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Dokumentenidentifikation DE69810150T2 25.09.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 1026818
Titel MOTORGESCHWINDIGKEITSREGLER UND VERFAHREN ZUR EINSTELLUNG DER VERSTÄRKUNG DES REGLERS
Anmelder Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki, Kitakyushu, Fukuoka, JP
Erfinder KAKU, Yasuhiko, Kitakyushu-shi, Fukuoka 806-0004, JP;
KITAZAWA, Takashi, Kitakyushu-shi, Fukuoka 806-0004, JP;
OKUBO, Tadashi, Kitakyushu-shi, Fukuoka 806-0004, JP
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 28209 Bremen
DE-Aktenzeichen 69810150
Vertragsstaaten DE, GB, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 15.10.1998
EP-Aktenzeichen 989479142
WO-Anmeldetag 15.10.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/JP98/04694
WO-Veröffentlichungsnummer 0099022441
EP-Offenlegungsdatum 09.08.2000
EP date of grant 11.12.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.09.2003
IPC-Hauptklasse H02P 5/00
IPC-Nebenklasse G05B 13/02   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf einen Motorgeschwindigkeitsregler, der eine schnelle Antwort ermöglicht, und ein Verfahren zur Einstellung der Verstärkung des Reglers gerichtet.

Hintergrund des Stands der Technik

Ein Geschwindigkeitsregler eines elektrischen Motors kann dafür verwendet werden, nicht nur eine nachfolgende Funktion auf einen Geschwindigkeitsbefehl, sondern auch eine Schnellpositionierungsfunktion durch Hinzufügung einer Positionierungsregelschleife außerhalb einer Geschwindigkeitschleife auszuführen. Es ist essentiell, daß das Geschwindigkeitsregelsystem in der Lage ist, einem Geschwindigkeitsbefehl bei einer hohen Geschwindigkeit und hohen Genauigkeit zu folgen. Nachfolgend wird der Stand der Technik betreffend den zuvor beschriebenen Fachbereich aufgelistet und eine Beschreibung für Merkmale in jedem Fall gegeben.

(1) Motorgeschwindigkeitsregler, der nur Geschwindigkeitssignale, die von einem Positionsdifferential resultieren, rückkoppelt

In diesem Fachbereich werden höhere harmonische Welligkeitskomponenten in der Ermittlungsgeschwindigkeit entsprechend verstärkt, um zu bewirken, daß die Drehmomentwellenform deformiert wird, wenn eine Proportionalverstärkung der Geschwindigkeitsschleife erhöht wird, um eine Hochgeschwindigkeitsantwort zu erreichen, wodurch solche Probleme auftauchen, bei denen Motorgeräusche und Vibrationen verstärkt werden. Wo ein elektrischer Motor, der durch den Motorgeschwindigkeitsregler gesteuert wird, einen Mechanismus antreibt, wird die Deformierung der zuvor genannten Drehmomentwellenform eine Quelle von Vibrationen in Bezug auf Resonanzelemente des Mechanismus und des Leistungsübertragungssystems werden, oder die Existenz von Resonanzkennlinien kann die Stabilitätsspanne des Regellcreises zerstören, wodurch Resonanzgeräusche auftreten, wenn der Mechanismus betrieben wird, und das Regelsystem kann unstabil gemacht werden. Daher tritt solch ein Problem auf, bei dem die Antwortkennlinien des Geschwindigkeitsregelsystems nicht verbessert werden können, da die Größe der Proportionalverstärkung des Motorgeschwindigkeitsreglers aufgrund der Deformierung der Drehmomentwellenform und dem Rückgang in der Stabilitätstoleranz des Regelkreises begrenzt ist.

(2) Verfahren zum Durchlassen einer Ausgabe einer erfaßten Geschwindigkeit durch einen Tiefpaßfilter

Ein Verfahren zum Durchlassen einer Ausgabe einer erfaßten Geschwindigkeit durch einen Tiefpaßfilter, um ein Rauschen zu reduzieren, wird erwogen, um die Drehmomentwellenform zu glätten, wobei jedoch die Proportionalverstärkung des Geschwindigkeitsregelsystems nicht erhöht werden kann und die Antwortcharakteristik nicht verbessert werden kann, da die Stabilitätstoleranz der Regelschleife durch ein Ansteigender Phasenverzögerung beschädigt wird.

(3) Verfahren zur Anwendung eines Beobachters für gleiche Dimensionen (Zustände)

Es wird erwogen, daß ein Beobachter für gleiche Dimensionen (Zustände) mitwirkend in dem Geschwindigkeitsregelsystem angewandt wird, um die Drehmomentwellenform zu glätten und die Stabilitätstoleranz in dem Regelsystem zu sichern. Da der Beobachter für gleiche Dimensionen (Zustände) vom Prädiktionstyp ist, kann man sich leicht vorstellen, daß Geschwindigkeitssignale, die eine geringere Phasenverzögerung aufweisen, ausgegeben werden können, und die Geschwindigkeitssignale erhalten werden können.

(4) Verfahren zur Steuerung von Vibrationen durch Verwendung eines Äquivalenzstarrkörperbeobachters

Die japanische Patentanmeldung Nr. 12785 aus dem Jahr 1994 (Offenlegungsschrift Nr. 337057 aus dem Jahr 1995) und die japanische Patentanmeldung Nr. 233528 aus dem Jahr 1995 (Offenlegungsschrift Nr. 56183 aus dem Jahr 1997) existieren als Mittel zur Erhöhung der Proprotionalverstärkung des Geschwindigkeitsregelsystems, welches ein Mechanismussystem betreibt, das durch mechanische Resonanzelemente beeinflußt ist, wobei die Stabilitätstoleranz der Regelschleife sichergestellt ist. Diese sind derart aufgebaut, daß eine Regelstruktur bestehend aus einem Äquivalenzstarrkörperbeobachter, einem Tiefpaßfilter, einem Hochpaßfilter und einer Vibrationsregelverstärkung dem Geschwindigkeitsregelsystem hinzugefügt wird.

Mängel und Probleme betreffend die vorliegende Erfindung werden nun nachfolgend zusammengefaßt;

(a) Im allgemeinen, obgleich ein Geschwindigkeitsregelsystem aus einem Proportional- plus einem Integraltyp besteht, da eine gleichmäßige Abweichung in den ermittelten Signalen aufgrund von Störgrößen, wie Coulomb-Reibung in dem Zustandsbeobachter, auftauchen, besteht ein Problem derart, daß die Ausgabe des Geschwindigkeitsregelsystems nicht koinzident mit der Steuergeschwindigkeit ist. Daher können gewöhnliche Zustandsbeobachter nicht in dem Geschwindigkeitsregelsystem, wie es besteht, eingesetzt werden.

(b) In einem Motorgeschwindigkeitsregler, der einen Äquivalenzstarrkörperbeobachter verwendet, muß eine Vielzahl von Parametern eingestellt werden. Es ist notwendig, im Gesamten mindestens drei Parameter zusätzlich zu den normalen Steuerparametern des Geschwindigkeitsregelsystems, wie eine Beobachterverstärkung, Zeitkonstanten eines Tiefpaßfilters und Hochpaßfilters und einer Vibrationsregelverstärkung hinzuzufügen und einzustellen.

(c) Es gibt kein Einstellungsverfahren für Hochgeschwindigkeitsantworten in dem Geschwindigkeitsregelsystem, oder nur solche, bei denen das Einstellverfahren kompliziert ist. Daher existieren in dem Stand der Technik eine Vielzahl von Parametern, die eingestellt werden müssen, wobei das Einstellungsverfahren kompliziert ist, und ein Problem tritt in denen auf, bei denen kein Einstellungsverfahren bereitgestellt wird.

Als ein Mittel zur Lösung des zuvor Beschriebenen, wird eine Einstellung derart bestimmt, daß die dynamischen Charakteristiken des Beobachters nicht die dynamischen Kennlinien des Geschwindigkeitsregelsystems beeinflussen, indem eine größere Beobachterverstärkung als die Verstärkung des Geschwindigkeitsregelsystems gewählt wird, wobei viele Fälle existieren, bei denen die Einstellung des Regelsystems vereinfacht wird.

(d) Das Geschwindigkeitsregelsystem, in dem ein Beobachter eingebaut ist, ist nicht so konstruiert, daß die Antwortcharakteristiken desselben einfach verbessert werden können. Das heißt, in diesem Fall können die mechanischen Resonanzkomponenten nicht ausreichend durch den Beobachter reduziert werden, wobei die Proportionalverstäkung des Geschwindigkeitsregelsystems nicht erhöht werden kann (eine detaillierte Beschreibung wird später gegeben), da die Grenzfrequenz des Beobachters (als ein Filter) hoch ist.

Basierend auf den vorherigen Annahmen ist es daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Motorgeschwindigkeitsregler bereitzustellen, der eine Regelstruktur aufweist, bei dem die Anzahl von Parametern, die eingestellt, werden müssen, reduziert werden kann, und die Proprotionalverstärkung des Geschwindigkeitsregelsystems erhöht wird, in einem Geschwindigkeitsregelsystem, in dem ein Äquivalenzstarrkörperbeobachter (Beobachter) eingesetzt wird, und die Schritte zur Einstellung derart sind, um einfach die Geschwindigkeitsantwort in dem Regelsystem zu beschleunigen.

Offenbarung der Erfindung

In der folgenden Beschreibung sind die folgenden Bezugssymbole wie folgt festgelegt;

s: Laplace-Operator

s: Dämpfungskoeffizient eines Beobachters

ωs: Frequenzband eines Beobachters

Kv: Proportionalverstärkung

Cf(s): Übertragungsfunktion des Stabilisierungskompensators, der später beschrieben wird.

Um die zuvor beschriebenen Mängel und Problem zu lösen, umfaßt in Motorgeschwindigkeitsregler entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung:

ein Geschwindigkeitsregelmittel, aufweisend ein proportional arbeitendes Mittel, das die Winkelgeschwindigkeit eines Motors regelt;

ein modelliertes Äquivalentstarrkörpermodell in einem Verzögerungssystem erster Ordnung, in dem innere Reibung zu einer Zeitkonstante verarbeitet wird;

ein erstes Kompensationsmittel zum Ausführen einer Porportionaloperation;

ein zweites Kompensationsmittel zum Ausführen einer Integrationsoperation;

ein Mittel zum Zusammenzählen von Dreh momentsignalen eines Motors, die von dem Geschwindigkeitsregelmittel ausgegeben werden; einer Ausgabe des ersten Kompensationsmittels und einer Ausgabe des zweiten Kompensationsmittels, zum Eingeben der Summe davon in das Äquivalenzstarrkörpermodell und Eingabe eines Differentialsignals, das durch Subtraktion der Ausgabe des Äquivalenzstarrkörpennodells von den Geschwindigkeitssignalen des Geschwindigkeitsregelmittels erhalten wird, in das erste und zweite Kompensationsmittel; und

ein Mittel, das eine Proportionalverstärkung des ersten Kompensationsmittels in Form des Produkts der ersten Verstärkung (~) und der zweiten Verstärkung (ωs) definiert, das eine Integration des zweiten Kompensationsmittels in Form eines Quadrats der zweiten Verstärkung definiert, das die Proportionalverstärkung (Kv) des Proportionaloperationsmittels des Geschwindigkeitsregelmittels mit einem Bandeinstellungskoeffizienten (ä), der zuvor festgesetzt wurde, multipliziert und es zu einer Rückkopplungseingabe für die zweite Verstärkung (ωs) verarbeitet,

wobei die Ausgabe des Äquivalenzstarrkörpermodells zu einer Rückkopplungseingabe für das Geschwindigkeitsregelmittel als eine ermittelte Geschwindigkeit verarbeitet wird.

Ferner wird zusätzlich zu einem Motorgeschwindigkeitsregler, wie er unter dem ersten Aspekt dargelegt wurde, entsprechend einem zweiten Aspekt der Erfindung, ein Verfahren zur Einstellung der Verstärkung für den Regler mittels Wiederholung der Schritte

Einstellen des Bandeinstellungskoeffizienten auf einen vorbestimmte Wert; Erhöhung der Proportionalverstärkung eines Proportionaloperationsmittels des Geschwindigkeitsregelmittels, sofort bis an den Grenzwert der Oszillation des Geschwindigkeitsregelsystems; Wechsel des Bandeinstellungskoeffizienten auf einen niedrigeren Wert als der vorbestimmte Wert; und Erhöhung der Proportionalverstärkung des Proportionaloperationsmittels des Geschwindigkeitsregelmittels, sofort bis an den Grenzwert der Oszillation, bereitgestellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockschema, das das Prinzip eines Motorgeschwindigkeitsreglers gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 2(a) ist ein Blockschema, das bedingt äquivalent zu dem Blockschema, das in Fig. 1(d) gezeigt ist, ist, Fig. 2(b) entspricht einem Geschwindigkeitsregelmittel, das durch Proportionalregelung erreicht wird, Fig. 2(c) entspricht einem Geschwindigkeitsregelmittel, das durch Proportional- und Integralregelung erreicht wird, und Fig. 2(d) entspricht einem Geschwindigkeitsregelmittel, das durch Integral- plus Proportionalregelung erreicht wird;

Fig. 3 ist ein Blockschema betreffend eine bevorzugte Ausführungsform eines Motorgeschwindigkeitsreglers und eines Verfahrens zur Einstellung der Verstärkung des Reglers gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ist eine Ansicht, die die Ergebnisse einer Computersimulation in der bevorzugten Ausführungsform; die in Fig. 3 dargestellt ist, zeigt.

Beste Art zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 ist ein Blockschema, das das Prinzip eines Geschwindigkeitsreglers zeigt, der die Basis eines Motorgeschwindigkeitsreglers, entsprechend der Erfindung, sein wird. Ein zu regelndes Objekt, das mit mechanischen Resonanzen einhergeht, wurde bereits durch den gleichen Anmelder der Erfindung als offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. 337057 aus dem, Jahr 1995 und Nr. 56183 aus dem Jahr 1997 angemeldet. Es wird durch Blockschemata ausgedrückt, die in einen Äquivalenzstarrkörper 101 und ein mechanisches Resonanzsystem 102, das in Fig. 1a gezeigt ist, unterteilt ist. Zur Vereinfachung der Zeichnung wird angenommen, daß die zähe Reibung des Motors gering und Do = 0 ist, und daß die Trägheit vereinfacht auf J = 1 ist.

Es ist notwendig, einen Beobachter für gleiche Dimensionen (Zustände) bereitzustellen, der eine Störgrößenkompensationsfunktion auf Basis der vorherigen Beschreibung aufweist. Daher kann in der Erfindung ein Beobachter, in dem ein Ermittlungsgeschwindigkeits- und Drehmomentbefehlssignal des Motors als Eingaben verwendet wird, so konstruiert werden, daß er eine derartige Struktur, wie in Fig. 1(a) gezeigt, aufweist, wenn ein Äquivalenzstarrkörperbeobachter (japanische Patentveröffentlichungsnummer 337057 aus dem Jahr 1951), der eine Störgrößenkompensationsfunktion aufweist, verwendet wird. Jedoch wird in der Erfindung, abweichend von dem Stand der Technik, der in der zuvor erwähnten Patentveröffentlichung offenbart ist, die Ausgabe des Äquivalenzstarrkörpermodells 111 des Äquivalenzstarrkörperbeobachters 110 an das Geschwindigkeitsregelsystem als eine ermittelte Geschwindigkeit zurückgekoppelt, wobei es möglich ist, ein Geschwindigkeitsregelsystem zu konstruieren, an das ein Äquivalenzstarrkörperbeobachter angebaut ist, der eine Geschwindigkeit als eine Ausgabe verwendet. Ein Stabilisationskompensator 112 des Beobachters kann in Form der folgenden Gleichung (1) ausgedrückt werden.

C (s) = 2 sωs + ... (1)

Das Geschwindigkeitsregelmittel (103) in Fig. 1(a) kann Eingaben eines Geschwindigkeitsbefehls und einer Geschwindigkeitsrückkopplung empfangen und kann das Drehmoment eines Motors ausgeben, wobei keine Regulierung im Hinblick auf die Struktur notwendig ist. Als einige Beispiele desselben sind jeweilige Regelstrukturen, wie Proportionalregler, Proportional- plus Integralregler und Integral- plus Proportionalregler in den Fig. 2(a), 2(b) und 2(c) dargestellt.

Normalerweise werden, wenn Blockschemata zu diesem Grad zusammengefaßt sind, kein weiteren Umformungen durchgeführt. Jedoch sind die Blockdiagramme der vorliegenden Erfindung gewagt weiter umgeformt, um im wesentlichen die Struktur eines Geschwindigkeitsregelsystems zu verstehen, an das ein Äquivalenzstarrkörperbeobachter 110 angebaut ist.

Das Blockschema der Figur (a) ist weiter umgeformt, in der Reihenfolge von (a), (b) und (c) und es kann gesehen werden; daß der Geschwindigkeitsrückkoppeldurchgang in zwei äquivalente Rückkoppelschleifen (außen und innen) aufgeteilt werden kann. Die innere Äquivalenzrückkoppelschleife in Fig. 1(c) kann weiter umgeformt werden, wie in Fig. 1(d).

Die Übertragungsfunktion Gein(s) der inneren Äquivalenzrückkoppelschleife wird zur Gleichung (2), die auf der Gleichung (1) basiert.

Da die obere Gleichung ein mehrtermiger Ausdruck ist, in dem alle Zähler nur aus einem Term eines Quadrats von s und die Nenner aus zwei Dimensionen von s bestehen, ist ein Block von Gein(s) ein Hochpaßfilter.

Eine Übertragungsfunktion Gaus(s) des Blocks der äußeren Äquivalenzrückkopplungsschleife wird zu dem folgenden Ausdruck (3).

Da der obere Ausdruck ein mehrtermiger Ausdruck ist, in dem die Zähler aus einer Dimension von s und die Nenner aus zwei Dimensionen von s bestehen, ist der Block von Gaus(s) ein Tiefpaßfilter.

Um die zuvor beschriebene innere und äußere Äquivalenzruckkopplungsschleife zu berücksichtigen, wird ein idealer Zustand, in dem die Steifheit einer Belastungsmaschine hoch ist, im Hinblick auf Fig. 1 (d) berücksichtigt. Zu diesem Zeitpunkt werden die innere und äußere Äquivalenzrückkopplungsschleife zusammengefaßt, da angenommen werden kann; daß R(s) = 1 ist, wobei der folgende Ausdruck (4) gebildet wird.

Basierend auf dem Ausdruck (4) wird beobachtet, daß ein Geschwindigkeitsregelsystem, in dem der Äquivalenzstarrbeobachter für gleiche Dimensionen, der in Fig. 1(a) gezeigt ist, eingebaut ist, äquivalent jeweilige Rückkoppelschleifen außen, die Tiefbandkomponenten eines Geschwindigkeitssignals rückkoppelt, und innen, die Hochbandkomponenten rückkoppelt, aufweist.

Im allgemeinen wurde herausgefunden, daß die Stabilisierung des Geschwindigkeitsregelsystems von der Phasencharakteristik von höheren harmonischen Bändern einer Regelschleife abhängt und konstante Charakteristiken wie eine Störgrößenunterdrückungskapazität von den Verstärkungscharakteristiken eines Tieffrequenzbandes der Regelschleife abhängen. In Fig. 1(d), wo das Frequenzband eines Tiefpaßfilters und eines Hochpaßfllters in der Regelschleife so eingestellt ist, daß sie niedriger als das Zielband in der Geschwindigkeitsregelschleife (durch Einstellung von ωs) ist, wird die Stabilität der Regelschleife durch die innere Schleife festgelegt und die Konstanzcharakteristiken werden durch die äußere Schleife bestimmt. Da die innere Schleife nicht durch das mechanische Resonanzelement R(s) hindurchgeht, ist die Band des Hochpaßfllters auf einen optimalen Wert durch ωS eingestellt, wobei die Geschwindigkeitsschleifenverstärkung erhöht werden kann, und die Zielantwortcharakteristiken des Geschwindigkeitsregelsystems verbessert werden können. In dem konventionellen Stand der Technik wurde das Frequenzband des Beobachters unscharf breiter festgelegt als das Frequenzband des Regelsystems, da nicht eine solche Idee existierte, die solche Charakteristiken des Beobachters, der in dem Steuersystem eingebaut ist, nutzt. Zum Beispiel wurde der nachfolgende Ausdruck (5) eingesetzt.

ωs > 2Kv ... (5)

In solch einem Fall muß nur die äußere Schleife verwendet werden, um gleichzeitig die Stabilitäts- und Konstanzcharakteristiken zu verbessern, da nahezu keine Stabilisierungsfunktion in der inneren Schleife erzeugt wird, wobei dies nahezu das gleiche ist, wie in einem Fall, wo kein Beobachter verwendet wird. Das heißt, daß kein Vorteil der inneren Schleife genutzt wird.

Die vorliegende Erfindung nutzt positiv die innere und äußere Schleife und ωs wird durch den folgenden Ausdruck (6) bestimmt, der einen Bandeinstellungskoeffizienten α verwendet, um die Antwortcharakteristiken einer Geschwindigkeitsschleife zu verbessern.

ωs = aKv ... (6)

wobei der vorherige Wert α durch den nachfolgenden Ausdruck (7) bestimmt wird.

α < 1 ... (7)

In diesem Fall kann das Frequenzband des Beobachters automatisch niedriger als das Band (das überwiegend durch die Geschwindigkeitsschleifenverstärkung Kv bestimmt ist), was das Ziel in der Geschwindigkeitsregelschleife ist, eingestellt werden, wodurch es möglich wird, eine Regelungsstruktur zu konstruieren, die die Antwortcharakteristiken verbessern kann.

Der Beobachter s kann auf einen geeigneten Wert von 0,7 bis 2,0 eingestellt werden.

Der zuvor genannte Wert α wird auf einen geeigneten Wert im Bereich von 0,01 bis 1,00 eingestellt, wobei die Steifigkeit der Maschine, die mechanische Resonanzfrequenz und der Zielwert des Geschwindigkeitsregelsystems usw. beachtet wird. Wenn der Wert α jeder Wert außer Null (0) ist, wird das Regelsystem stabilisiert und a kann unabhängig von der Einstellung der Parameter des Stabilisierungskompensators des Geschwindigkeitsregelsystems eingestellt werden, wodurch die Einstellung von Parametern erleichtert werden kann.

Fig. 2 ist ein Blockschema, das bedingt äquivalent dem Blockschema der Fig. 1 (d) ist. Eine Beschreibung von Gründen, warum das Regelsystem stabilisiert ist, obwohl der Wert α adäquat festgesetzt ist, wird unten gegeben. R(s) = 1 wird angenommen, um die Stabilität des Regelsystems nur durch den Beobachter in Erwägung zu ziehen und die mechanische Resonanz wird ausgeschlossen, wobei das lineare Blockschema, das in Fig. 1 (d) gezeigt ist, wie das in Fig. 2(a) wird. Die Übertragungscharakteristiken eines Blocks in dem Geschwindigkeitsrückkoppeldurchgang in Fig. 2 wird ähnlich dem folgenden Ausdruck (8) auf der Basis der Ausdrücke (2), (3) und (6).

In dem Ausdruck (8) wird die Geschwindigkeitsregelschleife stabil in bezug auf den vorherigen Wert α, der anders als Null (0) ist; gemacht, da der mehrtermige Ausdruck des Nenners stabil in bezug auf den zuvor angeführten Bereich s und die rechte Seite = 1 ist.

Fig. 3 ist ein lineares Blockschema betreffend einen Motorgeschwindigkeitsregler der Erfindung und ein Verfahren zur Einstellung der Verstärkung des Reglers.

In der Zeichnung ist der Motorgeschwindigkeitsregler 1 ein Geschwindigkeitsregelsystem bestehend aus einem Drehmomentregler 11, der einen elektrischen Motor (nicht dargestellt) und ein Mittel zur Regelung des Drehmoments desselben aufweist, einen Stabilisierungskompensator 12 und eine Trägheitskompensationsverstärkung 13. 10 bezeichnet einen Äquivalenzstarrkörper; J in dem Block bezeichnet die Gesamtträgheit des Moors und der Belastungseinrichtung, Do ist die viskose Reibung des Motors und der Belastungseinrichtung und 14 bezeichnet ein mechanisches Resonanzsystem.

Der zuvor erwähnte Stabilisierungskompensator 12 empfängt die Eingaben eines Geschwindigkeitsbefehlssignals und eines Geschwindigkeitsrückkoppelsignals und erkennt ein Beschleunigungssignal. Ein Drehmomentbefehlssignal wird mit dem Beschleunigungssignal, multipliziert mit einer Trägheitskompensationsverstärkung 13, ausgegeben. Wo das Geschwindigkeitsregelsystem aus einer Proprotionalregelung (P-Regelung) konstruiert ist, ist der Stabilisierungskompensator 12 aus einem Subtraktionsblock zur Subtraktion eines Geschwindigkeitsrückkoppelsignals von dem Geschwindigkeitsbefehlsignal und einem Proportionalberechnungselement konstruiert, und wo das Geschwindigkeitsregelsystem aus Proportionalplus Integralregelung (PI-Regelung) konstruiert ist, ist es aus dem zuvor genannten Subtraktionsblock, einem Proportionalelement und einem Integrationselement konstruiert. In dem Fall einer Integral- plus Proportionalregelung (IP-Regelung) ist der Stabilisierungskompensator auch aus dem zuvor genannten Subtraktionsblock, einem Proportionalelement und einem Integralelement gebildet. In jedem Fall ist die Proportionalverstärkung Kv. (Die Struktur dieses Kompensators ist in den Fig. 2(b), 2(c) und 2(d) dargestellt.)

Der Drehmomentregler 11 empfängt Eingaben der Drehmomentbefehlsignale, regelt das Drehmoment eines Motors und gibt ein Geschwindigkeitssignal des Motors aus. In dem Fall, wo der Motor mit nur einem Winkelsensor ausgestattet ist, kann ein Winkelgeschwindigkeitssignal durch eine Differentialberechnung der ermittelten Winkels erhalten werden und dieses Signal kann als ein ermitteltes Geschwindigkeitssignal ausgegeben werden.

Der Äquivalenzstarrkörperbeobachter 2, der als ein Geschwindigkeitsbeobachter angewendet wird, besteht aus einem Äquivalenzstarrkörpermodell 21, einem Trägheitsmodell 22, das durch dlie Gesamtträgheit bestehend aus einer Trägheit eines Motors und einer Trägheit einer Last festgelegt ist, und einem Stabilisierungskompensator 23 des Beobachters.

Die Stabilisierungskompensation 23 des Beobachters ist aus einem Proportionalberechnungsmittel 231, das das erste Kompensationsmittel ist, und einem Integralberechnungsmittel 232, das das zweite Kompensationsmittel ist, gebildet.

Die Verstärkung des Proportionalberechnungsmittels 231 ist durch das Produkt, das das Zweifache des Produkts von s, der die erste Verstärkung ist, und ωs, das die zweite Verstärkung ist, festgelegt und die Verstärkung des Integralberechnungsmittels ist festgelegt durch das Quadrat von ωs. s ist eine Dämpfungskonstante des Beobachters. Das Frequenzband ωs des Beobachters ist durch das Produkt eines Bandeinstellungskoeffizienten α und einer Propoitionalverstärkung Kv des Geschwindigkeitsregelsystems festgelegt.

Bezüglich des Geschwindigkeitsbeobachters gibt es nur einen Parameter, der ein Bandeinstellung; skoeffizient α ist, der eingestellt werden muß, da die Werte des Motormodells 21, des Gesamtträgheitsmodells 22 und der Dämpfungskonstanten des Beobachters vorher festgesetzt werden können. Das heißt, nur der Bandeinstellungskoeffizient α kann zusätzlich zu den jeweiligen Regelparametern des Geschwindigkeitsregelsystems eingestellt werden.

Als nächste wird eine Beschreibung eines Beispiels eines Verstärkungseinstellungsverfahrens gegeben.

Ein Beispiel für ein Einstellungsverfahren wird unten beschrieben, bei dem die Proportionalverstärlcung (Kv) des Proportionalberechnungsmittels des zuvor genannten Geschwindigkeitsregelmiatels durch Einstellung des Bandeinstellungskoeffizienten α erhöht wird.

Schritt 1: Der Bandeinstellungskoeffizient (α) wird auf einen vorbestimmten Wert fest gestellt.

Schritt 2: Die Proportionalverstärkung (Kv) des Proportionalberechnungsmittels des zuvor genannten Geschwindigkeitsregelmittels wird sofort bis zu einem Grenzwert der Oszillation (der Grenzwert wenn die Oszillation initiiert wird) des Geschwindigkeitsregelsystems erhöht.

Schritt 3: Der Bandeinstellungskoeffizient (α) wird auf einen Wert geringer als der vorbestimmte Wert gewechselt.

Schritt 4: Die Proportionalverstärkung (Kv) des Proportionalberechnungsmittels des Geschwindigkeitsregelmittels wird sofort bis an den Grenzwert der Oszillation (der Grenzwert, wenn die Oszillation inittiiert wird) des Geschwindigkeitsregelsystems erhöht.

Schritt 5: Durch Wiederholung der Schritte 3 und 4 wird die Proportionalverstärkung (Kv) des Proportionalberechnungsmittels des Geschwindigkeitsregelmittels größer als der Grenzwert des Schritts 2 erhöht.

Fig. 4 ist eine beschreibende Ansicht, die die Resultate einer Computersimulation in einer bevorzugten Ausführungsform, die in Fig. 3 dargestellt ist, eines Motorgeschwindigkeitsreglers und eines Verstärkungseinstellungsverfahrens des Reglers entsprechend der Erfindung zeigt. Um die Zeichnung zu vereinfachen, wurde das Geschwindigkeilsregelsystem in ein Proportionalsystem überführt und der Geschwindigkeitsbefehl besteht aus einer linearen Beschleunigungswellenform.

Fig. 4(a) zeigt den Fall, bei dem die Proportionalverstärkung des Geschwindigkeitsregelmittels auf einen Wert (Kv = 188 [1/s]), bei der die Oszillation initiiert wird, festgelegt ist, wobei die Oszillation in der Drehmomentwellenform eines Motors und die Geschwindigkeitswelllenform desselben ansteigt und das Geschwindigkeitsregelmittel nicht als Geschwindigkeitsregler verwendet werden kann. Die folgende Funktion des Geschwindigkeitsbefehls kann nicht höher als der vorherige Wert erhöht werden.

Fig. 4(b) zeigt einen Fall, wo der Äquivalenzstarrkörperbeobachter als eine Geschwindigkeitsfolgeeinheit in einem Zustand eingebaut ist, wo die jeweiligen Regelverstärkungen (Kv = 188 [1/s]) des Geschwindigkeitsregelmittels unverändert bleiben, wobei die Oszillation der Drehmomentwellenform und Geschwindigkeitswellenform des Motors eliminiert sind und das Geschwindigkeitsregelmittel mit Toleranz verwendet werden kann. Daher wird erwartet, daß die Funktion, die den Geschwindigkeitsbefehlen folgt, verbessert werden kann. Der Bandeinstellung; skoeffizient (α) wird bei 10% festgestellt und, wie in der Beschreibung der Prinzipien der Erfindung; ist herausgefunden worden, daß die Stabilität der Regelung zurückgewonnen werden kann durch Verringerung des Bandeinstellungskoeffizienten.

Fig. 4(c) zeigt einen Fall, bei dem nur die Proportionalverstärkung des Geschwindigkeitsregelmittels von 188 [1/s) auf 565 [1/s] gewechselt wurde, das heißt, um das Dreifache vergrößert wurde, wobei der Bandeinstellungskoeffizient bei (α = 10%) in einem Zustand verbleibt, bei dem der Äquivalenzstarrkörperbeobachter als eine Geschwindigkeitshalteeinheit eingebaut ist.

Da in dem Geschwindigkeitsregelmittel eine Oszillation schnell gedämpft wird, kann sie als Geschwindigkeitsregler verwendet werden. In diesem Fall ist es herausgefunden worden, daß die Funktion, die den Geschwindigkeitsbefehlen folgt, bemerkenswert im Vergleich zu dem Fall, der in Fig. 4(a) gezeigt ist, verbessert wurde. Durch eine sehr einfache Einstellung, in der der Bandeinstellungskoeffizient erniedrigt wird, wird die Proportionalverstärkung (Kv) des Geschwindigkeitsregelmittels einfach dreimal erhöht, wobei verstanden werden kann, daß die Aufgabe der Erfindung ausreichend erreicht wird.

Wie bereits zuvor beschrieben wurde, kann entsprechend der Erfindung in einem Geschwindigkeitsregler, der eine Maschine antreibt, das Befehlsfolgeverhalten des Geschwindigkeitsxeglers bemerkenswert verbessert werden, da ein Effekt hervorgerufen werden kann, durch den die Proportionalverstärkung in dem Geschwindigkeitsregler erhöht werden kann, während das Auftreten von mechanischen Resonanzen unterdrückt werden kann.

Insbesondere kann entsprechend den Resultaten der Simulation der Erfindung ein bemerkenswerter Effekt hervorgerufen werden, durch den die Proportionalverstärkung um das Dreifache durch einfache Verstärkungseinstellung unabhängig von der Existenz von mechanischen Resonanzen verbessert werden kann.

Ferner ist in einem Geschwindigkeitsregelsystem, in dem ein Äquivalenzstarrkörperbeobachter eingebaut ist, die Anzahl von Parametern, die eingestellt werden müssen, nur eins, das heißt nur der Bandeinstellungskoeffizient muß, zusätzlich zu den Regelparametern, als der Geschwindigkeitsregler eingestellt werden (in dem Stand der Technik waren zumindest zwei Parameter notwendig).

Daher kann ein Effekt hervorgerufen werden, durch den ein detailliertes Einstellungsverfähren, das einfach die Geschwindigkeitsantwort in dem Regler beschleunigen kann, versprochen werden kann, da die Proportionalverstärkung des Geschwindigkeitsregelmittels durch Erniedrigung des Bandeinstellungskoeffizienten erhöht wird, und ferner kann ein weiterer Effekt, da die Einstellung einfach ist, hervorgerufen werden, durch den ein Geschwindigkeitsregler, der ein gutes Verhalten über einen breiten Bereich aufweist, eingestellt werden kann.

Industrielle Anwendbarkeit

Wenn ein elektrischer Motor durch einen Motorgeschwindigkeitsregler einen Mechanismus antreibt, ist die vorliegende Erfindung dort anwendbar, wo die Proportionalverstärkung erhöht wird, während mechanische Resonanzen unterdrückt werden und die Notwendigkeit besteht, Hochgeschwindigkeitsbefehlen zu folgen.


Anspruch[de]

1. Motorgeschwindigkeitsregler, umfassend:

ein Geschwindigkeitsregelmittel, aufweisend ein proportional arbeitendes Mittel, das die Winkelgeschwindigkeit eines Motors regelt;

ein modelliertes Äquivalenzstarrkörpermodell in einem Verzögerungssystem erster Ordnung, in dem innere Reibung zu einer Zeitkonstante verarbeitet wird;

ein erstes Kompensationsmittel zum Ausführen einer Proportionaloperation;

ein zweites Kompensationsmittel zum Ausführen einer Integrationsoperation;

ein Mittel zum Zusammenzählen von Drehmomentsignalen eines Motors, die von dem Geschwindigkeitsregelmittel ausgegeben werden, einer Ausgabe des ersten Kompensationsmittels und einer Ausgabe des zweiten Kompensationsmittels, zum Eingeben der Summe davon in das Äquivalenzstarrkörpermodell und zur Eingabe eines Differentialsignals, das durch Subtraktion der Ausgabe des Äquivalenzstarrkörpermodells von den Geschwindigkeitssignalen des Geschwindigkeitsregelmittels erhalten wird, in das erste und zweite Kompensationsmittel; und

ein Mittel; das eine Proportionalverstärkung des ersten Kompensationsmittels in Form des Produkts der ersten Verstärkung ( s) und der zweiten Verstärkung (ωs) definiert, das eine Integration des zweiten Kompensationsmittel in Form eines Quadrats der zweiten Verstärkung definiert, das die Proportionalverstärkung (Kv) des Proportionaloperationsmittels des Geschwindigkeitsregelmittels mit einem Bandeinstellungskoeffizient (α); der zuvor festgesetzt wurde, multipliziert und es zu einer Rückkopplungseingabe für die zweite Verstärkung (ωs) verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabe des Äquivalenzstarrkörpermodells zu einer Rückkopplungseingabe für das Geschwindigkeitsregelmittel als eine ermittelte Geschwindigkeit verarbeitet wird.

2. Verfahren zur Einstellung der Verstärkung des Motorgeschwindigkeitsreglers nach Anspruch 1, umfassend die Schritte:

Festlegen des Bandeinstellungskoeffizienten auf einen vorbestimmten Wert;

Erhöhung einer Proportionalverstärkung des Proportionaloperationsmittels des Geschwindigkeitsregelmittels, sofort bis an den Grenzwert der Oszillation des Geschwindigkeitsregelsystems;

Wechsel des Bandeinstellungskoeffizient auf einen niedrigeren Wert als der vorbestimmte Wert;

Erhöhung der Proportionalverstärkung des Proportionaloperationsmittels des Geschwindigkeitsregelmittels, sofort bis an den Genzwert der Oszillation, und Wiederholung dieser Schritte.







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