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Schwingungsbedämpfung in Servosystemen mit der direkten Drehmomentmittelwertregelung

Faßnacht, Jochen :
Schwingungsbedämpfung in Servosystemen mit der direkten Drehmomentmittelwertregelung.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Schwingungsbedämpfung in Servosystemen mit der direkten Drehmomentmittelwertregelung
Language: German
Abstract:

Das Hauptgebiet dieser Arbeit ist die aktive Dämpfung mechanischer Schwingungen im Antriebsstrang und die Ertüchtigung der unterlagerten Drehmomentregelung als eine Voraussetzung hierfür. Es werden verschiedene Regelungen für einen Dreimassenschwinger bestehend aus Antriebsmaschine, Lastmaschine und Kupplung mit Resonanzfrequenzen bei 396,5 und 858 Hz entworfen, simuliert und am Teststand auf ihre Tauglichkeit untersucht. Mechanische Systeme mit so hohen Resonanzfrequenzen treten im Bereich der Servo-Antriebstechnik oder bei hochdynamischen Spindelantrieben auf. Eine einfache Struktur, mit der solch ein schwingungsfähiges System gedämpft werden kann, ist ein PI-Drehzahlregler für die Antriebsmaschine. Der hierfür nötige hochdynamische rausch- und störungsarme Drehzahlistwert mit geringer Phasenverschiebung wird ohne Kenntnis der schwingungsfähigen Strecke nur mit einem Beobachter für die Antriebsmaschine unter Verwendung eines Lage- und eines Ferraris-Beschleunigungsgebers ermittelt. Da es mit einem PI-Drehzahlregler nur möglich ist, Strecken mit geeigneten Trägheitsverhältnissen, d. h. das Trägheitsmoment der Last ist größer als das der Antriebsmaschine, zu dämpfen, muss mit einer Differenzdrehzahlaufschaltung die Dämpfung eventuell erhöht werden. Diese Reglerstrukturen bieten keine hohe Dynamik, sie sind aber einfach in der Auslegung und robust. Falls eine dynamischere Drehzahlregelung erwünscht ist, so bietet sich der Einsatz eines PI-Zustandsreglers an. Zur Auslegung des Reglers wird in dieser Arbeit neben dem klassischen Riccati-Entwurf noch eine spezielle Auslegungsart für Mehrmassenschwinger mit Hilfe der Polvorgabe vorgestellt. Damit eine dynamische Zustandsregelung funktioniert, muss ein entsprechender Beobachter hochdynamische rausch- und störungsarme Signale für alle benötigten Zustände des Dreimassenschwingers liefern. Sowohl zur Regler- als auch zur Beobachterauslegung müssen die Parameter der Regelstrecke sehr genau bekannt sein. Es wird deshalb in dieser Arbeit ein robuster Entwurf vorgestellt, welcher auch bei nicht ganz korrekten Streckenparametern noch ein gutes Regelverhalten garantiert. Eine sehr hochdynamische Drehzahlregelung macht nur Sinn mit einer ausreichend schnellen unterlagerten Drehmomentregelung. Bei der ursprünglichen Variante der direkten Drehmomentmittelwertregelung (DMTC) kann, bei Flussstützungen, ein Zyklus lang ein falsches Drehmoment eingestellt werden, was zu Anregung von unerwünschten Drehzahlschwankungen führt. In dieser Arbeit wurde deshalb ein komplett neuer Flussregler mit Zyklusdreiteilung entwickelt. Mit dieser Verbesserung ist es möglich, in jedem Zyklus den Fluss zu stützen und das gewünschte Drehmoment einzustellen. Um den Einsatz des DMTC-Verfahrens in der Praxis zu erleichtern, werden verschiedene Verfahren zur automatischen Bestimmung der elektrischen Parameter des Asynchronmaschinenmodells in dieser Arbeit vorgestellt. Diese Verfahren liefern die zum Betrieb der Drehmomentregelung nötigen elektrischen Parameter mit ausreichender Genauigkeit ohne zusätzliche Änderungen am Aufbau. Es ist mit modernen Drehmomentregelverfahren und IGBT-Pulsumrichtern möglich, hochfrequente Schwingungen aktiv zu dämpfen. Hierzu eignet sich ein PI-Zustandsregler, der noch zusätzlich eine sehr hohe Dynamik bei der Drehzahlregelung ermöglicht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Mechanical resonance is often a problem in drive systems. In servo systems the resonant frequencies can be far above 100 Hz. The used plant consists of a three inertia system formed of the induction machine as the actuator, the coupling and the dc load machine with resonant frequencies at 396.5 Hz and 858 Hz. The controller, the measurement of the system states and the actuator therefore got to be very fast. Solutions for this are given in the work. A simple method of active damping of these oscillations is a PI-speed controller. The generation of a suitable speed signal for control is possible with the help of an observer of the actuator. The acceleration must be measured with a Ferraris acceleration sensor. This acceleration is then integrated and compared to the differentiated position signal of an incremental encoder. With this comparison the observer feedback is generated. A method to design the PI-controller is also described in the work. Another possibility to control the plant is a state controller. A suitable method to rate this controller which is described in the work is the following: First the design is done by a Riccati-design of the controller. The pole positions found are then taken as starting points for an optimization by pole placement. It can be shown that a change of frequency of the resonant oscillations needs a lot of actuator power. Therefore only the damping of these resonant oscillations is increased. The states of the system have to be known for a state control. A suitable solution is the use of an observer of the three inertia system. To make the design of the observer and the controller robust a method is described in this work. But not only the measurement and the controller have to be fast, this is also true for the torque control. The original Direct Mean Torque Control (DMTC) uses only one voltage vector and one zero vector per cycle. It is sometimes not possible to set the torque and the flux in the machine correctly in one cycle with only two vectors. In this work an improved algorithm with a new torque control and three voltage vectors is presented. The DMTC-algorithm needs a model of the induction machine. The parameters of this model must be estimated if they are not exactly known. A possible method to do this is also given in this thesis. The work shows a method to control also complicated plants with high resonant frequencies with PI- or state control and explains the measurement or generation of the necessary states. Several improvements of the DMTC-algorithm are also mentioned. The measured results are shown for the most important controllers and methods.English
Uncontrolled Keywords: active damping, direct torque control, parameter estimation, inverter feed induction machine, state control, control of drives
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
active damping, direct torque control, parameter estimation, inverter feed induction machine, state control, control of drivesEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:48
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000273
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2732
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Mutschler, Prof. Dr.- Peter and Hackstein, Prof. Dr.- Detlev
Advisors: Mutschler, Prof. Dr.- Peter
Refereed: 6 November 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/273
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