DE2404918A1

DE2404918A1 - Selbstanpassendes geschwindigkeitsregelsystem fuer einen gleichstromelektromotor

Info

Publication number: DE2404918A1
Application number: DE19742404918
Authority: DE
Inventors: Bernard Courtiol
Original assignee: Cegelec SA
Current assignee: Cegelec SA
Priority date: 1973-02-16
Filing date: 1974-02-01
Publication date: 1974-08-29
Also published as: IT1014561B; GB1451536A; FR2218689B1; FR2218689A1; JPS49113119A; NL7402156A

Description

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1. Feb. 1974

SOCIETE OSEERAIE DE CONSTRUCTIOFS ELECTRIQÜES ET MEGAFIQUES ALSTHOII 38 Avenue Kleber, 75784 PARIS CEDEX 16 (Frankreich)

SEIBSTAiTPASSENDES GSSCILTIEDIGKEITSREGELSYSTSM J¹UR EDSEIT

GLEICHSTROMELEKTROMOTOR

Die Erfindung betrifft ein selbstanpassendes Geschv/indigkeitsregelsystem für Gleiclistromelektromotoren.

Es ist bekannt, dass die Geschwindigkeit eines Gleichstrommotors mit Hilfe zweier Regler mit proportionaler und integraler "Jirkung (Pi) oder mit proportionaler, integraler und differentieller Wirkung (PID) geregelt v/erden kann, die über zwei ineinander greifende Regelschleifen einerseits den Induktionsstrom des Motors und andererseits seine Rotationsgeschwindigkeit steuern.

'.7enn die Betriebsbedingungen des Motors stark variieren (Veränderungen der Trägheit der Last, der Reibung, der

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Speisespannung usw.), so Btellt man das Proportions- und Integrationsverhalten der Begier auf bestimmte Werte ein,·die den Durchschnittsbetriebsbedingiingen des Motors entsprechen, damit die Stabilität des geregelten Systems stets gewährleistet ist» Polglich ist die Qualität der Reglung je-nach dem Zustand des gesteuerten Ablaufs (Motor unter Vollast, unter mittlerer Last oder im Leerlauf beispielsweise) sehr unterschiedlich, und man kann die dem verwendeten Regelsystem innewohnenden Kö*glichkeiten nicht maximal nutzen.

Die Erfindung l'dst die Aufgabe, konstantes Regelverhalten zu erzielen unabhängig von den Veränderungen der Betriebsbedingungen des Motors, ohne während de.s Regelvorgangs andere Informationen über den Prozess zur Verfugung stellen zu müssen als das Messen des Ankerstroms und die Eotationsgeschwindigkeit.

Hierzu sieht die Erfindung ein Regelsystem zur Regelung der Rotationsgeschwindigkeit eines Gleichstromelektromotors vor, bei dem eine Regelvorrichtung fur den Ankerstrom des Motors auf ein Sollwertsignal.fUr den Ankerstrom eingestellt wird, das ausgehend von einem Rotationsgeschwindigkeits-Istwertsignal des Motors gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Sollwertsignal für den Ankerstrom mindestens teilweise dadurch hergestellt wird, dass einerseits ein erstes Wirksignal, das mit Hilfe der Ausgangssignale ■ von drei Verstärkern mit einstellbarer Verstärkung zusammen gesetzt wird, die jeweils eins von drei sog. bestimmenden Signalen empfangen, nämlich das Geschwindigkeitssollwertsignal, das Botationsgeschwin-

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digkeits-Istwertsignal des Ko to rs und ein sog, allgemeines Fehlersignal, das den Abstand zwischen dem B-otationsgeschwindigkeitssignal des Kotors und dem Ausgangssignal eines Referenzmodells darstellt, welches mit Hilfe von gegengekoppelten Integratoren das gewünschte Verhalten darstellt, und andererseits ein zusätzliches Wirksignal hiiizugenommen wird, das in einem Bechnerblock erhalten wird, der minö.estens einen den Ausgang eines linearen Entzerrers empfangenden Schaltkreis mit proportionaler Lind integraler Y/irkung umfasst und der nach Beaufschlagung mit einem Koeffizienten das allgemeine Fehlersignal und ein Signal für den Abstand zwischen dem Ankerstrom des Motors und der ersten Ableitung des Ausgangssignals des Beferonzmodells addiert, nachdem die Gleichstromkomponente dieses Signals für den Abstand unterdrückt worden ist.

Der Schaltkreis mit Proportions- und Iiitegralwirkung kann insbesondere zwischen einerseits den Ausgang eines ersten Multiplizierers, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des lin&aren Entzerrers verbunden ist, dessen anderer Eingang eins der Signale empfängt, die sich nach unterdrückung der Gleichstromkomponente und Hinzufügung eines einstellbaren Durchschnittwerts aus den drei bestimmenden Signalen ergeben, und andererseits den Eingang eines zweiten Multiplizierers geschaltet sein, der ebenfalls dasselbe bestimmende Signal empfängt wie der erste Multiplizierer und dessen Ausgangssignal das zusätzliche Wirksignal darstellt»

Konstante Leistungen können in den schwierigsten Fällen beibehalten werden, indem in den Bechnerblock drei Einheiten eingebaut werden, die jeweils, wie gerade gezeigt, aus einem ersten

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Multiplizierer, einem Schaltkreis mit Proportions- und Integralwirkung und einem zweiten Multiplizierer gebildet werden und die jeweils eins der drei sog. bestimmenden Signale empfangen, und indem das zusätzliche Wirksignal aus der Summe der Ausgangssignale dieser drei Einheiten gebildet wird.

Der Rechnerblock stellt so ständig seine Parameter in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors ein.

Das Sollwertsignal dos Ankerstroms des Motors wird automatisch so angepasst, dass das Rotationsgeschwindigkeits-Istwertsignal des Motors in jedem Augenblick praktisch gleich dem Ausgangssignal des Referenzmodells ist, das die gewünschten Eigenschaften für die Regelung aufweist (Ansprechzeit, ballistisches Überschreiten des Sollwerts usw...)« Natürlich muss dieses Rofereiizmodell so gewählt v/erden, dass es mit der Dynamik des Prozesses vereinbar ist. Insbesondere muss bei der Auswahl das Referenzmodells die maximale verfügbare Energie zur Steuerung des Motors berücksichtigt werden, da diene ja die dynamischen Hb* chs tie i stun gen bestimmt.

Der Rechnerblock und der lineare Entzerrer können verdrahtet in Analog- oder Hybridtechnik und Digitaltechnik ausgeführt werden* sie können jedoch auch in programmierter Form in einem kleinen Digitalrechner realisiert werden.

An Hand der beigefügten Figuren wird im folgenden dan Prinzip der bekannten Geschwindigkeitsregelsysteme in Erinnerung gerufen und die erfindungsgemässe Verbesserung beschrieben.

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Fig. T zeigt cine schematisehe Darstellung bekannter Geschwindigkeitsrcgelsysteme für Gluichstromelektromotoren.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemässe Minderung eines solchen Systems.

Fig. 3 stellt den allgemeinen Aufbau des erfindungsgemässen Regelsystems dar.

Fig. 4 zeigt den Aufbau des Rechnerblocks dieses Systems.

Fig, 5 zeigt den linearen Entzerrer dieses Systems.

Fig. 6 stellt ein Schaltbild eines Analogkreises dar, mit dem die Gleichstromkomponente eines Signals unterdrückt wird und mit der ein Durchschnittswert hinzugefügt werden kann oder nicht.

Die Fig. 7 und 8 Zeigen schematisch Referenzmodel3.e, die häufig benutzt werden können.

Fig. 9 stellt das Schaltbild einer Vorrichtung dar, die den Einfluss der Nullverschiebungsspannung der ersten Multiplizierer annulliert.

Fig. 10 zeigt den allgemeinen Aufbau eines vereinfachten Regelsystems, das bei einfacher Verwendung tines Motors gute Leistung erbringt.

In der bekannton Schaltung gumäss Fig. 1 wird ein Elektromotor 1 durch seinen Ankerstrom 2 mit Hilfe eines Leistungsverstärkers 3» meistens mit Thyristoren oder Transistoren, angetrieben.

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Dieser Ankerst rom wird auf ο ir. Sollsignal 4 des Ankorstroms mit · Hilfe eines Beglers (PI oder PID) 5 nnd eines Stromabnehmers, .dor eine elektrische Spannung 6 liefert, die das Bild dos Ankerstroms 2 darstellt, eingeregelt. Das Signal 4 wird von einem Begier (PI odor PID) 7 bereitgestellt, damit eine elektrische Spannung 8, die das Bild der Rotationsgeschwindigkeit des Motors 1 darstellt, welche ihrerseits am Ausgong eines Geschwindigkoitsabgriffs 9 (beispielsweise eines tachometrischen Djaiamos) abgenommen wird, gleich oirior Sollgeschwindigkeitsspannung 10 ist.

In der Schaltung gomäss S¹Xg. 2 finden sich die Elemente aus Fig. 1 wieder, mit dem Unterschied, dass hier ein anpassender Hegler 11 eingesetzt wird, der ein Steuersignal 12 erstellt, das zu dem Ausgangs signal des Gescliwindigkeitsreglers 7 hinzugezahlt wird, um das Signal 4 zu bilden. Anstatt den anpassenden B&gler 11 dem Geschwindigkeitsregler 7 zuzuordnen, kann letzterer auch einfach durch den Begier 11 ersetzt werden; dementsprechend wird für die weitere Boschreibung angenommen, dass der Begier 7 .ersetzt v/urde«

Fig. 3 zeigt den Aufbau des selbstanpassenden Reglers 11, der in Fig. 2 lediglich schematisch eingezeichnet -rardo. Da der Begier 7 fortgelassen wurde, bildet das Steuersignal 12 a,llein das Sollwertsignal 4 für den Ankerstrom. Das Signal 12 wird am Ausgmg eines Addierers 13 erhalten, der einerseits ein erstes am Ausgang eines Summierer-Subtrahierers 15> der die Ausgangssignale 16, 17, 18 von'drei Verstärkern 19, 20, 21 mit einstellbarem Verstärkungsfaktor empfängt, erhaltenes V/irksignal 14 empfängt. Am Eingang der Verstärker 19» 20, 21 trifft eins der drei bestimmton Signale ein:

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das Sollwertsignal für die Geschwindigkeit 10, das Aus gangs sign al 8 des Geschwindigkeitsabgriffs 9 bziv. das allgemeine IFehlersignal 22, das den am Ausgang eines Subtrahierers 23 erhaltenen Abstand zwischen dem Ausgang 24 eines Feferenzmodells 25» an dein das S ollwert signal für die Geschwindigkeit 10 eintrifft, und dem Ausgangssignal 8 des Geschwindigkeitsabgriffs 9 darstellt. Andererseits empfängt der Addierer 13 ein zusätzliches V/irksignal 26, das von einem nichtlinearen Rechnerblock 27 erstellt wird. Der Sumniieror-Subtrahierer 15 bildet die Summe der Signale 16 und 18 und zieht davon das Signal 17 ab. Der Bechnorblock 27 empfängt die Signale 10, 22 und 8 sowie das Ausgangssignal 28 eines linearen Entzerrers 29, in dem das allgemeine Fehlersignal 22 und ein Signal 30 eintreffen, das in einem Subtrahierer 31 gewonnen wird und das den Unterschied zwischen der ersten Ableitung 32 des Ausgangssigiials 24 dos Büferenzmodölls 25 und der elektrischen Spannung 6 bildet, die das Mass für den Ankerstrom 2 des Motors 1 ist. Der Entzerrer 29 verarbeitet dieses Signal 30, nachdem es in einen Aussteuerschaltkrois 33 fttr die Gleichstromkomponente geleitet wurde,

Fig. 4 zeigt den Aufbau dos nichtlinearon !Rechnerblocks 27. Er besteht aus drei identischen Ketten 34» 35, 35 _f die .jeweils in Stromflussrichtung aus einem Multiplizierer 37 > einem Schal tiere-is mit Proportions- und Integro-lwirkung 38 und einem zweiten Multiplizierer 39 gebildet werden. Parallelgsschaltet enthalt der Schaltkreis 38 ein Potentiometer 40, dem ein Integrator 41 folgt, sowie ein Potentiometer 42, dem ein Verstärker 43 folgt, wobei die Ausgange der beiden parallel liegendenden Zweige in einem Addierer 44

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münden, um das Ausgangssignal 45 des Schaltkreises 38 zu bilden. Jeder der ersten Multiplizierer 37 empfängt auf einem Eingang das-' selbe Ausgangssignal 28 des linearen Entzerrers 29 und auf dem anderen Eingang eins der drei Signale 46, 47» 48, die am Ausgang der Schaltkreise 49 gewonnen werden, die eins dor bestimmenden Signale empfangens das Ausgangssignal 8 des Geschwindigkeitsabnehmers 9» das Sollwertsignal 10 für die Geschwindigkeit bzw. das allgemeine Fehlersignal 22. Die Schaltkreise 49 steuern die Gleichstromkomponente des bestimmenden Signals, das sie empfangen, aus und versehen es mit einem binsteilbaren Durchschnittswert. Der Ausgang 50 jedes ersten Multiplizierers 37 ist mit dem Eingang des entsprechenden Schaltkreises 38 verbunden, dessen Ausgang 45 mit dem Eingang des zweiten Multiplizierers 39 in Verbindung steht. Letzterer empfängt darüberhinaus dasselbe Signale 46, 47 bzw. 48 wie der erste Multiplizierer 37. Die Ausgänge 51 der zweiten Multiplizierer sind an einen Summierer 52 angeschlossen, der sie addiert, um das zusätzliche Wirksignal 26 zu bilden.

Fig. 5 stellt den Aufbau des linearen Entzerrers 29 dar, der das allgemeine Fehlersignal 22 und das Signal 30 für den Abstand zwischen der ersten Ableitung des Ausgangssignals des Refcrenzmodells und dem Messwert des Ankerstroms empfängt. Das Signal 22 durchläuft einen Verstärker 53 mit einstellbarer Verstärkung, und das Signal 30 durchläuft das Filter 33 zur Aussteuerung seiner Gleichstromkomponente, wobei der Ausgang 54 des Filters 33 zu einem Verstärker 55 mit einstellbarer Verstärkung führt. Die Ausgänge und 57 der Verstärker 53 und 55 sind mit einem Addierer 58 verbunden,

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auf dessen Ausgang man das Ausgangs signal 28 des linearen Entzerrers 29 erhalt.

Unter anderen JIcJgI ichke it en wird in Fig. 6 ein Analogschaltbild der Operatoren 33 und 49 für die Aussteuerung der Gloiohstromkomponenten gezeigt. Diese Operatoren bestehen aus einem Integrator 59» der mit einem Potentiometer 60 gegengekoppelt ist, und einem Summier-Subtrahierverstärker 61. Auf diese Weise erhält man am Ausgang 62 des Verstärkers 61 ein Bild des Eingangssignals 63 des Operators, dessen Gleichstromkomponente ausgesteuert ist. Bei den Operatoren 49 wird dem am Ausgrztg 62 erhaltenen Signal Über einen Summierer 65 eine einstellbare Gleichspannung hinzugefügt um da.s Ausgangssignal 66 des Operators zu bilden.

Die Fig. 7 unci 8 zeigen das Analogschaltbild von zwei Beferenzmodellen 25, die in praktisch allen Fällen Verwendung finden kÖ*nnen. Das Referenzmodell gemäss Pig. 7 besteht aus einem Integrator 67, der mit einem Potentiometer 68 gegengekoppelt ist, und aus einem Subtrahierer 69· In dem Beforenzmodell gemäss Pig. 8 wurde am Ausgang 70 des gegengekoppelten Integrators 67 ein zweiter Integrator 71» der mit einem Potentiometer 72 gegengekoppelt ist, sowie der Subtrahierer 69 eingebaut. Bei diesen Bauweisen ist da.s Signal 32, ' die erste Ableitung des Ausgangssignals 24 des Referenzmodells 25» des Eingangssignals des letzten Integrators in Stromrichtung gesehen,

Fig. 9 stellt das Schaltbild eines Systems dar, das in jeder aus "erstem Multiplizierer, Schaltkreis mit Proportions- und Integralwirkung, zweitem Multiplizierer" bestehenden Kette verwendet

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werden kann und Jede Abweichung des Integrators aufgrund der NuIlversehiebungsspannung des ersten Multipliziercrs annullieren soll. Ein Schaltkreis 73 erzeugt auf einem Ausgang 74 ein Signal, wenn der absolute Wert der Spannung des Signals 28, dce er empfangt, unter einem einstellbaren Grenzv/ert "<- liegt. Dieses Signal wirkt entweder auf ein Relais 75 oder auf zv/si Feldeffekttransistoren (nicht dargestellt) ein, um am Eingang des Integrators 41 des Schaltkreises mit Proportions- und Integralwirkung 38 eine IFullspannung zu erzeugen.

Pig. 10 zeigt den Aufbau eines Reglers, der durch Vereinfachung des an Hand der Figuren 3 und 4 beschriebenen selbstanpassenden Reglers erhalten wurde und der in einfaehtsi Fällen gute Leistungen erbringt. Es finden sich hier dieselben Bauteile wie in der Fig. 3, mit der Ausnahme, dass der Beehnerblock 27, der in Fig. 3 gezeigt wird, durch einen Bechnerblock 76 ersetzt wird, der sehr vereinfacht ist, da er lediglich aus einem Schaltkreis mit Proportions- und Integralwirkung besteht, wie der Schaltkreis 38 gemäss Fig. 4» der das Ausgangssignal 28 des linearen Entzerrers empfängt und das zusatzliche Wirksignal 26 liefert.

-Patentansprüche-

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Claims

2A04918

PATENTANSPRÜCHE

C 1. ) Regelsystem z*ar Regelung der Rotationsgeschwindigkeit eines ffiLeichstromelektroniotors, bei dem eine Regelvorrichtung für den Ankerstrom des Motors auf ein Sollwort signal für den Ankerstrom eingestellt wird, das ausgehend von einem Geschwindigkeitssollwertsignal und einem Botationsgeschw'indigkeits-Istwertsignal des Kotors gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Sollwertsignal (4) für den Ankerstrom mindestens teilweise dadurch hergestellt wird, dass einerseits ein erstes Wirksigns.1 (14)» das mit Hilfe der Ausgangssignale (16, 17, 18) von drei Verstärkern (19,20,21) mit einstellbarer Verstärkung zusammengesetzt wird, die jeweils eins von drei sog. bestimmenden Signalen empfangen, nämlich das Geschwindigkeitssollviertsignal (1O), das Rotationsgeschwindigkeits-Istwertsignal (8) des Motors und ein sog, allgemeines Fehlersignal (22), das den Abstand zwischen dem Rotationsgeschwindigkeitssignal (8) dos Motors und dem Ausgangssignal (24) eines -Referenziuodells (25) darstellt, welches mit Hilfe von gegengekoppelten Integratoren das gewünschte Verhalten darstellt, und andererseits ein zusätzliches V/irksignal (26) hinzugenommen wird, das in einem Rechnerblock (27) erhalten wird, der mindestens einen den Ausgang (28) eines linearen Entzerrers (29) empfangenden Schaltkreis (38) mit proportionaler und integraler ?firkung umfasst und der nach Beaufschlagung mit einem Koeffizienten das allgemeine Fehlersignal (22) und ein Signal (30) für den Abstand zwischen dem Ankerstrom des Motors und der ersten

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Ableitung (32) des Ausgangssignals (24) des Eeferenzmodells (25) addiert, nachdem die Gleichstromkomponente dieses Signals (30) für den Abstand unterdrückt worden ist,
2. Regelsystem gemäss Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass der Schaltkreis (33) mit Proportions- und Integralwirkmig zwischen einerseits den Ausgang eines ersten Multiplizierer (37)» dessen einer Eingang mit dem Ausgang des linearen Entzerrers (29) verbunden ist und dessen anderer Eingang eins der Signale (46, 47, 4G) empfängt, die sich nach Unterdrückung der Gleichstromkomponente und Hinzufügung eines einstellbaren Durchschnittwerts aus den drei bestimmenden Signalen (8, 10, 22) ergeben, und andererseits den Eingang eines zweiten Multiplizierers (39) Geschaltet ist, der ebenfalls dasselbe bestimmende Signrl (46,47 bzv/,48) empfängt wie der erste Kultiplizierer (37) und dessen Ausgangssignal das zusätzliche Wirksignal (26) darstellt.

3« Regelsystem genäss Anspruch 2₉ dadurch

gekennzeichnet, dass der Eechnerblock (27) für ;jedos der drei bestimmenden Signale (8, 10, 22) eine Einheit (34, 35, 36) aus einem ersten Multiplizierer (37)? einem Schaltkreis (38) mit Proportions- und Integralwirkung trad einem zv/eiten multiplizierer (39) umfasst und dass das zusätzliche üirksignal (26) aus der ourano der Signale auf den Ausgängen (51) dieser drei Einheiten gebildet wird.

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4« Begelsyston gernäes einem der ;aisprücho 1 Ms 3 j
dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung dio Integralwirkung des odor der Sclialtkroise (30) mit Proportions- und Integralwirlcung des Rechiierbloclcs (27) blockiert, vierni das Ausgangssignal (28) des linearen Entzerrers (2£) eine .laplitude a.\ifwoist, die unterhalb eines Grenzwerts (x). liegt.

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