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CN113646618B - 用于控制转速的方法和控制装置 - Google Patents

用于控制转速的方法和控制装置 Download PDF

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CN113646618B CN202080020419.7A CN202080020419A CN113646618B CN 113646618 B CN113646618 B CN 113646618B CN 202080020419 A CN202080020419 A CN 202080020419A CN 113646618 B CN113646618 B CN 113646618B
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Abstract

用于控制机器、尤其是试验台的加载机器(2)的转速(n)的方法。用于控制器(3)的转速参考变量(nlead)由转速设定值(nset)生成。在考虑旋转角实际值和根据转速设定值(nset)所确定的旋转角设定值的情况下确定经适配的转速设定值(nadap)。转速参考变量(nlead)取决于转速而在转速设定值(nset)与经适配的转速设定值(nadap)之间切换。

Description

用于控制转速的方法和控制装置
技术领域
本发明涉及一种用于控制机器、尤其是试验台的加载机器的转速的方法,其中用于控制器的转速参考变量由转速设定值生成。此外,本发明涉及一种用于控制机器、尤其是试验台的加载机器的转速的控制装置。
背景技术
在常规的转速传感器(尤其是增量编码器)的情况下,正如其通常在试验台上的电加载机器中被使用的那样,基本上仅未充分地覆盖在零Upm处且恰好为零Upm的测量范围。在此,在一定的最小转速以下,绝对值与增量信号之间的取决于转速的偏差不能再被容易地忽略。因此,解析不佳的转速信号导致控制时的问题。无法实现所需的控制质量。低转速下的转速控制的这种问题出现在汽车试验台的情况下,尤其是在从静止出发或非常低的转速下进行试验时。从传动系试验台也已知该问题,在该传动系试验台处,加载机器在车轮水平处接合。自从电气化组件(例如,电动机或混合驱动器)的增强的引入,在电动机试验台的情况下也越来越多地出现该问题。
发明内容
本发明的任务在于,改进在其性能方面对机器的转速的控制,即使在转速接近零时或在从静止出发或进入静止的控制过程中也是如此。
根据本发明,这些和其他任务通过开头提及的类型的方法来解决,其中在考虑旋转角实际值和根据转速设定值所确定的旋转角设定值的情况下确定经适配的转速设定值,其中转速参考变量取决于转速而在转速设定值与经适配的转速设定值之间切换。由此,在低转速的情况下,可以取决于受控机器如何随时间跟随理想的(角度)位置来调整用于控制的转速设定值。在较高转速的情况下,例如在转速传感器具有足够高的分辨率时,控制切换到传统的控制方法。在低转速下使用位置信号(即,角度信号)的优点还在于,在转速设定值为零U/min时,转速由于与角度的绝对值相关联而不会漂移。在切换发生时的转速被选择得如此高,以使得即使没有经适配的转速设定值,控制也能足够好地工作。在该范围内,预期不再存在旋转角实际值与旋转角设定值的偏差,以使得预期在切换时没有转速参考变量的突然变化。
以有利的方式,切换可以根据具有优选斜坡状过渡阶段的切换特性曲线来实施,其中在过渡阶段中,转速参考变量尤其对应于转速设定值和经适配的转速设定值的线性组合。由此实现的控制的斜坡状过渡出于控制稳定性的原因是有利的,其中防止了转矩波动的发生。
在优选的实施方式中,可以由旋转角实际值与旋转角设定值的偏差来确定经适配的转速设定值。这可以通过简单的求和元件结合相应的信号处理来实现。
以有利的方式,旋转角设定值可被确定为转速设定值的经积分和归一化的值。
根据另一有利的实施方式,旋转角实际值可被确定为旋转角原始信号的经缩放和归一化的值。由此可以按简单的方式将旋转角设定值和旋转角实际值相互关联。
在有利的实施方式中,根据本发明,控制的转速反馈变量可以取决于转速而在一般转速测量值与高分辨率转速测量值之间切换。由于该特征,可以进一步提高控制精度,因为在低转速范围内使用高分辨率的转速测量值。
以有利的方式,切换可以根据具有优选斜坡状过渡阶段的切换特性曲线来实施,其中在过渡阶段中,转速反馈变量尤其对应于一般转速测量值和高分辨率转速测量值的线性组合。这进而用于控制稳定性和防止转矩波动。
此外,本发明的任务还通过开头提及的类型的控制装置来解决,其中该控制装置具有积分元件,该积分元件由转速设定值来确定旋转角设定值;适配元件,该适配元件在考虑旋转角实际值和旋转角设定值的情况下确定经适配的转速设定值;以及设定值切换元件,该设定值切换元件取决于转速而在转速设定值与经适配的转速设定值之间切换转速参考变量。该控制装置允许上述公开的方法的有利实施。
以有利的方式,设定值切换元件可以被设计成根据具有优选斜坡状过渡阶段的切换特性曲线来实施切换过程,其中转速参考变量尤其被确定为转速设定值和经适配的转速设定值的线性组合。
在本发明的有利设计构造中,控制装置可具有适配元件,该适配元件由旋转角实际值与旋转角设定值的偏差来确定经适配的转速设定值。
在另一有利的实施方式中,控制装置可具有积分元件,该积分元件将旋转角设定值确定为转速设定值的经积分和归一化值。
根据另一有利的实施例,控制装置可具有角度信号处理元件,该角度信号处理元件将旋转角实际值确定为旋转角原始信号的经缩放和归一化的值。
以有利的方式,控制装置可具有实际值切换元件,该实际值切换元件取决于转速而在一般转速测量值与高分辨率转速测量值之间切换控制的转速反馈变量。
在另一有利的根据本发明的设计构造中,实际值切换元件可以被设计成根据具有优选斜坡状过渡阶段的切换特性曲线来实施切换过程,其中转速反馈变量尤其被确定为一般转速测量值和高分辨率转速测量值的线性组合。
附图说明
在下文中将参照图1至图2更详细地阐释本发明,图1至图2示例地、示意性地且非限制地示出本发明有利的设计构造。附图中示出:
图1是根据第一实施方式的控制装置的示意图,
图2是根据有利实施方式的控制的设定值切换元件的框图,
图3以更详细的示图示出了控制的一部分的框图,
图4是根据本发明的控制的另一设计构造的实际值切换元件的框图,以及
图5是根据第二实施方式的控制装置的示意图。
具体实施方式
图1示出了对试验台的加载机器2的控制,其中加载机器2经由轴与试验件(未示出)连接。加载机器上的轴所旋转的转速n是控制变量。转速n通过传感器装置9来测量并且作为转速反馈变量nr反馈给控制器3。在控制器3中,转速反馈变量nr与转速参考变量nlead的偏差被确定并且作为控制差被馈送给控制元件10,该控制元件10根据所定义的控制策略来生成用于加载机器2的调节变量。
在“正常”操作期间(即,高于某个最低转速nmin),转速参考变量nlead通常对应于例如由系统控制或仿真生成的转速设定值nset
在低转速n的情况下,尤其在从静止加速和减速到静止的情况下,在用于试验台上的加载机器的已知控制方法的情况下会导致控制质量方面的损失。因此,为了改进控制质量,根据本发明,在转速n低于最小转速nmin时,利用位于控制器3的上游的设定值切换元件4来将转速参考变量nlead切换到经适配的转速设定值nadap。在所示的情形中,根据转速设定值nset来进行与最小转速nmin的比较,然而,该比较例如也可在转速反馈变量nr上进行。经适配的转速设定值nadap即使在低转速范围内也能确保高且稳定的控制质量。在此,最小转速nmin被选择为使得低转速的临界范围被完全覆盖,并且切换发生在尽可能非临界的转速范围内。
经适配的转速设定值nadap由适配元件5基于旋转角评估来形成,其中将由积分元件6根据转速设定值nset确定的旋转角设定值与基于传感器装置9(或相应的其他测量装置)确定的旋转角实际值/>进行比较。借助经适配的转速设定值nadap,在低转速范围内取决于加载机器2如何随时间跟随其理想的(角度)位置来调整转速参考变量nlead。在所示的情形中,旋转角实际值/>根据由传感器装置9测得的旋转角原始信号/>来确定,其中角度信号处理元件7以与旋转角设定值/>匹配的形式由旋转角原始信号/>生成旋转角实际值/>
位置信号(即,角度信号)的使用避免了在低转速n的情况下测得的转速信号(即,转速反馈变量nr所基于的信号)的低分辨率问题,并且具有以下优点:在转速设定值=0U/min的情况下,转速由于与角度的绝对值相关联而不会漂移。
图2示出了设定值切换元件4的替换实施方式。在此,根据提供斜坡状过渡阶段t的切换特性曲线11来进行转速参考变量nlead在转速设定值nset与经适配的转速设定值nadap之间的切换。在此,还定义了最小转速nmin(不仅针对正旋转方向nmin +,而且针对负旋转方向nmin -)。在其绝对值高于最小转速nmin的转速n的情况下,设定值切换元件4又将转速设定值nset用作转速参考变量nlead。一旦转速的绝对值低于最小转速nmin,设定值切换元件4在过渡阶段t内将转速参考变量nlead创建为转速设定值nset与经适配的转速设定值nadap的线性组合。在转速的绝对值低于过渡阶段时,经适配的转速设定值nadap被用作转速参考变量nlead
图3示出了图1中概述的控制的一部分的有利实施方式,其中更详细地示出了积分元件6、角度信号处理元件7和适配元件5。参考图3,现在根据具体实施例来阐释经适配的转速设定值nadap的生成。
积分元件6从转速设定值nset生成作为经积分和在0°与360°之间的角度范围中经归一化的值的旋转角设定值为了能够直接将旋转角实际值/>与该值进行比较,旋转角原始信号/>在角度信号处理元件7中被缩放(缩放元件12)并且在归一化元件13中也被归一化到0°与360°之间的角度范围中。
在适配元件5中,由旋转角设定值和旋转角实际值/>形成旋转角差/>旋转角差/>在第二归一化元件14中被归一化到-180°与+180°之间的角度范围中并且在放大器元件15中被放大。此外,为了获得经适配的转速设定值nadap,信号也经过梯度校正16并且在值限制17中被限制。
图4示出了根据本发明的替换实施方式的实际值切换元件8的详细示图。图4中所示的实际值切换元件8可以作为上述控制的补充或者在必要时也“独立地”(即,结合传统控制)使用。实际值切换元件8的功能性基于以下想法:在低转速的情况下使用高分辨率测量信号作为转速反馈变量nr,以避免通常使用的、源自低分辨率测量系统的测量信号出现问题。然而,这些低分辨率测量系统在较高转速范围内提供的优点应该仍然可用。
实际值切换元件8具有各自源自测量装置(例如,传感器装置9)的两个输入值、以及作为转速反馈变量nr反馈到控制中的输出值。第一输入值是源自例如传统的转速测量装置(如编码器)的一般转速测量值nsr。一般转速测量值nsr可例如源自线数为512且输入类型为“1边评估”的编码器。在低转速的情况下,各个测量点之间的时间间隔自然会增加,并且可最终导致控制质量方面的问题。例如,这种编码器在1 U/min(这对应于以6°/s增加或减少的角度)的转速下每秒仅产生显著少于9个脉冲。因此,在转速的绝对值低于最小转速n min时,实际值切换元件8从一般转速测量值nsr切换到源自高分辨率测量传感器的高分辨率转速测量值nhr。这是实际值切换元件8的第二输入值。
高分辨率转速测量值nhr可例如从在0 U/min的转速下提供高分辨率信号(例如,具有100 kHz或更高频率的信号)的转速测量系统获得。例如各自由公司Baumer-Hübner提供的旋转编码器HMCR16结合信号分配器HEAG-158或HMCP 16A属于此类高分辨率转速测量系统的示例。尽管此类传感器的优点在于它们即使在非常低的转速下也能产生正确的测量值,但在超过某个最大转速时,它们就不能再使用了,因为这些值变得不精确。在高分辨率转速测量值nhr与一般转速测量值nsr之间的切换在这两个传感器的可靠工作范围重叠的转速范围中进行,以使得在最小转速n’min处切换时两个值(即,一般转速测量值nsr和高分辨率转速测量值nhr)一致。由此避免了转速反馈变量nr在切换时的值跳跃。此外,如已经结合设定值切换元件4所描述的,切换过程可以以斜坡状过渡阶段t'进行,其中转速反馈变量nr的值被创建为高分辨率转速测量值nhr与一般转速测量值nsr的线性组合。
由实际值切换元件8使用的最小转速n’min可以与由设定值切换元件4使用的最小转速nmin一致(当这两个组件在控制中一起使用时),然而,这些值也可以不同。在附图中,针对正的最小转速nmin +或n’min +和负的最小转速nmin 或n’min 也各自使用相同的绝对值。然而,这不是强制性的前提条件,并且这些值也可以彼此不同。附图中所示的斜坡状过渡由于简单的实现可能性而示出了优选实施方式;然而,显然还可以使用其他类型的过渡或切换特性曲线,例如,用于实现阶梯式切换或不带不连续点的弯曲形切换的过渡或切换特性曲线(如果这是有利的话)。
图5示出了控制装置1,其中共同实施上述所有变型。在此,传感器装置9包括多个传感器并且生成一般转速测量值nsr、高分辨率转速测量值nhr和旋转角原始信号以将这些值提供给实际值切换元件8或角度信号处理元件7。
变量:
转速n
转速设定值nset
转速参考变量nlead
经适配的转速设定值nadap
转速参考变量nr
一般转速测量值nsr
高分辨率转速测量值nhr
最小转速nmin
旋转角实际值
旋转角设定值
旋转角原始信号
旋转角差
附图标记:
控制装置1
加载机器2
控制器3
设定值切换元件4
适配元件5
积分元件6
角度信号处理元件7
实际值切换元件8
传感器装置9
控制元件10
切换特性曲线11、11'
缩放元件12
归一化元件13
第二归一化元件14
放大器元件15
梯度校正16
值限制17
过渡阶段t、t'

Claims (24)

1.一种用于控制机器的转速n的方法,其中用于控制器(3)的转速参考变量nlead由转速设定值nset生成,其特征在于,在考虑旋转角实际值φact和根据所述转速设定值nset所确定的旋转角设定值φset的情况下确定经适配的转速设定值nadap,其中所述转速参考变量nlead取决于转速而在所述转速设定值nset与所述经适配的转速设定值nadap之间切换。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述切换根据具有过渡阶段t的切换特性曲线(11)来实施。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述经适配的转速设定值nadap由所述旋转角实际值φact与所述旋转角设定值φset的偏差来确定。
4.如权利要求1至2中任一项所述的方法,其特征在于,所述旋转角设定值φset被确定为所述转速设定值nset的经积分和经归一化的值。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述旋转角实际值φact被确定为旋转角原始信号φraw的经缩放和经归一化的值。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,控制的转速反馈变量nr取决于转速而在一般转速测量值nsr与高分辨率转速测量值nhr之间切换。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述转速反馈变量nr取决于转速而在所述一般转速测量值nsr与高分辨率转速测量值nhr之间的切换根据具有过渡阶段t'的切换特性曲线(11')来实施。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述机器是试验台的加载机器(2)。
9.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述过渡阶段t为斜坡状。
10.如权利要求2所述的方法,其特征在于,在所述过渡阶段t中,所述转速参考变量nlead对应于所述转速设定值nset和所述经适配的转速设定值nadap的线性组合。
11.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述转速反馈变量nr的所述过渡阶段t'为斜坡状。
12.如权利要求7所述的方法,其特征在于,在所述转速反馈变量nr的所述过渡阶段t'中,所述转速反馈变量nr对应于一般转速测量值nsr和高分辨率转速测量值nhr的线性组合。
13.一种用于控制机器的转速n的控制装置(1),其特征在于,所述控制装置(1)具有积分元件(6),所述积分元件从转速设定值nset确定旋转角设定值φset;适配元件(5),所述适配元件在考虑旋转角实际值φact和所述旋转角设定值φset的情况下确定经适配的转速设定值nadap;以及设定值切换元件(4),所述设定值切换元件取决于转速而在所述转速设定值nset与所述经适配的转速设定值nadap之间切换转速参考变量nlead
14.如权利要求13所述的控制装置(1),其特征在于,所述设定值切换元件(4)被设计成根据具有过渡阶段t的切换特性曲线(11)来实施切换过程。
15.如权利要求13或14所述的控制装置(1),其特征在于,所述控制装置(1)具有适配元件(5),所述适配元件从所述旋转角实际值φact与旋转角设定值φset的偏差确定所述经适配的转速设定值nadap
16.如权利要求13所述的控制装置(1),其特征在于,所述控制装置(1)具有积分元件(6),所述积分元件将所述旋转角设定值φset确定为所述转速设定值nset的经积分和经归一化的值。
17.如权利要求13所述的控制装置(1),其特征在于,所述控制装置(1)具有角度信号处理元件(7),所述角度信号处理元件将所述旋转角实际值φact确定为旋转角原始信号φraw的经缩放和经归一化的值。
18.如权利要求13所述的控制装置(1),其特征在于,所述控制装置(1)具有实际值切换元件(8),所述实际值切换元件取决于转速而在一般转速测量值nsr与高分辨率转速测量值nhr之间切换控制的转速反馈变量nr
19.如权利要求18所述的控制装置(1),其特征在于,所述实际值切换元件(8)被设计成根据具有过渡阶段t'的切换特性曲线(11')来实施切换过程。
20.如权利要求13所述的控制装置(1),其特征在于,所述机器是试验台的加载机器(2)。
21.如权利要求14所述的控制装置(1),其特征在于,所述过渡阶段t为斜坡状。
22.如权利要求14所述的控制装置(1),其特征在于,在所述过渡阶段t中,所述转速参考变量nlead被确定为所述转速设定值nset和所述经适配的转速设定值nadap的线性组合。
23.如权利要求19所述的控制装置(1),其特征在于,所述实际值切换元件(8)中的所述过渡阶段t'为斜坡状。
24.如权利要求19所述的控制装置(1),其特征在于,在所述实际值切换元件(8)中的所述过渡阶段t'中,所述转速反馈变量nr被确定为所述一般转速测量值nsr与所述高分辨率转速测量值nhr的线性组合。
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