiter vorzugsweise kleiner als 500 ns, weiter vorzugsweise kleiner als 100 ns, weiter vorzugsweise kleiner als 50 ns und am meisten bevorzugt kleiner als 10 ns sein.
Bevorzugt sind die momentanen Eingangsintervalle ganzzahlige Vielfache vom Zwischenintervall.
Bevorzugt ist das Regelintervall ein ganzzahliges Vielfaches vom
Zwischenintervall.
4. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 schematisch ein elektrisches Antriebssystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform; Fig. 2 schematisch den Aufbau einer Regelung des elektrischen Antriebssystems aus Fig. 1; Fig. 3 schematisch den zeitlichen Verlauf von Werten und Signalen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 4 schematisch den zeitlichen Verlauf von Werten und Signalen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform; und Fig. 5 schematisch den zeitlichen Verlauf von Werten und Signalen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
5. Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
In der Figur l ist schematisch der Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform eines elektrischen Antriebsystems dargestellt. Dieses umfasst eine elektrische Maschine 30, welche beispielsweise als elektrischer Motor 30 ausgebildet sein kann. Der Motor 30 wird mittels eines Antriebsreglers 20 geregelt. Der
Antriebsregler 20 wird unten unter Bezugnahme auf Figur 2 näher beschrieben.
Der Antriebsregler 20 empfängt Signale von verschiedenen Komponenten 11, 12, 13, 14, welche beispielsweise eine übergeordnete PLC und verschiedene Sensoren bzw. Drehzahl- und Lagegeber umfassen können. Jede der Komponenten 11, 12, 13, 14 kann dabei intern mit einer eigenen, individuellen Zykluszeit arbeiten. Entsprechend diesen Zykluszeiten stellen die Komponenten 11, 12, 13, 14 Signale an entsprechende Eingänge des Antriebsreglers 20 bereit.
In diesem Beispiel arbeitet Komponente 11 mit einem 25-kHz-Takt, und stellt somit ihre Signale SA 0 in 40^s-Intervallen TA 0 bereit, also einmal pro Takt.
Komponente 12 arbeitet mit einem 50-kHz-Takt, und stellt somit in 20-μβ-
Intervallen TB 0 ihre Signale SB 0 bereit. Komponente 13 arbeitet mit einem
20-kHz-Takt, und stellt somit in so^s-Intervallen Tc 0 ihre Signale Sc 0 bereit.
Komponente 14 arbeitet mit einem 10-kHz-Takt, und stellt somit in ιοο-μβ- Intervallen TD 0 ihre Signale SD 0 bereit. Die Komponenten können daher jeweils mit unterschiedlichen Zykluszeiten arbeiten bzw. die Signale in jeweils unterschiedlichen Intervallen bereitstellen. In der Figur 2 ist der Antriebsregler 20 aus Figur l schematisch dargestellt.
Dieser umfasst Interpolationsmodule 211, 212, 213, 214, zur Interpolation von eingehenden Eingangssignalen T0, Kompensationsmodule 221, 222, 223, 224, zur Kompensation von Laufzeitunterschieden, ein Extrapolationsmodul 230, zur Extrapolation von Zwischenwerten Sint, ein Bereitstellungsmodul 240, zum Zwischenspeichern der Zwischenwerte Sint und ein Regelungsmodul 250, zur Ansteuerung des elektrischen Motors 30.
Die Regelung des Motors 30 erfolgt dabei mittels des Regelungsmoduls 250, das auch eine Endstufe bzw. einen Wechselrichter zum Ansteuern der elektrischen Maschine 30 enthält. Das Taktsystem des Regelungsmoduls 250 arbeitet in dem vorliegenden Beispiel mit einem 4-KHz-Takt, so dass ein Regelintervall von Tc = 250 μβ vorliegt. Das Regelungsmodul 250 kann selbstverständlich auch mit einer anderen Zykluszeit arbeiten.
Aufgrund der Takte TA D 0bzw. Zykluszeiten der Komponenten 11, 12, 13, 14 und des Regelungsmoduls 250 kann der Fall eintreten, dass zu Beginn eines
Regelintervalls Tc noch keine aktuellen, präzisen Werte SA D 0 von den
Komponenten 11, 12, 13, 14 vorliegen, sondern nur veraltete Werte SA Dieses Problem wird durch die vorliegende Erfindung gelöst.
Zum Regeln der Maschine 30 werden von den Komponenten 11, 12, 13, 14 Eingangssignale SA D 0 an den Antriebsregler 20 bereitgestellt, wobei dies, wie oben beschrieben, mit unterschiedlichen Takten erfolgen kann. Die Komponente 11 stellt dabei alle 40 μβ ein momentanes Eingangssignal SA 0 an den
Antriebsregler 20 bereit. Das Eingangssignal wird dem Interpolationsmodul 211 zugeführt, wo aufgrund seines momentanen bereitgestellten Wertes S0 und mindestens einem seiner Werte aus der Vergangenheit SA eine
Interpolationsfunktion, beispielsweise ein Interpolationspolynom, festgelegt wird. Dabei wird eine lineare Interpolation bevorzugt, die außer dem
momentanen bereitgestellten Eingangssignal nur das von der Komponente 11 einen Takt davor bereitgestellte Eingangssignal benötigt. Selbstverständlich sind auch andere Interpolationsverfahren möglich, beispielsweise eine exponentielle oder logarithmische Extrapolation. Anschließend wird in einem Kompensationsmodul 221 die Verzögerung der Signale aufgrund der Leitungslänge bzw. der Laufzeit kompensiert. Im
Kompensationsmodul 221 können auch andere bekannten Verzögerungen der Komponente 11 kompensiert werden. Gleichermaßen werden auch die von den Komponenten 12, 13, 14 bereitgestellten Eingangssignale jeweils mittels des entsprechenden Interpolationsmodule 212, 213, 214 und Kompensationsmodule 222, 223, 224 auf gleicher Weise bearbeitet, wie das von der Komponente 11 bereitgestellte Eingangssignal.
Anschließend werden die Eingangssignale, deren Laufzeitverzögerungen bereits kompensiert sind und deren Interpolationsfunktionen bereits bekannt sind, einem Extrapolationsmodul 230 übergeben. Mittels dieses Extrapolationsmoduls 230 werden die Signale der einzelnen Komponenten 11, 12, 13, 14 auf einen gemeinsamen Zwischentakt extrapoliert, beispielsweise mit einer gemeinsamen Zwischentaktfrequenz von 2 MHz, so dass ein entsprechendes Zwischenintervall 500 ns beträgt.Der Verlauf der Extrapolation wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf Figur 3 näher beschrieben. Anschließend werden die extrapolierten Zwischenwerte SA D ext an ein Bereitstellungsmodul 240
ausgegeben, wobei alle Bus- bzw. Systemlaufzeiten berücksichtigt und korrigiert sind. Das Bereitstellungsmodul kann dabei als Datenspeichermodul ausgeführt sein und die extrapolierten Zwischenwerte SA D ext an das Regelungsmodul 250 bereitstellen. Der Zwischentakt des Extrapolationsmoduls 230 ist dabei erfindungsgemäß schneller als alle anderen Systemzyklen. Insbesondere ist der Zwischentakt schneller als der Regeltakt des Regelungsmoduls 250. Damit stellt das Bereitstellungsmodul quasikontinuierlich stets in jedem
Zwischenintervallaktuelle Zwischenwerte der Regelung der elektrischen
Maschine zur Verfügung.
Das Regelungsmodul 250 greift periodisch auf das Bereitstellungsmodul 240 zu, und kann quasi jederzeit aktuelle Zwischenwerte von dem Bereitstellungsmodul 240 entnehmen. Das Regelungsmodul 250 kann somit unabhängig von den individuellen Eingangsintervallen bzw. Zyklen der Komponenten 11, 12, 13, 14 den Motor 30 steuern bzw. regeln. Der Fachmann versteht, dass nicht bei jedem Eingangssignal die Laufzeit kompensiert werden muss. Wesentlich ist, dass die Eingänge auf einen gemeinsamen Zwischentakt extrapoliert werden, sodass dem Regelungsmodul 250 quasikontinuierlich Ist- und/oder Sollwerte zur Regelung des Motors 30 bereitgestellt werden. Ferner können bestimmte Module der Vorrichtung in einem Modul zusammengefasst oder anderweitig kombiniert werden.
Beispielsweise können die Kompensationsmodule 221, 222, 223, 224 als
Bestandteile des Extrapolationsmoduls 230 implementiert werden, oder die Interpolationsmodule 211, 212, 213, 214 mit den Kompensationsmodulen 221, 222, 223, 224 und dem Interpolationsmodul 230 gemeinsam als
Berechnungsmodul im Sinne der vorliegenden Erfindung implementiert werden.
Figur 3 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf von Eingangssignalen und Zwischenwerten gemäß einer Ausführungsform. Zum Zeitpunkt t0 wird ein momentanes Eingangssignal S0 für ein momentanes Eingangsintervall T0 bereitgestellt. Die Länge des Eingangsintervalls ist dabei abhängig von der jeweiligen signalbereitstellenden Komponente. Die Komponente, wie z.B. ein Sensor, stellt periodisch Eingangssignale So, Sl, S2, etc. bereit, und zwar zu den Zeitpunkten t0, ti, t2, etc., wodurch die Länge eines Eingangsintervalls als T0= ti - t0, t2 - ti, etc. definiert ist. In dem dargestellten Beispiel umfasst ein Eingangsintervall drei
Zwischenintervalle bzw. Extrapolationsintervalle Text. Die Zwischenintervalle Text sind dabei gleich lang, und können z.B. eine zeitliche Länge von 500 ns haben.
Basierend auf dem momentanen Eingangssignal S0 und einem in der
Vergangenheit liegenden Eingangssignal S-i, welches zum Zeitpunkt t_i für das vorherige Eingangsintervall T-i bereitgestellt wurde, wird beispielsweise mittels linearer Interpolation ein Interpolationspolynom ersten Grades gebildet wie folgt:
Figure imgf000017_0001
mit Ät = t - 10 , wobei t laufende Zeit ist . Anschließend werden im Extrapolationsmodul 230 für die Zeitpunkte t0,i, t0;2 und ti entsprechende Zwischenwerte Sint,o,i , Sint,o,2 und Sint,o,3 berechnet bzw.
extrapoliert, indem in dem obigen Polynom Ät = Textk mit k =1,2,3 verwendet wird. Zum Regeln der elektrischen Maschine 30, beispielsweise mit dem
Regelungsmodul 250 aus Figur 2, greift dieses beispielsweise während des Zwischenintervalls t0;2<t<ti auf das Bereitstellungsmodul 240 zu, und liest den entsprechenden, aktuell gültige Zwischenwert Sint,o,2 aus. Anschließend wird basierend auf diesem Zwischenwert Sint,o,2 die Maschine geregelt. Zum Zeitpunkt ti wird ein neues, beispielsweise gemessenes Eingangssignal Si bereitgestellt, und ersetzt den entsprechenden, zuvor berechneten Zwischenwert Sint,o,3. Anschließend erfolgt erneut ein Extrapolieren des Zwischenwertes Sint,i,i , Sint,i,2 und Sint,i,3 für die Zwischenintervalle t <t<ti,2 und t2<t<ti,2.
Die Figur 4 zeigt eine ähnliche Situation wie die Figur 3. Ausgehend von dem Wert So, der zum Zeitpunkt t0 für das Eingangsintervall T0 bereitgestellt wird, und einem oder mehreren in der Vergangenheit liegenden Werten (in Figur 3 nicht gezeigt), werden unter Anwendung einer Interpolation drei extrapolierte Werte Sint,o,i, Sint,o,2 und Sint,o,3 berechnet. Die Werte Sint,o,i, Sint,o,2 sind für die Zeitpunkte t0,i und t0;2 und dann für die entsprechenden Zwischenintervalle to,i<t<t0,2 und t0;2<t<ti gültig. Zum Zeitpunkt ti wird ein neues Eingangssignal Si für ein folgendes Eingangsintervall ΊΊ bereitgestellt. Dieses neue Eingangssignal Si stimmt jedoch nicht mit dem extrapolierten Wert Sint,3,o überein. Daher wird der extrapolierten Wert Sint,3,o auf den Wert des neuen Eingangssignals Si korrigiert. Für die Regelung der Maschine wird somit für das Zwischenintervall ti<t<ti,i der Regeleinheit 250 korrigierte Wert Si bereitgestellt. Eine nachfolgende Berechnung, z.B. des Zwischenwertes Sint,i,i, basiert dann ebenfalls auf dem korrigierten Wert Si.
Figur 5 zeigt eine ähnliche Situation wie die Figuren 3 und 4. Zum Zeitpunkt ti wird ein Eingangssignal Si für das Eingangsintervall ΊΊ bereitgestellt, und mittels Interpolation werden für die Zeitpunkte t , ti;2 (bzw. für die Zwischenintervalle ti,i<t<ti,2 und ti,2<t<t2 ) die Zwischenwerte Sint,i,i und Sint,i,2 berechnet. Ebenso wird ein extrapolierter Wert Sint,i,3 für den Zeitpunkt t2 berechnet. Zum Zeitpunkt t2 wird ein neues Eingangssignal S2 bereitgestellt. Dieses Eingangssignal S2 weicht jedoch deutlich von dem entsprechenden, aktuell gültigen, berechneten
Zwischenwert Sint,i,3 ab. Durch einen Vergleich einer Differenz aus dem neuen
Eingangssignal S2 und dem zeitlich zugehörigen berechneten Zwischenwert Sint,i,3 mit einem definierten Schwellenwert wird erkannt, dass das bereitgestellte neue Eingangssignal S2 ein statistischer Ausreißer ist bzw. mit großer
Wahrscheinlichkeit ein fehlerhafte Eingangssignal ist. Als Schwellenwert kann beispielsweise eine absolute Differenz oder eine relative Änderung zwischen dem bereitgestellten Eingangssignal und dem hochgerechneten Zwischenwert verwendet werden.
Die folgende Berechnung von Zwischenwerten mittels Interpolation und
Extrapolation, etwa des Zwischenwertes Sint,2,i, erfolgt nun unter Verwendung des Zwischenwertes Sint,3,o. Das neue, als fehlerhaft erkannte Eingangssignal S2 wird verworfen.
Der Fachmann versteht, dass die unter Bezugnahme auf Figuren 3 bis 5 beschriebenen Verfahren einzeln oder in Kombination in dem Antriebsregler 20 aus Figur 2 implementiert werden können. Zu jedem Zeitpunkt kann eine elektrische Maschine 3 dabei basierend auf einem entsprechenden Zwischenwert Sint, unabhängig vom Arbeitstakt der signalbereitstellenden Komponenten geregelt werden. Der Antriebsregler 20 kann dazu um weitere Module ergänzt werden, um entsprechende Schritte durchzuführen.
Bezugszeichenliste:
11, 12, 13, 14 Komponente
20 Antriebsregler
30 Motor
211, 212, 213, 214 Interpolationsmodul
221, 222, 223, 224 Kompensationsmodul
230 Extrapolationsmodul
240 Bereitstellungsmodul O Regelungsmodul

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Regeln einer elektrischen Maschine, aufweisend die folgenden Schritte:
a. Bereitstellen eines momentanen Eingangssignals (S0) für ein
momentanes Eingangsintervall (T0);
b. Berechnen von Zwischenwerten (Sint) für in der Zukunft liegende Zwischenintervalle (Text) basierend auf dem momentanen
Eingangssignal (S0) und entweder mindestens einem in der
Vergangenheit liegenden Eingangssignal (S-0 oder mindestens einem in der Vergangenheit liegenden Zwischenwert (Sint), wobei die jeweiligen Zwischenintervalle (Text) kürzer als das
Eingangsintervall (T0) sind; und
c. Regeln der Maschine in einem Regelintervall (Tc) basierend auf einem für das Regelintervall (Tc) gültigen Zwischenwert (Sint), wobei das Regelintervall (Tc) länger als die jeweiligen Zwischenintervalle (Text) ist.
Verfahren nach Anspruch l, wobei das Berechnen von Zwischenwerten (Sint) ein Extrapolieren zumindest eines Zwischenwertes (Sint) für zumindest ein in der Zukunft liegendes Zwischenintervall (Text) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Extrapolieren von Zwischenwerten (Sint) auf der Basis einer Interpolation erfolgt, die auf dem momentanen Eingangssignal (S0) und mindestens einem in der Vergangenheit liegenden Eingangssignal (S-0 basiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei das momentane
Eingangsintervall (T0) mehrere Zwischenintervalle (Text) umfasst, und wobei für jedes Zwischenintervall (Text) des momentanen
Eingangsintervalls (T0) ein Zwischenwert (Sint) berechnet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei ein momentanes
Eingangssignal (S0), das in einem momentanen Zwischenintervall (Text) bereitgestellt wird, einen entsprechenden zuvor berechneten Zwischenwert (Sint) für das momentane Zwischenintervall (Text) ersetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, ferner aufweisend:
Bereitstellen eines folgenden Eingangssignals (S für ein, dem
momentanen Eingangsintervall (T0) folgenden Eingangsintervall (TO; Bestimmen, ob eine Differenz aus dem folgenden Eingangssignal (Si) und einem zeitlich zugehörigen berechneten Zwischenwert (Sint) größer ist, als ein definierter Schwellenwert, und
Verwerfen des folgenden Eingangssignals (SO falls bestimmt wurde, dass die Differenz größer ist, als der Schwellenwert, oder
Ersetzen des zeitlich zugehörigen berechneten Zwischenwerts (Sint) durch das folgende Eingangssignal (SO, falls bestimmt wurde, dass die Differenz kleiner oder gleich dem Schwellenwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, weiter aufweisend den Schritt einer Kompensation einer Verzögerung des Eingangssignals aufgrund der Laufzeit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das Bereitstellen des momentanen Eingangssignals (S0) ein Bereitstellen von mehreren momentanen Eingangssignalen (SA 0, SB 0) für jeweilige momentane
Eingangsintervalle (TA 0, TB 0) umfasst,
wobei das Berechnen der jeweiligen Zwischenwerte (SAint, SBint) basierend auf den jeweiligen momentanen Eingangssignalen (SA 0, SB 0) für ein gemeinsames in der Zukunft liegendes Zwischenintervall (Text) erfolgt, wobei die momentanen Eingangsintervalle (TA 0, TB 0) gleich oder verschieden voneinander sein können, und
wobei das gemeinsame Zwischenintervall (Text) kürzer als die jeweiligen momentanen Eingangsintervalle (TA 0, TB 0) ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, wobei das Regelintervall (Tc) kontinuierlich verstellbar ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, wobei das Bereitstellen von Eingangssignalen und das Regeln der Maschine periodisch erfolgen.
11. Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine, aufweisend:
a. Zumindest einen Eingang, eingerichtet zum Bereitstellen eines
momentanen Eingangssignals (S0) für ein momentanes Eingangsintervall (T0);
b. ein Berechnungsmodul, eingerichtet zum Berechnen von
Zwischenwerten (Sint) für in der Zukunft liegende Zwischenintervalle (Text) basierend auf dem momentanen Eingangssignal (S0) und mindestens einem in der Vergangenheit liegenden Eingangssignal (S-i) oder mindestens einem in der Vergangenheit liegenden Zwischenwert (Sint), wobei die jeweiligen Zwischenintervalle (Text) kürzer als das Eingangsintervall (T0) sind; und
c. ein Regelungsmodul (250), eingerichtet zum Regeln der Maschine in einem Regelintervall (Tc) basierend auf einem für das Regelintervall (Tc) gültigen Zwischenwert (Sint), wobei das Regelintervall (Tc) länger als die jeweiligen Zwischenintervalle (Text) ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Berechnungsmodul ein FPGA umfasst.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Berechnungsmodul eingerichtet ist zum Extrapolieren zumindest eines Zwischenwertes (Sint) für zumindest ein in der Zukunft liegendes Zwischenintervall (Text).
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-13, wobei das
Berechnungsmodul eingerichtet ist zum Extrapolieren von Zwischenwerten (Sint) aufgrund einer Interpolation, die auf dem momentanen
Eingangssignal (S0) und mindestens einem in der Vergangenheit liegenden Eingangssignal (S- basiert ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-14, weiter aufweisend ein Vergleichsmodul eingerichtet zum Bestimmen, ob eine Differenz aus einem für ein dem momentanen Eingangsintervall (T0) folgenden
Eingangsintervall (TO bereitgestellten folgenden Eingangssignal (Si) und einem zeitlich zugehörigen berechneten Zwischenwert (Sint) größer ist, als ein definierter Schwellenwert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-15, weiter aufweisend ein Kompensationsmodul, eingerichtet zum Durchführen einer Kompensation einer Verzögerung im Eingangssignal aufgrund der Laufzeit.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-16, weiter aufweisend
Bereitstellungsmodul (240), eingerichtet zum Bereitstellen der
Zwischenwerte (Sint) an das Regelungsmodul (250).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-17, wobei die Vorrichtung mehrere Eingänge aufweist, die jeweils eingerichtet sind zum Bereitstellen von mehreren momentanen Eingangssignalen (SA 0, SB 0) für jeweilige momentane Eingangsintervalle (TA 0, TB 0),
wobei das Berechnungsmodul die jeweiligen Zwischenwerte (SAint, SBint) basierend auf den jeweiligen momentanen Eingangssignalen (SA 0, SB 0) für ein gemeinsames in der Zukunft liegendes Zwischenintervall (Text) berechnet,
wobei die momentanen Eingangsintervalle (TA 0, TB 0) gleich oder verschieden voneinander sein können, und
wobei das gemeinsame Zwischenintervall (Text) kürzer als die jeweiligen momentanen Eingangsintervalle (TA 0, TB 0) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-18, wobei die Steuerung eingerichtet ist ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10
durchzuführen.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche l-io oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-19, wobei die jeweiligen Zwischenintervalle (Text) kleiner als 1 ms, vorzugsweise kleiner als 1 μβ, weiter vorzugsweise kleiner als 500 ns, weiter vorzugsweise kleiner als 100 ns, weiter vorzugsweise kleiner als 50 ns, und am meisten bevorzugt kleiner als 10 ns sind.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10 oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-19, wobei die momentanen Eingangsintervalle (TA 0, TB 0) ganzzahlige Vielfache vom Zwischenintervall (Text) sind.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10 oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-19, wobei das Regelintervall (Tc) ein ganzzahliges Vielfaches vom Zwischenintervall (Text) ist.
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