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DE102017220385A1 - Method for indirectly determining the rotational speed of a rotating shaft - Google Patents

Method for indirectly determining the rotational speed of a rotating shaft Download PDF

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DE102017220385A1
DE102017220385A1 DE102017220385.4A DE102017220385A DE102017220385A1 DE 102017220385 A1 DE102017220385 A1 DE 102017220385A1 DE 102017220385 A DE102017220385 A DE 102017220385A DE 102017220385 A1 DE102017220385 A1 DE 102017220385A1
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DE
Germany
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acceleration
observer
time
shaft
state
Prior art date
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Pending
Application number
DE102017220385.4A
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German (de)
Inventor
Lothar Kiltz
Wolfgang Herberger
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ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
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Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zur indirekten Bestimmung der Drehgeschwindigkeit einer rotierenden Welle. Die Umsetzung wird dabei in zwei Teilschritten ausgeführt. Im ersten Schritt erfolgt eine Ermittlung der Messwerte der Normalbeschleunigung und der hierzu orthogonalen Tangentialbeschleunigung der Welle. Im zweiten Schritt erfolgt eine Aktualisierung des Beobachterzustands.Provided is a method for indirectly determining the rotational speed of a rotating shaft. The conversion is carried out in two steps. In the first step, the measured values of the normal acceleration and the tangential acceleration of the shaft orthogonal thereto are determined. In the second step, the observer state is updated.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur indirekten Bestimmung der Drehgeschwindigkeit einer rotierenden Welle.The present invention relates to a method for indirectly determining the rotational speed of a rotating shaft.

Zur Überwachung bzw. Prozessführung stationärer Getriebe, z.B. von Windkraftgetrieben, ist es nötig, die Bewegungsgrößen der rotierenden Welle zu kennen und zu überwachen. Hierfür können z.B. Drehgeber verwendet werden. Beispiele für solche Drehgeber sind optische oder magnetische Inkremental- oder Absolutwertgeber, oder generatorisch betriebene elektrische Maschinen, bspw. permanenterregte Gleichstrommaschinen. Diese Art von Drehgeber ist teuer, anfällig gegen Verschmutzungen und verschleißbehaftet wegen bewegter Teile und/oder der benötigen engen Lagetoleranzen, da magnetische Sensoren oft einen verhältnismäßig engen Luftspalt erfordern.For monitoring or process control of stationary transmissions, e.g. of wind power transmissions, it is necessary to know and monitor the motion quantities of the rotating shaft. For this purpose, e.g. Rotary encoder can be used. Examples of such rotary encoders are optical or magnetic incremental or absolute encoders, or generator-operated electrical machines, for example permanent-magnet DC machines. This type of rotary encoder is expensive, susceptible to contamination and wear due to moving parts, and / or requiring tight positional tolerances because magnetic sensors often require a relatively narrow air gap.

Des Weiteren sind Verfahren bekannt, die Bewegungsgrößen einer erfindungsgemäßen Welle indirekt aus Beschleunigungs- bzw. Kraftmessungen zu errechnen. Derartige Sensoren kommen ohne bewegte mechanische Teile aus und sind somit preisgünstiger als Drehgeber und unempfindlicher gegenüber Verschmutzungen.Furthermore, methods are known for calculating the movement quantities of a shaft according to the invention indirectly from acceleration or force measurements. Such sensors can do without moving mechanical parts and are therefore cheaper than encoders and less sensitive to contamination.

Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 030 268 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit anhand einer diskreten Fourier-Transformation eines Kraft- bzw. Beschleunigungssignals bekannt. Dies hat den Nachteil, dass die erzielbare Auflösung von der Messdauer abhängt und sich die Rotationsgeschwindigkeit während der Messung idealerweise nicht ändern sollte. Sollen geringe Rotationsgeschwindigkeiten mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, so ist eine lange Messdauer erforderlich und eine während dieser Messdauer nahezu konstante Rotationsgeschwindigkeit. Dies schränkt die praktische Anwendbarkeit des Verfahrens bei geringen Rotationsgeschwindigkeiten ein. Ferner wird dort noch ein zweites Verfahren zur indirekten Bestimmung von Bewegungsgrößen einer rotierenden Welle aus Kraft- bzw. Beschleunigungsmessungen beschrieben. Dieses Verfahren beruht auf einer sogenannten Phasenregelschleife (engl. PLL, phase locked loop). Derartige Phasenregelschleifen haben den Nachteil, dass sie infolge der benötigten Rückkopplung der geschätzten Werte außerhalb desjenigen Rotationsgeschwindigkeitsintervalls, für welches sie ausgelegt wurden, instabil werden können. Dies schränkt die praktische Anwendbarkeit dieses Verfahrens bei Anwendungen ein, bei denen sowohl sehr geringe als auch sehr große Winkelgeschwindigkeiten auftreten.From the German patent application DE 10 2007 030 268 A1 For example, a method for determining the rotational speed by means of a discrete Fourier transformation of a force or acceleration signal is known. This has the disadvantage that the achievable resolution depends on the measurement duration and the rotational speed should ideally not change during the measurement. If low rotational speeds are to be determined with high accuracy, then a long measurement time is required and a rotational speed which is almost constant during this measurement period. This limits the practicality of the process at low rotational speeds. Furthermore, there is described a second method for the indirect determination of motion quantities of a rotating shaft from force or acceleration measurements. This method is based on a so-called phase-locked loop (PLL). Such phase locked loops have the disadvantage that they may become unstable due to the need for feedback of the estimated values outside the rotational speed interval for which they were designed. This limits the practicality of this method in applications where both very low and very high angular velocities occur.

Aus dem US-Patent US 6,940,940 B2 ist ein Verfahren bekannt, um die Abrollbewegung eines Rades aus zwei mitdrehenden Beschleunigungssensoren zu rekonstruieren. Zur Auswertung der Beschleunigungssignale werden adaptive Filter in Kombination mit einer PLL benutzt, so dass auch dieses Verfahren bei Anwendungen mit sehr unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten instabil werden kann.From the US patent US 6,940,940 B2 A method is known for reconstructing the rolling movement of a wheel from two co-rotating acceleration sensors. To evaluate the acceleration signals adaptive filters are used in combination with a PLL, so that this method can be unstable in applications with very different rotational speeds.

Ferner wird in einer gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereichten Anmeldung der Anmelderin eine simultane Schätzung der Bewegungsgrößen, also des Drehwinkels, der Winkelgeschwindigkeit und der Winkelbeschleunigung vorgeschlagen. Dieses Verfahren ist jedoch wegen der benötigten näherungsweisen numerischen Inversion eines nichtlinearen Gleichungssystems verhältnismäßig Rechenzeit-intensiv.Furthermore, in an application filed simultaneously with this application, the Applicant proposes a simultaneous estimation of the motion quantities, ie the angle of rotation, the angular velocity and the angular acceleration. However, because of the required approximate numerical inversion of a nonlinear system of equations, this method is relatively computation-time intensive.

Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur indirekten Bestimmung der Drehgeschwindigkeit einer rotierenden Welle bereitzustellen, welches wenig Rechenzeit benötigt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Therefore, it is an object of this invention to provide a method of indirectly determining the rotational speed of a rotating shaft which requires little computing time. This object is achieved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Stationäre Getriebe wie Windkraftgetriebe weisen eine sich um ihre Längsachse drehende Welle auf, wobei die Längsachse horizontal im Schwerefeld der Erde orientiert ist. Über die Längsdrehung hinaus gehende Bewegungen werden nachfolgend als vernachlässigbar angenommen.Stationary transmissions such as wind power transmissions have a shaft rotating about their longitudinal axis, wherein the longitudinal axis is oriented horizontally in the gravitational field of the earth. Movements beyond the longitudinal rotation are subsequently assumed to be negligible.

Ziel der Erfindung ist also die Schätzung der Rotationsgeschwindigkeit der Welle um ihre Längsachse indem als Messgrößen nur die Tangential- und Normalbeschleunigung eines Punktes auf der Welle außerhalb deren Drehachse verwendet werden. Die Rekonstruktion der Winkelgeschwindigkeit erfolgt gemäß dem nachfolgend beschriebenen nichtlinearen Beobachter.The aim of the invention is thus the estimation of the rotational speed of the shaft about its longitudinal axis by using as measured variables only the tangential and normal acceleration of a point on the shaft outside its axis of rotation. The reconstruction of the angular velocity is performed according to the nonlinear observer described below.

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur indirekten Bestimmung der Drehgeschwindigkeit einer rotierenden Welle. Die Umsetzung wird dabei in zwei Teilschritten ausgeführt. Im ersten Schritt erfolgt eine Ermittlung der Messwerte der Normalbeschleunigung und der hierzu orthogonalen Tangentialbeschleunigung der Welle. Im zweiten Schritt erfolgt eine Aktualisierung des Beobachterzustands.Proposed is a method for indirectly determining the rotational speed of a rotating shaft. The conversion is carried out in two steps. In the first step, the measured values of the normal acceleration and the tangential acceleration of the shaft orthogonal thereto are determined. In the second step, the observer state is updated.

In einer Ausführung erfolgt die Aktualisierung des Beobachterzustands über eine näherungsweise numerische Lösung der vom Beobachterfehler und Beobachterverstärkungen der Normalbeschleunigung abhängigen und nachfolgend beschriebenen Zustandsdifferentialgleichungen des Beobachterzustands.In one embodiment, the updating of the observer state takes place via an approximately numerical solution of the observer state's state differential equations dependent on the observer error and observer gains of the normal acceleration and described below.

In einer Ausführung erfolgt eine Einstellung der Tiefpasswirkung über die Wahl der Beobachterverstärkungen, welche größer Null sind. In one embodiment, adjustment of the low-pass effect occurs via the choice of the observer gains, which are greater than zero.

Durch das vorgeschlagene Verfahren kann eine genaue, d.h. vor allem von der Messdauer unabhängige, sowie stabile und kostengünstige Bestimmung der Drehgeschwindigkeit einer rotierenden Welle durchgeführt werden. Zusätzlich ist es aufgrund der lediglich zwei benötigten Variablen wenig Rechenzeit-intensiv und einfach parametrierbar.By the proposed method, an accurate, i. especially independent of the duration of the measurement, as well as stable and cost-effective determination of the rotational speed of a rotating shaft can be performed. In addition, due to the only two required variables, it is less time-intensive and easy to parameterize.

In einer Ausführung ist das Verfahren als Softwareprogramm implementiert.In one embodiment, the method is implemented as a software program.

Ferner wird ein Steuergerät bereitgestellt, das dazu eingerichtet ist, das beschriebene Verfahren zyklisch oder ereignisgesteuert auszuführen.Furthermore, a control device is provided, which is configured to execute the described method cyclically or event-controlled.

Es wird keine zusätzliche Hardware benötigt, da das Verfahren als Softwareprogramm in der Regel auf einem bereits vorhandenen Steuergerät ausgeführt werden kann. Somit kann auch eine Verbesserung oder Änderung der Berechnungsmethode einfach implementiert werden.There is no need for additional hardware, since the process can be performed as a software program usually on an existing controller. Thus, an improvement or change of the calculation method can be easily implemented.

Ferner wird eine Windkraftanlage bereitgestellt, aufweisend eine rotierende Welle, Beschleunigungssensoren und ein beschriebenes Steuergerät, wobei das Steuergerät von den Beschleunigungssensoren Messwerte der Normalbeschleunigung und der hierzu orthogonalen Tangentialbeschleunigung der Welle zur Verarbeitung erhält.Furthermore, a wind turbine is provided, comprising a rotating shaft, acceleration sensors and a described control unit, wherein the control unit receives from the acceleration sensors measured values of the normal acceleration and the orthogonal tangential acceleration of the shaft for processing.

Die detaillierte Umsetzung wird nachfolgend anhand zugehöriger Berechnungsvorschriften genauer beschrieben.The detailed implementation will be described in more detail below with reference to the associated calculation rules.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawing, the inventive details shows, and from the claims. The individual features can be realized individually for themselves or for several in any combination in a variant of the invention.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

  • 1 zeigt ein Diagramm der Kräfte und zugehörigen Mess-Signale einer rotierenden Welle.
  • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Preferred embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings.
  • 1 shows a diagram of the forces and associated measurement signals of a rotating shaft.
  • 2 FIG. 3 shows a flowchart of the method according to an embodiment of the present invention.

Nachfolgend werden folgende Bezeichnungen und Abkürzungen verwendet:

  • r: Abstand des Beschleunigungssensors von der Rotationsachse der Welle
  • g: Erdbeschleunigung
  • t: Zeitpunkt
  • <p (t): Drehwinkel der Welle zum Zeitpunkt t
  • φ̇ (t): Winkelgeschwindigkeit der Welle zum Zeitpunkt t
  • φ̈ (t): Winkelbeschleunigung der Welle zum Zeitpunkt t
  • an (t): Normalbeschleunigung (Zentripetalbeschleunigung) der Welle im Abstand r von der Rotationsachse zum Zeitpunkt t
  • at (t): Tangentialbeschleunigung der Welle im Abstand r von der Rotationsachse zum Zeitpunkt t
  • α̇n (t): Zeitliche Ableitung von an zum Zeitpunkt t
  • α̂n (t): Schätzwert von an zum Zeitpunkt t (Zustandsvariable des Zustandsbeobachters)
  • φ ˙ ^ ( t ) :
    Figure DE102017220385A1_0001
    Schätzwert von φ̇ zum Zeitpunkt t
  • α̃n := α̂n-an: Beobachterfehler (Schätzfehler) der Normalbeschleunigung
  • φ ˙ ˜ : = φ ˙ ^ φ ˙ :
    Figure DE102017220385A1_0002
    Beobachterfehler (Schätzfehler) der Winkelgeschwindigkeit
  • d a ^ n d t :
    Figure DE102017220385A1_0003
    Zeitliche Ableitung von α̂n
  • d φ ˙ ^ d t :
    Figure DE102017220385A1_0004
    Zeitliche Ableitung von φ ˙ ^
    Figure DE102017220385A1_0005
  • d a n ˜ d t :
    Figure DE102017220385A1_0006
    Zeitliche Ableitung von α̃̃n
  • d φ ˙ ˜ d t :
    Figure DE102017220385A1_0007
    Zeitliche Ableitung von φ ˙ ˜
    Figure DE102017220385A1_0008
  • k1, k2 > 0: Beobachterverstärkungen
The following terms and abbreviations are used below:
  • r: Distance of the acceleration sensor from the axis of rotation of the shaft
  • g: acceleration of gravity
  • t: time
  • <p (t): angle of rotation of the shaft at time t
  • φ̇ (t): angular velocity of the wave at time t
  • φ̈ (t): Angular acceleration of the shaft at time t
  • a n (t): normal acceleration (centripetal acceleration) of the shaft at a distance r from the axis of rotation at time t
  • a t (t): Tangential acceleration of the wave at a distance r from the axis of rotation at time t
  • α ̇n (t): time derivative of a n at time t
  • α n (t): estimated value of a n at time t (state variable of state observer)
  • φ ˙ ^ ( t ) :
    Figure DE102017220385A1_0001
    Estimated value of φ̇ at time t
  • α n : = α n -a n : observer error (estimation error) of the normal acceleration
  • φ ˙ ~ : = φ ˙ ^ - φ ˙ :
    Figure DE102017220385A1_0002
    Observer error (estimation error) of angular velocity
  • d a ^ n d t :
    Figure DE102017220385A1_0003
    Time derivative of α n
  • d φ ˙ ^ d t :
    Figure DE102017220385A1_0004
    Temporal derivative of φ ˙ ^
    Figure DE102017220385A1_0005
  • d a n ~ d t :
    Figure DE102017220385A1_0006
    Temporal derivative of α n
  • d φ ˙ ~ d t :
    Figure DE102017220385A1_0007
    Temporal derivative of φ ˙ ~
    Figure DE102017220385A1_0008
  • k 1 , k 2 > 0: observer gains

Wie in 1 gezeigt werden auf einer rotierenden Welle im Abstand r von der Rotationsachse die nach außen gerichtete Normalbeschleunigung an(t) und die hierzu orthogonale Tangentialbeschleunigung at(t) durch entsprechende Sensoren gemessen. Diese Beschleunigungssignale hängen über folgende Gleichungen mit den gesuchten Bewegungsgrößen <p (t), φ̇ (t) und φ̈ (t) der Welle zusammen: a t ( t ) = g  cos  φ ( t ) + r φ ¨ ( t ) ,   a n ( t ) = g  sin  φ ( t ) + r φ ˙ 2 ( t )

Figure DE102017220385A1_0009
As in 1 are shown on a rotating shaft at a distance r from the axis of rotation, the outward normal acceleration a n (t) and the orthogonal tangential acceleration a t (t) measured by appropriate sensors. These acceleration signals are related to the sought motion quantities <p (t), φ̇ (t) and φ̈ (t) of the shaft via the following equations: a t ( t ) = G cos φ ( t ) + r φ ¨ ( t ) . a n ( t ) = - G sin φ ( t ) + r φ ˙ 2 ( t )
Figure DE102017220385A1_0009

Wird die zweite Gleichung in (1a) noch einmal nach der Zeit abgeleitet, so erhält man zusätzlich: a ˙ n ( t ) = ( g  cos  φ ( t ) + 2 r φ ¨ ( t ) ) φ ˙ ( t )

Figure DE102017220385A1_0010
If the second equation in (1a) is derived once again according to time, then one obtains in addition: a ˙ n ( t ) = ( - G cos φ ( t ) + 2 r φ ¨ ( t ) ) φ ˙ ( t )
Figure DE102017220385A1_0010

Wird nun die erste Gleichung in (1a) in den Klammerterm in (1b) eingesetzt, so resultiert: a ˙ n ( t ) = φ ˙ ( t ) ( 3 r φ ¨ ( t ) a t ( t ) )

Figure DE102017220385A1_0011
If the first equation in (1a) is inserted into the parenthesis term in (1b), the result is: a ˙ n ( t ) = φ ˙ ( t ) ( 3 r φ ¨ ( t ) - a t ( t ) )
Figure DE102017220385A1_0011

Dies vereinfacht sich für geringe Winkelbeschleunigungen φ̈ (t) ≈ 0 zu: a ˙ n ( t ) φ ˙ ( t ) a t ( t ) .

Figure DE102017220385A1_0012
This is simplified for small angular accelerations φ̈ (t) ≈ 0 to: a ˙ n ( t ) - φ ˙ ( t ) a t ( t ) ,
Figure DE102017220385A1_0012

Mit diesem Hintergrundwissen werden erfindungsgemäß nachfolgende Schritte ausgeführt, um eine indirekte Bestimmung der Drehgeschwindigkeit der rotierenden Welle zu erhalten.With this background knowledge, the following steps are carried out according to the invention in order to obtain an indirect determination of the rotational speed of the rotating shaft.

Die Umsetzung wird dabei in zwei Teilschritten ausgeführt, wie in 2 gezeigt. Im ersten Schritt S1 erfolgt eine Ermittlung der Messwerte der Normalbeschleunigung an(t) und der hierzu orthogonalen Tangentialbeschleunigung at(t) vorteilhafterweise mit bereits vorhandenen Sensoren, wie oben erwähnt.The conversion is carried out in two steps, as in 2 shown. In the first step S1, the measured values of the normal acceleration are determined a n (t) and the orthogonal tangential acceleration a t (t) advantageously with already existing sensors, as mentioned above.

Im zweiten Schritt S2 erfolgt eine Aktualisierung des Beobachterzustands ( a ^ n ;   φ ˙ ^ ) ,

Figure DE102017220385A1_0013
wobei α̂n ein Schätzwert von an und φ ˙ ^
Figure DE102017220385A1_0014
Schätzwert von φ̇ ist, durch näherungsweise numerische Lösung der Zustandsdifferentialgleichungen d a ^ n d t ( t ) = φ ˙ ^ ( t ) a t ( t ) k 1 a ˜ n ( t )
Figure DE102017220385A1_0015
d φ ˙ ^ d t ( t ) = k 2 a ˜ n ( t ) a t ( t )
Figure DE102017220385A1_0016
In the second step S2, the observer state is updated ( a ^ n ; φ ˙ ^ ) .
Figure DE102017220385A1_0013
where α n is an estimate of a n and φ ˙ ^
Figure DE102017220385A1_0014
Estimate of φ̇ is by approximate numerical solution of the state differential equations d a ^ n d t ( t ) = - φ ˙ ^ ( t ) a t ( t ) - k 1 a ~ n ( t )
Figure DE102017220385A1_0015
d φ ˙ ^ d t ( t ) = k 2 a ~ n ( t ) a t ( t )
Figure DE102017220385A1_0016

Hierbei ist α̃̃n := α̂n - an der Beobachterfehler (Schätzfehler) der Normalbeschleunigung. Für diese Aktualisierung sind dem Fachmann zahlreiche Verfahren zur näherungsweisen numerischen Lösung von Anfangswertproblemen geläufig. Über die Wahl der Beobachterverstärkungen k1; k2 > 0 kann die Tiefpasswirkung des Verfahrens eingestellt werden. Dies ist dem Fachmann ebenfalls geläufig.Here, α n : = α n - a n is the observer error (estimation error) of the normal acceleration. Numerous methods for approximate numerical solution of initial value problems are familiar to the person skilled in the art for this update. About the choice of observer gains k1; k2> 0, the low-pass effect of the method can be set. This is also familiar to the person skilled in the art.

Die beschriebenen zwei Schritte S1 und S2 können auf dem elektrischen Steuergerät, welches zur Bestimmung der Bewegungsgrößen dient, zyklisch oder ereignisgesteuert ausgeführt werden. Dabei erhält das Steuergerät die zu verarbeitenden Messgrößen für Schritt S1 bevorzugt von entsprechenden Sensoren. In Schritt S2 erfolgt dann die Verarbeitung der erhaltenen Messgrößen im Steuergerät entsprechend dem vorgeschlagenen Verfahren. Das Verfahren kann als Softwareprogramm auf einem Steuergerät ausgeführt werden, wobei das Steuergerät hierzu die nötigen Eingangssignale erhält und die Berechnungen durchführt.The described two steps S1 and S2 can be performed cyclically or event-controlled on the electrical control unit, which is used to determine the movement variables. In this case, the control unit receives the measured variables to be processed for step S1, preferably from corresponding sensors. In step S2, the processing of the measured quantities obtained in the control unit then takes place according to the proposed method. The method can be executed as a software program on a control unit, wherein the control unit receives the necessary input signals and carries out the calculations for this purpose.

Nachfolgend erfolgt eine Darstellung einer Stabilitätsanalyse des Beobachters, welche zeigt, dass das vorgeschlagene Verfahren stabil ist. Gemäß den obigen Gleichungen (2) und (3) weist der Beobachterfehler ( a ˜ n ;   φ ˙ ˜ ) = ( a ^ n a n ;   φ ˙ ^ φ ˙ )

Figure DE102017220385A1_0017
die nachfolgend dargestellte Dynamik auf: d a ˜ n d t ( t ) = φ ˙ ˜ ( t ) a t ( t ) k 1 a ˜ n ( t ) ,
Figure DE102017220385A1_0018
d φ ˙ ˜ d t ( t ) = k 2 a ˜ n ( t ) a t ( t )
Figure DE102017220385A1_0019
The following is a representation of a stability analysis of the observer, which shows that the proposed method is stable. According to the above equations (2) and (3), the observer error ( a ~ n ; φ ˙ ~ ) = ( a ^ n - a n ; φ ˙ ^ - φ ˙ )
Figure DE102017220385A1_0017
the dynamics shown below: d a ~ n d t ( t ) = - φ ˙ ~ ( t ) a t ( t ) - k 1 a ~ n ( t ) .
Figure DE102017220385A1_0018
d φ ˙ ~ d t ( t ) = k 2 a ~ n ( t ) a t ( t )
Figure DE102017220385A1_0019

Die zeitliche Ableitung der bezüglich des Beobachterfehlers positiv definiten Funktion V ( t ) : = 1 2 ( a ˜ n 2 ( t ) k 1 + φ ˙ ˜ 2 ( t ) k 1 k 2 )

Figure DE102017220385A1_0020
lautet V ˙ ( t ) = a ˜ n 2 ( t )
Figure DE102017220385A1_0021
und ist somit positiv semidefinit bezüglich des Beobachterfehlers. Für at ≠ 0 folgt die Stabilität von ( a ^ n ;   φ ˙ ^ ) = ( 0 ;   0 )
Figure DE102017220385A1_0022
aus dem Invarianzprinzip von Krassovskii-LaSalle.The temporal derivative of the positive definite function with respect to the observer error V ( t ) : = 1 2 ( a ~ n 2 ( t ) k 1 + φ ˙ ~ 2 ( t ) k 1 k 2 )
Figure DE102017220385A1_0020
reads V ˙ ( t ) = - a ~ n 2 ( t )
Figure DE102017220385A1_0021
and thus is positively semidefinite with respect to the observer error. For at ≠ 0, the stability of ( a ^ n ; φ ˙ ^ ) = ( 0 ; 0 )
Figure DE102017220385A1_0022
from the invariance principle of Krassovskii-LaSalle.

Das beschriebene Verfahren kann für stationäre Getriebe angewendet werden, insbesondere für Windkraftanlagen. Es kann auch für Getriebe in mobilen Anwendungen angewendet werden, bei denen die Beschleunigung des Getriebegehäuses - bezogen auf das Inertialsystem - im Vergleich zu den üblicherweise auftretenden gemessenen Normal- und Tangentialbeschleunigungen gering ist.The described method can be used for stationary transmissions, in particular for wind turbines. It can also be used for transmissions in mobile applications in which the acceleration of the transmission housing - in relation to the inertial system - in comparison to the normally occurring measured normal and tangential accelerations is low.

Bei allen anderen Getriebeanwendungen, also insbesondere bei Getriebeanwendungen, bei denen die Beschleunigungen des Getriebegehäuses im Vergleich zu den gemessenen Normal- und Tangentialbeschleunigungen nicht mehr vernachlässigbar ist, können die Beschleunigungen des Getriebegehäuses mit zusätzlichen Beschleunigungssensoren gemessen und aus den gemessenen Normal- und Tangentialbeschleunigungen herausgerechnet werden.In all other transmission applications, ie in particular in transmission applications in which the accelerations of the transmission housing in comparison to the measured normal and tangential accelerations is no longer negligible, the accelerations of the transmission housing can be measured with additional acceleration sensors and excluded from the measured normal and tangential accelerations.

Die Vorteile des beschriebenen Verfahrens sind, dass die zur Erfassung der Messwerte zur indirekten Bestimmung der Drehgeschwindigkeit benötigten Beschleunigungssensoren sowohl kostengünstig als auch robust, vor allem unempfindlich gegenüber Schmutz sind. Außerdem sind große Lagetoleranzen für die Position der Beschleunigungssensoren möglich, insbesondere in Kombination mit einer einfach durchzuführenden Kalibrierung. Außerdem werden der Winkel, die Drehgeschwindigkeit und -beschleunigung der Welle simultan ermittelt, und die Geschwindigkeitsauflösung ist im Gegensatz zu Verfahren, die auf einer Fourier-Transformation der Messsignale beruhen, unabhängig von der Messdauer. Des Weiteren ist im Gegensatz zu PLL-basierten Verfahren keine Rückführung vergangener Schätzwerte erforderlich, wodurch das Verfahren nicht instabil werden kann. Im Vergleich zu bekannten Verfahren zur indirekten Rekonstruktion ist das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich Rechenzeit-effizienter, da nur wenige elementare algebraische Rechenoperationen benötigt werden und keine trigonometrischen Funktionen ausgewertet werden müssen. Außerdem besitzt das Verfahren nur zwei Parameter und ist daher in der Praxis einfach parametrierbar. The advantages of the method described are that the acceleration sensors required to acquire the measured values for the indirect determination of the rotational speed are both cost-effective and robust, above all insensitive to dirt. In addition, large positional tolerances for the position of the acceleration sensors are possible, in particular in combination with an easily performed calibration. In addition, the angle, the rotational speed and acceleration of the shaft are determined simultaneously, and the speed resolution is independent of the measurement duration, in contrast to methods based on a Fourier transformation of the measurement signals. Furthermore, in contrast to PLL-based methods, no feedback of past estimates is required, which means that the method can not become unstable. Compared to known methods for indirect reconstruction, the inventive method is much more computationally efficient, since only a few elementary algebraic arithmetic operations are needed and no trigonometric functions must be evaluated. In addition, the method has only two parameters and is therefore easy to parameterize in practice.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102007030268 A1 [0004]DE 102007030268 A1 [0004]
  • US 6940940 B2 [0005]US 6940940 B2 [0005]

Claims (6)

Verfahren zur indirekten Bestimmung der Drehgeschwindigkeit einer rotierenden Welle, wobei folgende Schritte ausgeführt werden: - erster Schritt (S1): Ermittlung der Messwerte der Normalbeschleunigung (an(t)) und der hierzu orthogonalen Tangentialbeschleunigung (at(t)) der Welle, - zweiter Schritt (S2): Aktualisierung des Beobachterzustands.Method for the indirect determination of the rotational speed of a rotating shaft, wherein the following steps are carried out: - first step (S1): determination of the measured values of the normal acceleration (a n (t)) and the orthogonal tangential acceleration (a t (t)) of the shaft, - second step (S2): update the observer state. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im zweiten Schritt (S2) die Aktualisierung des Beobachterzustands über eine näherungsweise numerische Lösung der vom Beobachterfehler und Beobachterverstärkungen der Normalbeschleunigung abhängigen Zustandsdifferentialgleichungen des Beobachterzustands erfolgt, wobei die Zustandsdifferentialgleichungen folgende sind: d a ^ n d t ( t ) = φ ˙ ^ ( t ) a t ( t ) k 1 a ˜ n ( t )
Figure DE102017220385A1_0023
d φ ˙ ^ d t ( t ) = k 2 a ˜ n ( t ) a t ( t )
Figure DE102017220385A1_0024
mit: t: Zeitpunkt φ (t): Drehwinkel der Welle zum Zeitpunkt t φ̇ (t): Winkelgeschwindigkeit der Welle zum Zeitpunkt t an (t): Normalbeschleunigung (Zentripetalbeschleunigung) der Welle im Abstand r von der Rotationsachse zum Zeitpunkt t at (t): Tangentialbeschleunigung der Welle im Abstand r von der Rotationsachse zum Zeitpunkt t ân (t): Schätzwert von an zum Zeitpunkt t (Zustandsvariable des Zustandsbeobachters) φ ˙ ^ ( t ) :
Figure DE102017220385A1_0025
Schätzwert von φ̇ zum Zeitpunkt t ãn := ân-an: Beobachterfehler (Schätzfehler) der Normalbeschleunigung k1, k2 > 0: Beobachterverstärkungen d a ^ n dt :
Figure DE102017220385A1_0026
Zeitliche Ableitung von ân d φ ˙ ^ dt :
Figure DE102017220385A1_0027
Zeitliche Ableitung von φ ˙ ^ .
Figure DE102017220385A1_0028
Method according to Claim 1 in which, in the second step (S2), the updating of the observer state takes place via an approximately numerical solution of the observer error state differential equations dependent on the observer error and observer gains of the normal acceleration, the state differential equations being: d a ^ n d t ( t ) = - φ ˙ ^ ( t ) a t ( t ) - k 1 a ~ n ( t )
Figure DE102017220385A1_0023
d φ ˙ ^ d t ( t ) = k 2 a ~ n ( t ) a t ( t )
Figure DE102017220385A1_0024
with: t: time φ (t): angle of rotation of the shaft at time t φ̇ (t): angular speed of the shaft at time t a n (t): normal acceleration (centripetal acceleration) of the shaft at a distance r from the axis of rotation at time t a t (t ): Tangential acceleration of the wave at a distance r from the axis of rotation at time t n (t): estimated value of a n at time t (state variable of the state observer) φ ˙ ^ ( t ) :
Figure DE102017220385A1_0025
Estimated value of φ̇ at time t ã n : = â n -a n : observer error (estimation error) of the normal acceleration k 1 , k 2 > 0: observer gains d a ^ n dt :
Figure DE102017220385A1_0026
Temporal derivative of A n d φ ˙ ^ dt :
Figure DE102017220385A1_0027
Temporal derivative of φ ˙ ^ ,
Figure DE102017220385A1_0028
Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Einstellung der Tiefpasswirkung über die Wahl der Beobachterverstärkungen (k1, k2) erfolgt.Method according to Claim 2 , wherein an adjustment of the low-pass effect on the choice of the observer gains (k 1 , k 2 ) takes place. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren als Softwareprogramm implementiert ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the method is implemented as a software program. Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zyklisch oder ereignisgesteuert auszuführen.Control device adapted to perform the procedure according to one of Claims 1 to 4 cyclically or event-driven. Windkraftanlage, aufweisend eine rotierende Welle, Beschleunigungssensoren und ein Steuergerät nach Anspruch 5, wobei das Steuergerät von den Beschleunigungssensoren Messwerte der Normalbeschleunigung (an(t)) und der hierzu orthogonalen Tangentialbeschleunigung (at(t)) der Welle zur Verarbeitung erhält.Wind turbine, comprising a rotating shaft, acceleration sensors and a controller after Claim 5 in which the control unit receives from the acceleration sensors measured values of the normal acceleration (a n (t)) and the orthogonal tangential acceleration (a t (t)) of the shaft for processing.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6940940B2 (en) 2002-10-30 2005-09-06 Stemco Delaware Lp Electronic hubodometer
DE102007030268A1 (en) 2007-06-28 2009-01-02 Lti Reenergy Gmbh Dynamic parameters e.g. rotor angle, determination device for e.g. water power plant, has measuring sensor connected with processing unit to exchange data, where unit determines rotational speed of rotor shaft from measuring component

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