WO2023094605A1 - Verfahren zum betreiben eines elektrischen antriebssystems und elektrisches antriebssystem - Google Patents

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    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/0004—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
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    • H02P23/0031—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control implementing a off line learning phase to determine and store useful data for on-line control

Definitions

  • the object of the invention is to provide a method for operating an electric drive system and an electric drive system which ensure the most stable possible operation of the electric drive system.
  • the method is used to operate an electric drive system, the electric drive system having a first controlled system with a first controller.
  • the first controller can be parameterized automatically, with the automatic parameterization of the first controller having the following steps: a) configuring the first controller as a conventional two-point controller, b) specifying a setpoint, c) measuring the dynamic variables that arise in the first controlled system, d) calculating controller parameters of a specified type of the first controller depending on the measured dynamic variables of the first controlled system and optionally depending on data derived from the measurement, e) configuring the first controller to the specified type of first controller, and f) adjusting the calculated controller parameters of the first controller.
  • the first controlled system is a position controlled system and the first controller is a position controller, the dynamic variables of the position controlled system being a frequency and/or an amplitude of an occurring position oscillation of the position controlled system.
  • the first controlled system is a speed controlled system and the first controller is a speed controller, with the dynamic variables of the speed controlled system being a frequency and/or an amplitude of a speed oscillation that occurs in the speed controlled system.
  • the first controlled system is a current controlled system and the first controller is a current controller, the dynamic variables of the current controlled system being a frequency and/or an amplitude of a current oscillation that occurs in the current controlled system.
  • a manipulated variable of the speed controller can be a current or a corresponding torque, with the current or the torque being limited to a maximum current or a maximum torque for the automatic parameterization of the speed controller.
  • the electric drive system has a second controlled system with a second controller, with the second controlled system being connected downstream of the first controlled system.
  • the method has the following steps: automatic parameterization of the second controller by means of the steps: configuring the second controller as a two-point controller, specifying a setpoint for the second controller, measuring the dynamic variables that occur in the second controlled system, calculating controller parameters of a specified type of the second controller as a function of the measured dynamic variables of the second controlled system, configuring the second controller to the specified type, and setting the calculated controller parameters.
  • the second controlled system can be a speed controlled system, for example, with the first controlled system being a position controlled system in this case.
  • the second controlled system can be a current controlled system, for example, with the first controlled system being a speed controlled system in this case.
  • further cascaded controlled systems can be present in addition to the second controlled system.
  • a cascade from outside to inside of the following controlled systems is conceivable: position controlled system, speed controlled system and current controlled system.
  • the specified type of the first controller and/or the specified type of the second controller is a PID controller, the controller parameters of the respective PID controller being the controller gain, the controller reset time and the controller derivative action time.
  • controller parameters of the specified type of the first controller and/or the specified type of the second controller are calculated according to Ziegler-Nichols and/or according to Chien, Hrones and Reswick.
  • steps a) to c) are repeated one or more times if the configuration of the two-point controller has changed, with the controller parameters then being calculated in step d) as a function of the dynamic variables of the speed controlled system, the arise from the different configurations of the two-position controller.
  • the electric drive system is designed to carry out the method described above.
  • the method is preferably used to operate an electric drive system, the electric drive system having a conventional position control system with a position controller, which together form a position control loop, and a conventional downstream speed control system with a speed controller, which together form a speed control loop.
  • the speed control loop can be followed by a current control loop with a current controller and a current control path, with the position controller, the speed controller and/or the current controller being able to be parameterized automatically according to the invention.
  • the cascaded control of drive systems is often set heuristically in the two cascades, position and speed control or speed and current control. However, these two controllers cannot be set independently of one another, but are coupled.
  • the present invention simplifies the parameterization of the two control circuits in that the cascaded control is controlled in sections for a short time by a two-point control. An optimal controller setting is thus automatically determined within a very short time.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a speed control loop with a conventional self-adjusting speed controller
  • FIG. 2 is a highly schematic block diagram of an electric drive system, the electric drive system having a position control circuit with a position control system and a position controller and a downstream speed control circuit with a speed control system and a speed controller.
  • the speed controller 2 can be configured as a two-point controller 2a or as a PID controller 2b.
  • FIG. 2 shows a highly schematic block diagram of an electric drive system 100, the electric drive system 100 having a position control circuit with a position control system 4 and a position controller 1 and a downstream speed control circuit with a speed control system 3 and a speed controller 2, see also 1
  • the automatic setting of the respective controller parameters of the controllers 1 and 2 of the electric drive system 100 shown in FIG. 2 takes place in two steps.
  • One of the two steps is the automatic parameterization of the speed control loop, which is described below with reference to FIG.
  • the PID speed controller 2b provided for operation is replaced by the two-point speed controller 2a. Any speed setpoint and a maximum Current or a maximum torque is specified, which determines the amplitude of the two-point controller 2a.
  • the position controller 1 is deactivated in this step.
  • u(t) For the manipulated variable u(t), see Fig. 1, a square-wave oscillation with the period Tp results with a maximum modulation d of the setpoint torque.
  • the fundamental wave of the square-wave oscillation the fundamental wave of the square-wave oscillation:
  • the critical controller gain K crit of the control loop is then:
  • a stable parameterization of the speed control circuit results, for example with the setting rules according to Ziegler-Nichols or Chien, Hrones, Reswick.
  • Ziegler-Nichols can be used:
  • the controller parameters of the position controller 1 are determined analogously to the procedure for the speed controller 2. The prerequisite for this is that the controller parameters of the speed controller 2b have already been determined.
  • the position control system 4 consists of the series connection of the speed controller 2, the current controller (not shown explicitly) and the mechanical system.
  • switch 5 is set to the lower position and, as described above, a speed setpoint is specified in order to determine the controller parameters of speed controller 2b via the ratios that arise from excitation and system output.
  • the switch 5 is placed in the upper position and the switch 6 in the lower position in order to determine the controller parameters for the position controller 1b. Both switches 5, 6 are then in the upper position for operation and the cascaded control is active. Each of the lower switch positions requires only a few milliseconds in the respective on-off controller mode.
  • the amplitude of the two-point controller 1a or 2a can be determined automatically.
  • the amplitude must neither be so large that further limitations of the drive system come into play (voltage limits, current limits, ...), nor must it be too small to achieve an acceptable signal-to-noise ratio.
  • the invention makes it possible to set the speed controller 2b and the position controller 1b for simple controlled systems within a few milliseconds without knowing the system parameters and, if necessary, to determine the course of the stability limit from this. Expert knowledge is not required for recruitment. The same applies to the current controller, which is not explicitly shown, and whose controller parameters can be determined in the same way.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems (100), wobei das elektrische Antriebssystem (100) eine erste Regelstrecke mit einem ersten Regler (1) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: - automatisches Parametrieren des ersten Reglers (1) mittels der Schritte: a) Konfigurieren des ersten Reglers (1) als Zweipunktregler (1a), b) Vorgeben eines Sollwerts für den ersten Regler (1), c) Messen von sich einstellenden dynamischen Größen der ersten Regelstrecke, d) Berechnen von Reglerparametern eines vorgegebenen Typs (1b) des ersten Reglers (1) in Abhängigkeit von den gemessenen dynamischen Größen der ersten Regelstrecke, e) Konfigurieren des ersten Reglers (1) auf den vorgegebenen Typ (1b), und f) Einstellen der berechneten Reglerparameter.

Description

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems und elektrisches Antriebssystem
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen An- triebssystems und ein elektrisches Antriebssystem zur Verfügung zu stellen, die einen mög- lichst stabilen Betrieb des elektrischen Antriebssystems sicherstellen.
Das Verfahren dient zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems, wobei das elektrische Antriebssystem eine erste Regelstrecke mit einem ersten Regler aufweist.
Erfindungsgemäß kann der erste Regler automatisch parametriert werden, wobei das automati- sche Parametrieren des ersten Reglers folgende Schritte aufweist: a) Konfigurieren des ersten Reglers als herkömmlichen Zweipunktregler, b) Vorgeben eines Sollwerts, c) Messen von sich einstellenden dynamischen Größen der ersten Regelstrecke, d) Berechnen von Reglerparame- tern eines vorgegebenen Typs des ersten Reglers in Abhängigkeit von den gemessenen dyna- mischen Größen der ersten Regelstrecke und optional in Abhängigkeit von Daten, die aus der Messung abgeleitet werden, e) Konfigurieren des ersten Reglers auf den vorgegebenen Typ des ersten Reglers, und f) Einstellen der berechneten Reglerparameter des ersten Reglers.
In einer Ausführungsform ist die erste Regelstrecke eine Positionsregelstrecke und der erste Regler ist ein Positionsregler, wobei die dynamischen Größen der Positionsregelstrecke eine Frequenz und/oder eine Amplitude einer sich einstellenden Positionsschwingung der Positions- regelstrecke sind. Alternativ ist die erste Regelstrecke eine Drehzahlregelstrecke und der erste Regler ist ein Drehzahlregler, wobei die dynamischen Größen der Drehzahlregelstrecke eine Frequenz und/oder eine Amplitude einer sich einstellenden Drehzahlschwingung der Drehzahl- regelstrecke sind. Alternativ ist die erste Regelstrecke eine Stromregelstrecke und der erste Regler ist ein Stromregler, wobei die dynamischen Größen der Stromregelstrecke eine Fre- quenz und/oder eine Amplitude einer sich einstellenden Stromschwingung der Stromregelstre- cke sind. Eine Stellgröße des Drehzahlreglers kann ein Strom bzw. ein entsprechendes Dreh- moment sein, wobei zum automatischen Parametrieren des Drehzahlreglers der Strom bzw. das Drehmoment auf einen maximalen Strom bzw. ein maximales Drehmoment begrenzt wird.
In einer Ausführungsform weist das elektrische Antriebssystem eine zweite Regelstrecke mit einem zweiten Regler auf, wobei die zweite Regelstrecke der ersten Regelstrecke nachgeschal- tet ist. Das Verfahren weist die weiteren Schritte: automatisches Parametrieren des zweiten Reglers mittels der Schritte: Konfigurieren des zweiten Reglers als Zweipunktregler, Vorgeben eines Sollwerts für den zweiten Regler, Messen von sich einstellenden dynamischen Größen der zweiten Regelstrecke, Berechnen von Reglerparametern eines vorgegebenen Typs des zweiten Reglers in Abhängigkeit von den gemessenen dynamischen Größen der zweiten Re- gelstrecke, Konfigurieren des zweiten Reglers auf den vorgegebenen Typ, und Einstellen der berechneten Reglerparameter. Die zweite Regelstrecke kann beispielsweise eine Drehzahlre- gelstrecke sein, wobei für diesen Fall die erste Regelstrecke eine Positionsregelstrecke ist. Al- ternativ kann die zweite Regelstrecke beispielsweise eine Stromregelstrecke sein, wobei für diesen Fall die erste Regelstrecke eine Drehzahlregelstrecke ist. Es versteht sich, dass zusätz- lich zur zweiten Regelstrecke noch weitere kaskadierte Regelstrecken vorhanden sein können. Beispielsweise ist eine Kaskade (von außen nach innen) folgender Regelstrecken denkbar: Po- sitionsregelstrecke, Drehzahlregelstrecke und Stromregelstrecke.
In einer Ausführungsform ist der vorgegebene Typ des ersten Reglers und/oder der vorgegebe- ne Typ des zweiten Reglers ein PID-Regler, wobei die Reglerparameter des jeweiligen PID- Reglers die Regler-Verstärkung, die Regler-Nachstellzeit und die Regler-Vorhaltezeit sind.
In einer Ausführungsform erfolgt das Berechnen der Reglerparameter des vorgegebenen Typs des ersten Reglers und/oder des vorgegebenen Typs des zweiten Reglers gemäß Ziegler- Nichols und/oder gemäß Chien, Hrones und Reswick.
In einer Ausführungsform werden vor dem Ausführen des Schritts d) die Schritte a) bis c) bei einer veränderten Konfiguration des Zweipunktreglers ein- oder mehrmals wiederholt, wobei anschließend im Schritt d) die Reglerparameter in Abhängigkeit von den dynamischen Größen der Drehzahlregelstrecke berechnet werden, die sich bei den unterschiedlichen Konfigurationen des Zweipunktreglers ergeben.
Das elektrische Antriebssystem ist zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens aus- gebildet.
Bevorzugt dient das Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems, wobei das elektrische Antriebssystem eine herkömmliche Positionsregelstrecke mit einem Positionsregler, die gemeinsam einen Positionsregelkreis bilden, und eine herkömmliche nachgeschaltete Drehzahlregelstrecke mit einem Drehzahlregler aufweist, die gemeinsam einen Drehzahlregel- kreis bilden. Dem Drehzahlregelkreis kann ein Stromregelkreis mit einem Stromregler und einer Strom regelstrecke nachgeschaltet sein, wobei der Positionsregler, der Drehzahlregler und/oder der Stromregler erfindungsgemäß automatisch parametriert werden können. Hinsichtlich der grundlegenden Struktur und Eigenschaften derartiger kaskadierter Regelstrecken sei auch auf die relevante Fachliteratur verwiesen. Die Einstellung der kaskadierten Regelung von Antriebssystemen wird in den beiden Kaskaden, Lage- und Drehzahlregelung bzw. Drehzahl- und Stromregelung, häufig heuristisch durchge- führt. Diese beiden Regler sind jedoch nicht unabhängig voneinander einzustellen, sondern gekoppelt. Die vorliegende Erfindung vereinfacht die Parametrierung der beiden Regelkreise, indem die kaskadierte Regelung abschnittsweise für kurze Zeit durch eine Zweipunktregelung geregelt wird. Eine optimale Regler-Einstellung wird somit innerhalb kürzester Zeit automatisch ermittelt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Drehzahlregelkreises mit einem herkömmlichen selbst- einstellenden Drehzahlregler, und
Fig. 2 hoch schematisch ein Blockschaltbild eines elektrischen Antriebssystems, wobei das elektrische Antriebssystem einen Positionsregelkreis mit einer Positionsre- gelstrecke und einem Positionsregler aufweist und einen nachgeschalteten Drehzahlregelkreis mit einer Drehzahlregelstrecke und einem Drehzahlregler aufweist.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Drehzahlregelkreises mit einem selbst-einstellenden Dreh- zahlregler 2 und einer Drehzahlregelstrecke 3. Der Drehzahlregler 2 kann als Zweipunktregler 2a oder als PID-Regler 2b konfiguriert werden.
Fig. 2 zeigt hoch schematisch ein Blockschaltbild eines elektrischen Antriebssystems 100, wo- bei das elektrische Antriebssystem 100 einen Positionsregelkreis mit einer Positionsregelstre- cke 4 und einem Positionsregler 1 aufweist und einen nachgeschalteten Drehzahlregelkreis mit einer Drehzahlregelstrecke 3 und einem Drehzahlregler 2 aufweist, siehe hierzu auch Fig. 1.
Die automatische Einstellung der jeweiligen Reglerparameter der Regler 1 und 2 des in Fig. 2 gezeigten elektrischen Antriebssystems 100 erfolgt in zwei Schritten.
Einer der beiden Schritte ist die automatische Parametrierung des Drehzahlregelkreises, die unter Bezugnahme auf Fig. 2 nachfolgend beschrieben wird.
Zuerst wird der für den Betrieb vorgesehene PID-Drehzahlregler 2b durch den Zweipunkt- Drehzahlregler 2a ersetzt. Es wird dann ein beliebiger Drehzahlsollwert und ein maximaler Strom bzw. ein maximales Drehmoment vorgegeben, der bzw. das die Amplitude des Zwei- punktreglers 2a bestimmt. Der Positionsregler 1 ist in diesem Schritt deaktiviert. Für die Stell- größe u(t), siehe Fig. 1 , ergibt sich mit einer maximalen Aussteuerung d des Sollmoments eine Rechteckschwingung mit der Periodendauer Tp. Für die Grundwelle der Rechteckschwingung gilt nach der Fourier-Reihe dann:
Figure imgf000006_0001
Durch das anzunehmende Tiefpassverhalten der Drehzahlregelstrecke 3, die im gezeigten Fall eine Reihenschaltung aus einer Stromregelung und mechanischer Strecke darstellt, ergibt sich als auszuwertende dynamische Größe der Drehzahlregelstrecke y(t) ein sinusförmiger Verlauf.
Die Amplitude der auszuwertenden dynamischen Größe der Drehzahlregelstrecke y(t) sei y. Dann ergibt sich die kritische Reglerverstärkung KKrit des Regelkreises zu:
Figure imgf000006_0002
Mit der ermittelten kritischen Periodendauer des Regelkreises Tp ergibt sich beispielsweise mit den Einstellregeln nach Ziegler-Nichols oder Chien, Hrones, Reswick eine stabile Parametrie- rung des Drehzahlregelkreises. Beispielsweise kann Ziegler-Nichols verwendet werden:
Figure imgf000006_0003
Die Ermittlung der Reglerparameter des Positionsreglers 1 erfolgt analog zum Vorgehen für den Drehzahlregler 2. Voraussetzung hierfür ist, dass die Reglerparameter des Drehzahlreglers 2b bereits ermittelt wurden. Die Positionsregelstrecke 4 setzt sich zusammen aus der Reihenschal- tung von Drehzahlregler 2, Stromregler (nicht explizit dargestellt) und der mechanischen Stre- cke.
Zuerst wird zur automatischen Regler-Parametrierung der Schalter 5 auf die untere Stellung gebracht und wie oben beschrieben ein Drehzahlsollwert vorgegeben, um über die sich einstel- lenden Verhältnisse aus Anregung und Streckenausgang die Reglerparameter des Drehzahl- reglers 2b zu ermittelt.
Anschließend wird der Schalter 5 in die obere Stellung gebracht und der Schalter 6 in die untere Stellung, um die Reglerparameter für den Positionsregler 1 b zu ermitteln. Für den Betrieb befinden sich dann beide Schalter 5, 6 in der oberen Stellung und die kaska- dierte Regelung ist aktiv. Für jede der unteren Schalterstellungen sind nur wenige Millisekunden im jeweiligen Zweipunktregler-Modus erforderlich.
Erfindungsgemäß kann die Amplitude der Zweipunktregler 1a bzw. 2a automatisch ermittelt werden. Die Amplitude darf weder so groß sein, dass weitere Begrenzungen des Antriebssys- tems greifen (Spannungsgrenzen, Stromgrenzen, ...), noch darf sie zu gering sein, damit sich ein akzeptables Signal-Rausch-Verhältnis einstellt.
Auch mehrere Messungen mit unterschiedlichen Amplituden hintereinander kommen in Frage, um eine optimale Regelung auch für ausgeprägte Nichtlinearitäten zu finden. Das heißt man würde mit mehreren Amplituden messen und jedes Mal einen Regler auslegen und bspw. den wählen, der in allen Punkten stabil ist.
Die Erfindung ermöglicht es, den Drehzahlregler 2b und den Positionsregler 1b für einfache Regelstrecken, ohne Kenntnis der Streckenparameter innerhalb weniger Millisekunden einzu- stellen und gegebenenfalls hieraus den Verlauf der Stabilitätsgrenze zu ermitteln. Ein Exper- tenwissen ist für die Einstellung nicht notwendig. Entsprechendes gilt für den nicht explizit dar- gestellten Stromregler, dessen Reglerparameter auf die gleiche Art und Weise ermittelbar sind.

Claims

- 6 -
Patentansprüche Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems (100), wobei das elektrische Antriebssystem (100) eine erste Regelstrecke mit einem ersten Regler (1) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: automatisches Parametrieren des ersten Reglers (1) mittels der Schritte: a) Konfigurieren des ersten Reglers (1) als Zweipunktregler (1a), b) Vorgeben eines Sollwerts für den ersten Regler (1), c) Messen von sich einstellenden dynamischen Größen der ersten Regelstrecke, d) Berechnen von Reglerparametern eines vorgegebenen Typs (1b) des ersten Reg- lers (1) in Abhängigkeit von den gemessenen dynamischen Größen der ersten Re- gelstrecke, e) Konfigurieren des ersten Reglers (1) auf den vorgegebenen Typ (1b), und f) Einstellen der berechneten Reglerparameter. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Regelstrecke eine Positionsregelstrecke ist und der erste Regler (1) ein Positi- onsregler ist, wobei die dynamischen Größen der Positionsregelstrecke eine Frequenz und/oder eine Amplitude einer sich einstellenden Positionsschwingung der Positionsre- gelstrecke sind, oder die erste Regelstrecke eine Drehzahlregelstrecke ist und der erste Regler (1) ein Dreh- zahlregler ist, wobei die dynamischen Größen der Drehzahlregelstrecke eine Frequenz und/oder eine Amplitude einer sich einstellenden Drehzahlschwingung der Drehzahlregel- strecke sind, oder die erste Regelstrecke eine Stromregelstrecke ist und der erste Regler (1) ein Stromregler ist, wobei die dynamischen Größen der Stromregelstrecke eine Frequenz und/oder eine Amplitude einer sich einstellenden Stromschwingung der Strom regelstrecke sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Antriebssystem (100) eine zweite Regelstrecke mit einem zweiten Regler (2) aufweist, wobei die zweite Regelstrecke der ersten Regelstrecke nachgeschaltet ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: automatisches Parametrieren des zweiten Reglers (2) mittels der Schritte:
Konfigurieren des zweiten Reglers (2) als Zweipunktregler (2a),
Vorgeben eines Sollwerts für den zweiten Regler (2),
Messen von sich einstellenden dynamischen Größen der zweiten Regelstrecke, - 7 -
Berechnen von Reglerparametern eines vorgegebenen Typs (2b) des zweiten Reg- lers (1) in Abhängigkeit von den gemessenen dynamischen Größen der zweiten Regelstrecke,
Konfigurieren des zweiten Reglers (1) auf den vorgegebenen Typ (2b), und Einstellen der berechneten Reglerparameter. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Typ (1b) des ersten Reglers (1) und/oder der vorgegebene Typ (2b) des zweiten Reglers (2) ein PID-Regler ist, wobei die Reglerparameter des PID-Reglers die Regler-Verstärkung, die Regler-Nachstellzeit und die Regler-Vorhaltezeit sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Reglerparameter des vorgegebenen Typs (1b) des ersten Reglers (1) und/oder des vorgegebenen Typs (2b) des zweiten Reglers (2) gemäß Ziegler-Nichols und/oder gemäß Chien, Hrones und Reswick erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausführen des Schritts d) die Schritte a) bis c) bei einer veränderten Konfigurati- on des Zweipunktreglers ein- oder mehrmals wiederholt werden, wobei anschließend im Schritt d) die Reglerparameter in Abhängigkeit von den dynamischen Größen der Dreh- zahlregelstrecke berechnet werden, die sich bei den unterschiedlichen Konfigurationen des Zweipunktreglers ergeben. Elektrisches Antriebssystem (100), wobei das elektrische Antriebssystem (100) zur Durch- führung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
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