DE4129539C2

DE4129539C2 - Drehzahlregelkreis für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE4129539C2
Application number: DE4129539A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Tobise; Itsuo Shimizu; Yuji Yamasawa; Toshihiko Chino
Original assignee: Hitachi Ltd; Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; Hitachi Ltd
Priority date: 1990-09-07
Filing date: 1991-09-05
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2011-09-06
Also published as: KR100290121B1; JP2948887B2; DE4129539A1; KR920007318A; JPH04121086A; US5256944A

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehzahlregelkreis für einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Regelkreis ist aus der JP 57-65 288 (Abstract in: Patents Abstracts of Japan, E-121, 29. Juli 1982, Vol. 6 No. 140) bekannt.

Wenn zum Beispiel ein Material unter Verwendung einer Anzahl von Motoren in einer Stahlwalzstraße gewalzt wird, ist es erforderlich, eine hohe Übereinstimmung der Drehzahl oder einen Lastausgleich zwischen den Motoren herbeizuführen, um zu verhindern, daß sich die auf das zu walzende Material ausgeübte Spannung ändert.

Es ist ein System bekannt, bei dem die Drehzahlregler der einzelnen Motoren eine Absenkfunktion (engl. "drooping function") aufweisen. Dabei wird vom Drehzahlsollwert ein stromabhängiger Korrekturwert (im folgenden "Absenkwert" oder "Absenkvariable" genannt) abgezogen, um den Antrieb nachgiebiger zu machen und eine weiche Drehmomentkennlinie zu erhalten. Mit anderen Worten bewirkt der Absenkwert eine Reduzierung des Sollwertes für die Drehzahl.

Um die Motordrehzahl proportional zum Laststrom des Motors zu verringern, ist auch die Absenkvariable proportional dem Laststrom. Bei einer Beschleunigung oder einem Abbremsen des Motors wird der Absenkwert oder die Absenkvariable jedoch nicht nur vom Laststrom bestimmt, sondern auch von dem Anteil des Stromes, der für das Beschleunigen bzw. Abbremsen erforderlich ist. Im allgemeinen unterscheiden sich aber die Beschleunigungs- und Bremsströme der einzelnen Motoren aufgrund unterschiedlicher Trägheitsmomente und dergleichen voneinander. Der Drehzahlabgleich mehrerer Motoren ist dadurch erschwert.

Bei der aus der eingangs genannten Druckschrift bekannten Regelung wird deshalb der Motorstrom in einen stationären Laststromanteil und einen dynamischen Stromanteil zum Beschleunigen oder Abbremsen aufgeteilt und der Absenkwert nur aus dem Laststromanteil allein bestimmt. Die Aufteilung in den stationären Laststrom und den dynamischen Stromanteil zum Beschleunigen oder Abbremsen erfolgt dabei durch Erfassen des Ist-Laststromes über die am Motor anliegende Spannung, aus dem durch rechnerische Simulation in einer Simulationsschaltung die stationären und dynamischen Stromanteile abgeleitet werden.

Aus der Verwendung einer Simulationsschaltung ergibt sich jedoch der Nachteil, daß es schwer ist, die Werte der Simulationsschaltung immer in Übereinstimmung mit den entsprechenden Werten des Motors wie dem Widerstand und der elektrischen Zeitkonstanten zu halten, die sich in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors laufend ändern. Über die Absenkfunktion kann daher in Abhängigkeit von der elektrischen Zeitkonstanten des Motors (die typischerweise nicht größer ist als einige zehn Millisekunden) die Stabilität der Drehzahlregelung schlechter werden. Des weiteren ist die Abgleichung des Drehzahlregelsystems äußerst schwierig.

Aus der US 48 70 334 ist eine Drehzahlregelschaltung mit einem Differenzierer (der technisch nur als Vorhalteglied erster Ordnung realisierbar ist) bekannt, das anhand des Drehzahlsollwertes den dynamischen Stromanteil für das Beschleunigen und Abbremsen berechnet. Diese Schaltung weist jedoch keine Absenkfunktion auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den aus der eingangs genannten Druckschrift bekannten Drehzahlregelkreis so auszubilden, daß auch bei Anwendung einer Absenkfunktion eine stabile Drehzahlregelung bei der Beschleunigung und dem Abbremsen des Motors erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Drehzahlregelkreises sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 enthalten.

Auch wenn sich der Drehzahlsollwert stark ändert, schwankt nach der erfindungsgemäßen Regelung die Absenkvariable nicht, mit dem Ergebnis einer hohen Stabilität der Drehzahlregelung, einem leichten Abgleich des Drehzahlregelkreises und einer guten Drehzahlübereinstimmung zwischen den Motoren.

Ausführungsbeispiele für das Verfahren und die Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Drehzahlregelkreises;

Fig. 2 das Schaltbild einer Berechnungseinheit für den Stromanteil zur Beschleunigung oder zum Abbremsen in der Schaltung der Fig. 1;

Fig. 3A bis 3E Darstellungen des zeitlichen Verlaufes von Signalen, die an verschiedenen Stellen der Schaltung der Fig. 1 auftreten, zur Erläuterung der Arbeitsweise davon;

Fig. 4 eine Blockdarstellung von Übertragungsfunktionen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Drehzahlregelkreises;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des Drehzahlregelkreises;

Fig. 6 das Schaltbild eines Filters in der Schaltung der Fig. 5;

Fig. 7A bis 7E Darstellungen des zeitlichen Verlaufes von Signalen, die an verschiedenen Stellen der Schaltung der Fig. 5 auftreten, zur Erläuterung der Arbeitsweise davon;

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform des Drehzahlregelkreises;

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform des Drehzahlregelkreises, die hier eine Vorrichtung zum Bewirken einer Vektorsteuerung an einem Asynchronmotor darstellt;

Fig. 10 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform, bei der der Drehzahlregelkreis der Fig. 1 durch eine digitale Schaltung ausgeführt ist; und die

Fig. 11 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung der Fig. 10.

In der folgenden Beschreibung und der Zeichnung haben Komponenten mit gleichen Funktionen im allgemeinen auch gleiche Bezugszeichen.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Drehzahlregelkreises für einen Elektromotor.

Eine von einer Stromversorgung PS zugeführte Wechselspannung wird von einem Umrichter 1 in eine andere Spannung umgewandelt, und die sich ergebende Spannung wird einem Elektromotor 2 zugeführt. Der Motor 2 weist eine Feldwicklung 2F auf. Der dem Motor 2 zugeführte Ständerstrom wird von einem Stromwandler (Stromdetektor) 12 erfaßt. Ein Kodierer 5 ist mechanisch direkt an den Motor 2 gekoppelt. Eine Drehzahlberechnungseinheit 6 erfaßt auf der Basis der von dem Kodierer 5 erzeugten Impulse die Motordrehzahl ω. Zu einem Addierer 4A wird mit den dargestellten Vorzeichen ein Drehzahlsollwert ω* und eine Absenkvariable Δωd geführt. Die Abweichung zwischen einem Absenkdrehzahlsollwert ωd* und der Motordrehzahl ω, die von der Drehzahlberechnungseinheit 6 erfaßt wird, wird durch einen Addierer 4B festgestellt und einem Drehzahlregler 7 eingegeben. Der Drehzahlregler 7 gibt einen Stromsollwert IL* für die drehmomentbildende Stromkomponente entsprechend der Abweichung zwischen dem Drehzahlsollwert ωd* und dem erfaßten Drehzahlwert ω aus. Einer Absenkvariablenberechnungseinheit 9 wird der Stromsollwert IL* zugeführt, sie berechnet die Absenkvariable Δωd. Andererseits wird einer Berechnungseinheit 8 für den Stromanteil zur Beschleunigung oder zum Abbremsen der Drehzahlsollwert ω* zugeführt, sie leitet einen Wert Iad für den Stromanteil zur Beschleunigung oder zum Abbremsen ab. Der Stromsollwert IL* und der Wert Iad für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil werden in einem Addierer 4C mit den gezeigten Vorzeichen addiert. Der Ausgang des Addierers 4C wird zu einem Stromsollwert I*. Die Abweichung zwischen dem Stromsollwert I* und einem erfaßten Stromwert I, der vom Stromwandler 12 aufgenommen wird, wird in einem Addierer 4D festgestellt. Einem Stromregler 10 wird die vom Addierer 4D abgeleitete Stromabweichung zugeführt, sie steuert eine Steuerimpulserzeugungseinheit 11. Die Steuerimpulserzeugungseinheit 11 gibt Zündsignale an den Umrichter 1 ab. Der Aufbau der Fig. 1 weist als eine Drehzahlregelschleife mit einer unterlagerten Stromregelschleife auf.

Die Fig. 2 zeigt den konkreten Aufbau der Berechnungseinheit 8 für den Stromanteil zur Beschleunigung oder zum Abbremsen.

Die Berechnungseinheit 8 umfaßt ein Vorhalteglied 1. Ordnung mit einem in Reihe verbundenen Widerstand R1 und Kondensator C1, einen Operationsverstärker OA1 und einen Rückkoppelwiderstand R2.

Anhand der Fig. 3 wird nun die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung erläutert.

Wenn der Drehzahlsollwert ω* konstant ist und der Absenkdrehzahlsollwert ωd* mit dem erfaßten Drehzahlwert ω übereinstimmt, gibt der Drehzahlregler 7 einen Stromsollwert IL* für die drehmomentbildende Stromkomponente aus, der dem Lastmoment des Motors 2 entspricht. Gleichzeitig gibt die Absenkvariablenberechnungseinheit 9 eine Absenkvariable Δωd aus, die durch

Δωd = k · Z · IL* (1)

dargestellt wird, wobei
Z der Einstellwert der Absenkvariablen und
k = eine Konstante ist.

Wenn der Drehzahlsollwert ω* konstant ist, ist der Wert Iad für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil gleich Null, und der Drehmomentstromsollwert IL* wird zum Stromsollwert I*, der durch den Addierer 4D mit dem erfaßten Wert I für den Strom verglichen wird. Der Stromregler 10 liefert in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen dem Stromsollwert I* und dem erfaßten Stromwert I einen Sollwert an die Steuerimpulserzeugungseinheit 11. Die Steuerimpulserzeugungseinheit 11 gibt Steuerimpulse an den Umrichter 1, um die Ausgangsspannung des Umrichters 1 entsprechend zu steuern. Als Ergebnis der Steuerung der Ausgangsspannung des Umrichters 1 wird die Drehzahl des Motors 2 so geregelt, daß sie zu dem Absenkdrehzahlsollwert ωd* proportional ist.

Es wird nun angenommen, daß der Drehzahlsollwert ω* rampenförmig ansteigt, wie es in der Fig. 3A gezeigt ist. Die Berechnungseinheit 8 leitet nun den Wert Iad für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil wie folgt ab:

Zuerst wird der Strom berechnet, der erforderlich ist, damit die Motordrehzahl ω auf den Drehzahlsollwert ω* mit einer Zeitkonstanten T1 für eine Zeitverzögerung erster Ordnung reagieren kann.

Die Fig. 4 ist eine Blockdarstellung der Übertragungsfunktionen, die bei der Ausführung der Fig. 1 zum Ableiten der Beziehung zwischen dem Strom und der Drehzahl erforderlich sind. Der Kürze halber wurden dabei die Übertragungsfunktionen für die elektrischen Systeme des Umrichters 1, der Steuerimpulserzeugungseinheit 11 und des Motors 2 weggelassen.

Wie aus Fig. 4, Block 2 hervorgeht, ergibt sich die Beziehung zwischen dem Motorstrom I und der Motordrehzahl ω zu

wobei
ω die Motordrehzahl,
I der Motorstrom,
ζ der Drehmomentkoeffizient,
J das Trägheitsmoment und
S der Laplaceoperator ist.

Die Beziehung zwischen dem Strom I und dem Stromsollwert I* kann nach Fig. 4, Block 10 dargestellt werden als

wobei
I* der Motorstromsollwert,
Fc die Regelverstärkung und
Tc die Zeitkonstante des Stromreglers 10 ist.

Die Zeitkonstante Tc des Stromreglers 10 ist wesentlich kleiner als die Zeitkonstante des Drehzahlreglers 7. Durch Vernachlässigung der Zeitkonstanten Tc des Stromreglers 10 läßt sich die Gleichung (3) umschreiben in

Die Beziehungsgleichung, die zur Reaktion der Motordrehzahl ω auf den Drehzahlsollwert ω* mit der Zeitkonstanten T1 für die Verzögerung erster Ordnung erforderlich ist, läßt sich ausdrücken als

Der gesamte Drehzahlregelkreis wurde dabei durch ein Verzögerungsglied erster Ordnung mit der Ersatzzeitkonstanten T₁ und dem Verstärkungsfaktor F_n angenähert.

Des weiteren kann die Beziehung zwischen dem Stromsollwert I* und der Motordrehzahl ω durch eine aus den Gleichungen (2) und (4) hergeleitete Gleichung ausgedrückt werden:

Der Stromsollwert (Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil) I*, der für eine Reaktion der Motordrehzahl ω auf eine Änderung im Drehzahlsollwert ω* mit der Zeitkonstanten für eine Zeitverzögerung erster Ordnung erforderlich ist, kann daher auf der Basis der Gleichungen (5) und (6) wie folgt ausgedrückt werden:

Es sei zur Erleichterung des Verstehens der Gleichung (7)

Die Gleichung (7) kann dann wie folgt geschrieben werden:

Der durch die Gleichung (9) dargestellte Stromsollwert I* ist der für eine Beschleunigung oder Abbremsung des Motors 2 erforderliche Stromanteil. Die Berechnungseinheit 8 für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil erhält daher den Drehzahlsollwert ω* zugeführt und leitet den durch die Gleichung (9) gegebenen Wert Iad für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil ab.

Die Berechnungseinheit 8 ist wie in der Fig. 2 gezeigt aufgebaut, und ihre Übertragungsfunktion kann dargestellt werden zu

Für R1C1=Tn (Verzögerungszeitkonstante) und R2/R1=kn kann die Gleichung (10) durch die folgende Gleichung dargestellt werden:

Durch Wahl der Werte des Widerstandes R1 und des Kondensators C1 so, daß die Zeitkonstante Tn in der Gleichung (11) gleich der Zeitkonstanten T1 in der Gleichung (9) wird, kann der Wert Iad für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil abgeleitet werden, der erforderlich ist, wenn sich der Drehzahlsollwert ω* ändert.

Wenn sich der Drehzahlsollwert ω* zum Zeitpunkt t1 wie in der Fig. 3A gezeigt in Rampenform ändert, gibt die Berechnungseinheit 8 den Wert Iad für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil aus, der in der Fig. 3B gezeigt ist. Der Wert Iad für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil wird im Addierer 4C zu dem Drehmomentstromsollwert IL* (Fig. 3C) addiert, der vom Drehzahlregler 7 ausgegeben wird. Der sich ergebende, in der Fig. 3D gezeigte Stromsollwert I* wird an den Addierer 4D angelegt. Dadurch wird die Ausgangsspannung des Umrichters 1 wie oben angegeben zur Steuerung des Motorstromes I gesteuert. Im Ergebnis wird die Drehzahl ω des Motors 2 so eingestellt, daß sie mit dem Drehzahlsollwert ω* zusammenfällt, wie es durch eine gestrichelte Linie in der Fig. 3A dargestellt ist. In der Darstellung der Fig. 3A ist angenommen, daß die Absenkvariable Δωd gleich Null ist. Wenn die Beschleunigung zum Zeitpunkt t2 abgeschlossen ist und der Drehzahlsollwert ω* wieder einen konstanten Wert annimmt, wird der Wert Iad für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil mit einer vorgegebenen Zeitkonstanten gleich Null, und der Stromsollwert I* wird gleich dem Drehmomentstromsollwert IL*. Nach dem Zeitpunkt t2 wird der Motorstrom I so gesteuert, daß er mit dem Drehmomentstromsollwert IL* zusammenfällt.

Die Steuerung wird dabei auf die folgende Weise bewirkt. Der Wert für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil wird von dem Drehzahlsollwert ω* gemäß einer Vorwärtsregelung (positive Rückkopplung) abgeleitet, und die Absenkvariable wird entsprechend dem vom Drehzahlregler 7 ausgegebenen Lastmoment durch den Drehmomentstromsollwert bestimmt. Die Absenkvariable hat daher keine Beziehung zu der elektrischen Zeitkonstante des Motors. Auch wenn sich der Drehzahlsollwert ω* stark ändert, ändert sich die Absenkvariable nicht. Im Ergebnis ist die Stabilität der Drehzahlregelung sehr hoch. Die Absenkvariablenberechnungseinheit 9 kann darüber hinaus abgeglichen werden, ohne daß auf die elektrische Zeitkonstante des Motors 2 Rücksicht genommen zu werden braucht, was die Einstellung des Drehzahlregelsystems wesentlich erleichtert.

Die Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zum Regeln der Drehzahl eines Motors.

Die Ausführungsform der Fig. 5 ist so aufgebaut, daß das Auftreten einer Absenkvariablen aufgrund eines Stromanteils zur Beschleunigung oder zum Abbremsen sicher vermieden werden kann, auch wenn die Verstärkung im Drehzahlregler 7 groß ist.

Die Schaltung der Fig. 5 unterscheidet sich von der der Fig. 1 darin, daß ein Filter 3 vorgesehen ist, um eine Berechnung der Zeitverzögerung erster Ordnung am Drehzahlsollwert ω* auszuführen und das Ergebnis an den Addierer 4A zu geben.

Wie in der Fig. 6 gezeigt, umfaßt der Filter 3 einen Eingangswiderstand R3, einen Operationsverstärker OA2 und eine Rückkoppelschaltung mit einem Kondensator C2 und einem Widerstand R4, die jeweils parallel zu dem Operationsverstärker OA2 geschaltet sind.

Wenn die Verstärkung im Drehzahlregler 7 groß ist, ist die Drehzahländerung des Motors 2 zeitverzögert, wenn sich der Drehzahlsollwert ω* geändert hat. Der Drehmomentstromsollwert IL* des Drehzahlreglers 7 ändert sich daher, und die Absenkvariable Δωd versucht sich zu ändern. Angenommen, es ändert sich zum Beispiel der Drehzahlsollwert ω*, wie in der Fig. 7A gezeigt, zum Zeitpunkt t1 rampenförmig. Vom Filter 3 wird ein Drehzahlsollwert ausgegeben, der der Drehzahlsollwert ω* ist, der mit der Zeitverzögerung erster Ordnung versehen ist, wie in der Fig. 7B gezeigt ist. Auch wenn der erfaßte Drehzahlwert ω verzögert ist, ändert sich daher das Ausgangssignal IL* des Drehzahlreglers 7 nicht, und das Auftreten der Absenkvariablen Δωd aufgrund eines Beschleunigungs- oder Bremsstromanteiles kann vermieden werden.

Durch das Vorsehen des Filters 3 in der Schaltung der Fig. 5 wird erreicht, daß ein Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil keinen Einfluß auf die Regelung hat, auch wenn die Verstärkung im Drehzahlregler 7 groß ist und sich der Drehzahlsollwert ω* ändert. Es wird damit eine stabile Regelung erhalten.

Bei der Ausführungsform der Fig. 5 kann die Beschleunigungs- oder Bremsreaktion der Drehzahl ω bezüglich des Drehzahlsollwertes ω* eindeutig durch den Wert Iad für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil aus der Berechnungseinheit 8 bestimmt werden. Dieser Vorgang wird nun näher erläutert.

Die Bestimmung der Beschleunigungs- oder Bremsreaktion über die Verzögerungszeitkonstante Tn der Berechnungseinheit 8 kann dadurch erhalten werden, daß die Vorrichtung so aufgebaut wird, daß der Drehmomentstromsollwert IL* sich zum Zeitpunkt einer Beschleunigung oder Abbremsung nicht ändert. Der Drehmomentstromsollwert IL* kann unter der Bedingung zu Null gemacht werden, daß der Anfangswert dadurch Null ist, daß das Ausgangssignal des Addierers 4B zu Null gemacht wird. Das Ausgangssignal des Addierers 4B kann dadurch zu Null gemacht werden, daß das Ausgangssignal des Filters 3 gleich dem erfaßten Drehzahlwert ω gemacht wird.

Die Übertragungsfunktion G1 der Berechnungseinheit 8 für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil ist durch die Gleichung (11) gegeben. Eine Übertragungsfunktion G2 vom Stromsollwert I* zu dem erfaßten Drehzahlwert ω kann auf der Basis der Fig. 4 durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Diese Übertragungsfunktion umfaßt analog zur Gleichung (6) die Übertragungsglieder 2 und 10 der Fig. 4.

Der gesamte Übertragungsweg vom Drehzahlsollwert ω* über die Berechungseinheit 8 (Fig. 1) und die Glieder 10 und 2 (Fig. 4) zum Drehzahlistwert ergibt dann die folgende Übertragungsfunktion:

Es sei in der Gleichung (13)

und es sei die Vorrichtung so konzipiert, daß k3=1 ist. Die Gleichung (13) kann dann umgeschrieben werden in

In der Gleichung (15) ist die Verzögerungszeitkonstante Tc des Stromreglers 10 wesentlich kleiner als die Zeitkonstante Tn. Unter Vernachlässigung von Tc wird die Zeitkonstante der Übertragungsfunktion G1G2 durch die Verzögerungszeitkonstante Tn der Berechnungseinheit 8 für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil bestimmt.

Andererseits kann die Übertragungsfunktion G3 des Filters 3 aus der Fig. 6 abgeleitet werden zu

R4C2 ist in der Übertragungsfunktion G3 des Filters 3 gemäß Gleichung (16) eine Verzögerungszeitkonstante Tf. Die Werte des Widerstandes R4 und des Kondensators C2 werden so gewählt, daß diese Verzögerungszeitkonstante Tf gleich der Verzögerungszeitkonstanten Tn der Berechnungseinheit 8 für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil ist.

Wenn die Zeitkonstante Tf des Filters 3 auf diese Weise gleich der Zeitkonstanten Tn der Berechnungseinheit 8 gemacht wird, wird die Reaktion des Drehzahlsollwertes ωd* auf den Drehzahlsollwert ω* gleich der Reaktion des erfaßten Drehzahlwertes ω auf den Drehzahlsollwert ω*. Die Drehzahlreaktion wird daher eindeutig durch die Berechnungseinheit 8 für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil bestimmt.

Wenn die Zeitkonstante R3C2 des Filters 3 gleich der Zeitkonstanten Tn der Berechnungseinheit 8 gemacht wird, hat die Reaktion des erfaßten Drehzahlwertes ω auf den Drehzahlsollwert ω* und die Reaktion des Ausgangssignals des Filters 3 auf den Drehzahlsollwert ω* die Zeitkonstante Tn. Mit anderen Worten werden beide Reaktionen gleichwertig. Auch zum Zeitpunkt einer Beschleunigung oder Abbremsung wird daher der Stromsollwert IL* allein zum Sollwert für die drehmomentbildende Stromkomponente. Im Ergebnis wird die Drehzahlreaktion eindeutig durch die Berechnungseinheit 8 für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil bestimmt. Die Absenkvariable, das heißt der Wert der Drehzahländerung bezüglich des Drehzahlsollwertes, der erhalten wird, wenn der Motor unter Nennlast mit Nenndrehzahl läuft, ist typisch gleich 0,2 bis 10%. Es ist wünschenswert, wenn dieser Wert so klein wie möglich ist. Es kann daher zum Zeitpunkt einer Drehzahländerung ein verbessertes Reaktionsverhalten und eine stabile Drehzahlregelung erhalten werden, wenn der Wert von Z in der Gleichung (1) dadurch im wesentlichen gleich Null gemacht wird, um die Absenkvariable Δωd im wesentlichen gleich Null zu machen, daß die Abweichung zwischen dem Ergebnis der Berechnung der Zeitverzögerung erster Ordnung, die am Drehzahlsollwert ausgeführt wird, und dem erfaßten Drehzahlwert am Drehzahlregler 7 geliefert wird und die Zeitkonstante Tf des Filters 3 gleich der Zeitkonstanten der Berechnungseinheit 8 für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil gemacht wird.

Die Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Drehzahlregelung.

Die Ausführungsform der Fig. 8 wird dadurch erhalten, daß zu der Schaltung der Fig. 5 eine Drehzahldifferenziereinheit 14 und ein Addierer 4E hinzugefügt wird.

Bei der Schaltung der Fig. 8 wird der erfaßte Drehzahlwert ω, der durch die Drehzahlberechnungseinheit 6 geliefert wird, durch die Drehzahldifferenziereinheit 14 differenziert und der sich ergebende Drehzahldifferenzierwert mit dem gezeigten Vorzeichen an den Addierer 4E gelegt. Der Addierer 4E subtrahiert den Drehzahldifferenzierwert vom Stromsollwert I* und legt die sich ergebende Differenz an den Addierer 4D. Der Stromregler 10 richtet den dem Motor 2 zugeführten Strom auf den Stromsollwert I* minus dem Drehzahldifferenzierwert als dem erwünschten Stromwert aus.

Bei dieser Regelung wird der Drehzahldifferenzierwert zurückgeführt. Es kann daher der Stromsollwert von der Drehzahldifferenziereinheit 14 erhalten werden, ohne daß man auf die Arbeit des Drehzahlreglers 7 mit einer großen Zeitkonstante angewiesen ist. Die Drehzahlregelreaktion ist daher verbessert, und es kann im Ergebnis die Absenkkontrolle wirksam ausgeführt werden.

Die gleiche Wirkung kann natürlich auch dadurch erhalten werden, daß die Drehzahldifferenziereinheit 14 zu der Ausführungsform der Fig. 1 hinzugefügt wird.

Die Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Drehzahlregelkreises.

Bei diesem Beispiel wird die Drehzahlregelung auf ein System zur Ausführung einer Vektorsteuerung an einem Induktionsmotor angewendet.

In der Fig. 9 bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in der Fig. 5 gleiche Komponenten. Gemäß Fig. 9 wird der Primärstrom I1 eines Aynchronmotors 20, der von dem Stromwandler 12 erfaßt wird, einer Stromkomponentenerfassungseinheit 15 eingegeben. Die Erfassungseinheit 15 stellt die Drehmomentstromkomponente It und die Erregungsstromkomponente Im des Primärstromes I1 fest. Die Drehmomentstromkomponente It wird an den Addierer 4D angelegt und die Erregungsstromkomponente Im an einen Addierer 4F. Der Addierer 4D addiert einen Drehmomentstromkomponentensollwert It*, der vom Addierer 4C ausgegeben wird, und den erfaßten Drehmomentstromwert It mit den dargestellten Vorzeichen und liefert die sich ergebende Abweichung zu einem Drehmomentstromregler (q-Achsen-Stromsteuereinheit) 10q. Der Stromregler 10q erzeugt in Abhängigkeit von der Drehmomentstromabweichung einen q-Achsen-Spannungssollwert Vq* und gibt diesen an eine Vektorberechnungseinheit 17. Andererseits addiert der Addierer 4F einen Erregungsstromkomponentensollwert Im*, der von einer Erregungsstromsollwertschaltung 16 ausgegeben wird, und den erfaßten Erregungsstromwert Im mit den dargestellten Vorzeichen und liefert die sich ergebende Abweichung an einen Erregungsstromsregler (d-Achsen-Stromsteuereinheit) 10d. Der Erregungsstromregler 10d erzeugt in Abhängigkeit von der Erregungsstromabweichung einen d-Achsen-Spannungssollwert Vd* und gibt diesen an die Vektorberechnungseinheit 17. Die Vektorberechnungseinheit 17 nimmt den q-Achsen-Spannungssollwert Vq* und den d-Achsen-Spannungssollwert Vd* auf, leitet durch Berechnung Spannungssollwerte für die jeweiligen Phasen ab und liefert diese zu Zündsteuerschaltungen 18U, 18V und 18W der jeweiligen Phasen. Als Schaltung für die Zündsteuerung wird beispielsweise eine Schaltung zum Ausführen einer Impulsbreitenmodulation verwendet. Die Zündsteuerschaltungen 18U, 18V und 18W steuern den Umrichter 1 so, daß der Primärstrom des Asynchronmotors 20 geregelt ist.

Mit der Vektorsteuerung dieses Aufbaus wird die Größe, Frequenz und Phase des Primärstromes I1 für den Asynchronmotor 20 geregelt, wobei der Drehmomentstrom It und der Erregungsstrom Im unabhängig voneinander geregelt wird.

Da die nach Fig. 9 durch Ansteuerung des Umrichters 1 in einer Ständerspannungssteuerart ausgeführte Vektorsteuerung bekannt ist, wird hier auf eine genauere Beschreibung davon verzichtet.

Auch bei der Ausführungsform der Fig. 9 umfaßt das Drehmomentstromregelsystem (Drehzahlregelsystem) die Berechnungseinheit 8 für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil, die Absenkvariablen- Berechnungseinheit 9 und den Filter 3. Die Absenkvariable wird daher durch den Beschleunigungs- oder Bremsstrom nicht geändert, wodurch die Stabilität der Drehzahlregelung mit der Vektorsteuerung verbessert ist.

Bei der Ausführungsform der Fig. 9 erfolgt die Vektorsteuerung durch Spannungs-Steuerung des Umrichters. Auf die gleiche Weise wie beschrieben kann jedoch natürlich auch eine Vektorsteuerung durch Ständerstrom-Steuerung ausgeführt werden.

Bei jeder der beschriebenen Ausführungsformen können die Positionen der Addierer 4A und 4B ausgetauscht werden. Auch sind in den Ausführungsformen der Fig. 1 und 5 die Positionen der Addierer 4C und 4D austauschbar. Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 8 und 9 können die Addierer 4C, 4D und 4E in beliebiger Reihenfolge angeordnet werden.

Bei den obigen Ausführungsformen erfolgt die Regelung mittels Analogsignalen. Es sind jedoch auch entsprechende Ausführungen mit einem Mikroprozessor zur Ausführung einer digitalen Steuerung möglich.

Beispielsweise ist in der Fig. 10 ein Aufbau gezeigt, der der Ausführung der Fig. 1 entspricht, jedoch eine digitale Steuerung beinhaltet. Das Ablaufdiagramm für die Arbeitsweise davon ist in der Fig. 11 dargestellt.

Gemäß Fig. 10 umfaßt eine Steuereinheit 100 eine Zentraleinheit (CPU) 102, einen Festwertspeicher (ROM) 104, einen Direktzugriffspeicher (RAM) 106, eine Ein/Ausgabeschaltung (I/O) 108 und einen Bus 110. Die Steuereinheit 100 weist die Funktionen der Addierer 4A bis 4D, der Drehzahlberechnungseinheit 6, des Drehzahlreglers 7, der Berechnungseinheit 8 für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil, der Absenkvariablensteuereinheit 9 und des Stromreglers 10 der Fig. 1 auf. Der vom Stromwandler 12 zugeführte Ständerstrom I, der Drehzahlsollwert ω* und die Impulse vom Kodierer 5 werden der Ein/Ausgabeschaltung 108 eingegeben. Die Ein/Ausgabeschaltung 108 liefert einen auf der Basis dieser Eingangssignale berechneten Signalsollwert an die Steuerimpulserzeugungseinheit 11.

Mit Bezug auf das Ablaufdiagramm der Fig. 11 wird nun die Arbeitsweise der Steuereinheit 100 erläutert.

Zuerst wird auf der Basis der Impulse vom Kodierer 5 die Motordrehzahl berechnet und der Wert ω dafür im RAM 106 gespeichert (Schritt S1). Dann wird die im RAM 106 gespeicherte Absenkvariable Δωd vom Drehzahlsollwert ω* abgezogen, um den Absenkdrehzahlsollwert ωd* abzuleiten (Schritt S2). Der im RAM 106 gespeicherte Wert ω für die erfaßte Drehzahl wird von dem so abgeleiteten Sollwert ωd* subtrahiert, und es wird auf der Basis der sich ergebenden Differenz der Drehmomentstromsollwert IL* bestimmt (Schritt S3). Dann wird auf der Basis des Stromsollwertes IL* die Absenkvariable Δωd bestimmt und dazu verwendet, den vorhergehenden Wert für die Absenkvariable im RAM 106 zu erneuern (Schritt S4). Aus dem Drehzahlsollwert ω* wird nun der Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil Iad abgeleitet (Schritt S5). Der Drehmomentstromsollwert IL* und dieser Wert Iad für den Beschleunigungs- oder Bremsstromanteil werden zusammenaddiert, um den Stromsollwert I* zu erhalten (Schritt S6). Der Ständerstrom I wird von diesem Stromsollwert I* subtrahiert, um die Stromabweichung festzustellen (Schritt S7). Aus der Stromabweichung wird der Triggersteuerstrom errechnet und an die Steuerstromerzeugungseinheit 11 abgegeben (Schritt S8).

Die Berechnungsverfahren (Gleichungen) zum Ableiten der jeweiligen Werte sind mit denen für die Ausführungen der Fig. 1 identisch.

Der angegebene Arbeitsablauf stellt nur ein Beispiel dar, und es sind viele Abwandlungen des Vorganges möglich. Alternativ kann zum Beispiel der Wert ω für die erfaßte Drehzahl vom Drehzahlsollwert ω* abgezogen werden und der Drehmomentstromsollwert IL* auf der Basis eines Wertes berechnet werden, der durch weiteres Subtrahieren der Absenkvariablen Δωd von der sich ergebenden Differenz erhalten wird.

Durch Anwendung eines ähnlichen Verfahrens kann die digitale Steuerung auch auf jede der Ausführungsformen der Fig. 5, 8 und 9 angewendet werden.

Claims

1. Drehzahlregelkreis für einen Elektromotor,

- mit einem dem Drehzahlregelkreis unterlagerten Stromregelkreis und
- mit einem Subtrahierer (4A), der von dem Drehzahlsollwert (ω*) einen Wert (Δωd) subtrahiert, der dem Motorstrom proportional ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- der dem Motorstrom proportionale Wert (Δωd) einem ersten Stromsollwert (IL*) am Drehzahlregelerausgang proportional ist, und daß
- ein Vorhalteglied erster Ordnung (Berechnungseinheit 8) mit einer vorgegebenen Zeitkonstanten (T_n) vorgesehen ist, wobei das Vorhalteglied den Drehzahlsollwert (ω*) als Eingangssignal erhält und dessen Ausgangssignal (Iad) als beschleunigungsabhängiger Stromanteil dem ersten Stromsollwert (IL*) hinzuaddiert wird, um einen zweiten Stromsollwert (I*) zu erhalten.

2. Drehzahlregelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante (T_n) des Vorhaltegliedes erster Ordnung der Ersatzzeitkonstanten (T₁) des Drehzahlregelkreises entspricht.

3. Drehzahlregelkreis nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Verzögerungsglied erster Ordnung (Filter 3) mit der gleichen Zeitkonstante T_n für den Drehzahlsollwert in Signalflußrichtung vor dem Subtrahierer (4A).

4. Drehzahlregelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stromsollwert die Ableitung des Drehzahl-Istsignales hinzuaddiert wird.

5. Drehzahlregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein umrichtergespeister Asynchronmotor ist, und daß der Stromregelkreis auf die drehmomentbildende Stromkomponente einer feldorientierten Steuerung wirkt.