使用频率响应调节电机驱动器的方法技术

公开了使用频率响应调节电机驱动器的方法以及用于调节电机控制器(10)的改进系统。初始基于所测量的受控系统的频率响应来设置控制器增益。通过设置频率响应中要观测的期望相位裕度和期望增益裕度来限定期望的性能水平。确定频率响应的改进方法提供降低的计算强度。初始调节例程使用频率响应来不仅设置控制器增益而且还设置控制模块中的滤波器设置。在已经从初始调节获得期望性能水平的情况下，电机驱动器在控制电机的同时执行自适应调节例程。自适应调节例程跟随操作性能的改变，并且在电机继续操作的同时调节滤波器设置或控制器增益以将操作返回至期望性能水平内。

Method for modulating motor drive using frequency response

A method of adjusting a motor drive using a frequency response, and an improved system for regulating an electric motor controller (10) are disclosed. The controller gain is initially set based on the frequency response of the measured controlled system. The desired performance level is defined by setting desired phase margin and desired gain margin in the frequency response. An improved method for determining frequency response is provided to reduce the computational strength. The initial adjustment routine uses frequency response not only to set controller gains, but also to set the filter settings in the control module. In the case that the desired performance level has been obtained from the initial adjustment, the motor driver executes an adaptive adjustment routine while controlling the motor. The adaptive adjustment routine follows a change in the operation performance and adjusts the filter settings or controller gain while the motor continues to operate to return the operation to the desired performance level.

【技术实现步骤摘要】
使用频率响应调节电机驱动器的方法
本文所公开的主题总体上涉及调节电机驱动器，并且更具体地涉及用于利用频率响应分析调节高性能电机驱动系统的方法。
技术介绍
如本领域技术人员已知的，电机驱动器用于控制电机的操作。根据一个通常配置，电机驱动器包括DC(直流)总线，DC总线具有适当幅值的DC电压，可根据从该DC电压生成AC电压并将AC电压提供给电机。DC电压可以作为输入被提供给电机驱动器，或者交替地电机驱动器可以包括整流器部，该整流器部将输入的AC电压转换为DC总线上出现的DC电压。电机驱动器包括电力电子开关装置，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、晶闸管或硅控整流器(SCR)。电力电子开关装置还包括跨电力电子开关装置并联连接的反向导通电力电子装置(例如续流二极管)。反向导通电力电子装置被配置成在电力电子开关装置不导通的时间间隔期间进行导通。电机驱动器中的控制器生成开关信号以选择性地接通或关断每个开关装置，从而生成DC总线上的期望DC电压或期望的电机电压。电机驱动器接收表示电机的期望操作的命令信号。命令信号可以是电机要进行操作的期望位置、速度或转矩。通过改变对定子施加的AC电压的幅值和频率来控制电机的位置、速度和转矩。电机连接至电机驱动器的输出端子，并且控制器生成开关信号以按预定开关频率快速接通和关断开关装置，并且由此交替地将DC总线与输出端子连接或断开，进而与电机连接或断开。通过改变电机驱动器的输出端子连接至DC电压的每个开关时段的持续时间，输出电压的幅值变化。电机控制器利用调制技术(例如脉冲宽度调制(PWM))来控制开关以及合成具有期望振幅和频率的波形。为了将命令信号转换为期望的输出电压，电机驱动器包括控制部。控制部可以根据电机驱动器的性能要求在复杂性方面不同。例如，电机驱动器控制泵的操作可仅需要响应于通/断命令来启动和停止泵。电机驱动器可能需要最低程度的控制，例如泵的加速时间和减速时间。相比之下，另一电机驱动器可以控制伺服电机移动例如加工中心的一个轴或者工业机械臂。电机驱动器可能不仅需要启动和停止电机，而且还需要以各种操作速度和/或转矩进行操作或者跟随位置命令。电机控制器可以包括多个控制电路，例如位置控制电路、速度控制电路、转矩控制电路或电流控制电路、或者以上所述的组合。每个控制电路可以包括例如在每个路径中具有关联的控制器增益的比例(P)控制路径、积分(I)控制路径或微分(D)控制路径，并且可能还需要额外的反馈和/或前馈控制增益。为了实现电机的期望操作性能，需要适当地选择控制路径以及与每个路径相关联的控制增益。然而，选择控制增益以实现期望的性能水平具有一定的挑战。虽然控制路径可以彼此并联或串联，但是最终对于控制系统存在单个输入和单个输出。沿一个路径调节控制增益影响一个或更多个其他路径的性能。沿各个路径控制增益的相互作用通常需要时间及劳动密集迭代方法来选择控制增益，以实现期望的性能水平。此外，所选择的最终控制增益常常引起劣于最佳性能，以避免接近控制增益中的一个控制增益会引起控制系统不稳定的操作区域。为了实现控制系统的更好性能，一些控制器提供自动调节过程。然而，现有的自动调节过程同样具有一定缺点。控制器通常仅获知受控系统的一部分的特性。例如，受控系统可以包括电机、电机控制器中容纳的硬件、到受控负载的物理耦接件以及受控负载。控制器可以获知电机的和电机控制器内的硬件的特性，但可能需要关于受控系统的其余部分进行假设。例如，自动调节过程可能期望受控负载至电机的“刚性”耦接或者低惯量比。受控系统的这种特性更密切地代表了理想系统，并且降低了确定控制器增益的复杂性。如果负载具有至电机的“兼容”耦接或具有高惯量比，则可以存在各种谐振工作点。当存在谐振工作点时，自动调节过程通常无法识别控制器增益或者识别到控制器增益，其中控制器增益引起来自受控负载的慢响应以避免激发谐振工作点。这种不良调节结果引起系统以劣于其期望性能水平被控制，从而降低了系统的整体性能。因此，期望提供一种执行电机控制器的自动调节的系统，该电机控制器选择控制器增益以实现期望的性能水平。即使最初选择控制器增益以实现期望的性能水平，受控系统的动态特性仍然会随时间变化。系统的动态特性可能由于例如机械设备的磨损或者被修理和/或替换为具有与原始设备不同特性的设备而变化。环境条件(例如温度和/或湿度)也可能引起受控系统的可变操作。因此，还期望提供如下系统：该系统执行电机控制器的自适应调节，以在受控系统的操作期间定期地精调(refine)所选择的控制器增益，以保持期望的性能水平。
技术实现思路
本文所公开的主题描述了用于调节电机控制器选择控制器增益和滤波器设置来实现期望性能水平的改进方法。基于所测量的受控系统的频率响应来设置控制器增益。通过设置频率响应中要观测的期望相位裕度和期望增益裕度来定义期望的性能水平。一种确定频率响应的改进方法提供降低的计算强度，从而允许电机控制器更迅速地确定频率响应。调节例程使用频率响应来设置控制模块中的控制器增益和滤波器频率，例如陷波滤波器或低通滤波器。此外，自适应调节例程可以用于在电机控制器操作电机时调节控制器增益和滤波器频率以保持期望的性能水平。用于确定频率响应的方法允许自适应调节例程在控制电机的操作时定期地确定频率响应。自适应调节例程跟随受控系统的操作变化，例如谐振频率改变、转矩波动增加或者谐振频率的幅值增加。然后，自适应调节例程可以在电机继续操作时调节滤波器设置或控制器增益，以保持稳定控制和/或将操作返回至期望性能水平内。根据本专利技术的一个实施方式，公开了一种用于在电机的操作期间调节电机驱动器的性能的方法，该电机能够操作地连接至电机驱动器。该电机控制耦接至电机的机械负载的运动。该方法在电机的操作期间测量与电机的操作对应的响应信号，并且将响应信号的值存储在电机驱动器的存储器装置中。还测量电机的操作期间与电机的期望操作对应的命令信号，并且将该命令信号存储在存储器装置中。根据响应信号的多个值在电机驱动器内生成第一频率响应，并且根据命令信号的多个值在电机驱动器内生成第二频率响应。在第一频率响应中识别谐振频率，其中该谐振频率在第一频率响应中的幅值大于其他频率在第一频率响应中的幅值。在第二频率响应中识别命令频率，其中该命令频率在第二频率响应中的幅值大于其他频率在第二频率响应中的幅值。将谐振频率与命令频率进行比较。当谐振频率与命令频率不匹配时，将谐振频率与第一阈值进行比较。当谐振频率大于第一阈值时，设置等于谐振频率的陷波滤波器频率。根据本专利技术的另一实施方式，公开了一种用于调节电机驱动器的性能的方法。电机驱动器控制电机的操作，并且电机的操作控制耦接至电机的机械负载的运动。该方法测量电机驱动器内的响应信号并将响应信号的值存储在电机驱动器的存储器装置中。响应信号响应于预定义命令信号而改变。根据响应信号的值在电机驱动器内生成第一频率响应。针对预定义频率阵列确定第一频率响应，并且从第一频率响应中识别谐振频率。将所识别的谐振频率与第一阈值和第二阈值进行比较，其中第一阈值大于第二阈值。当所识别的谐振频率大于第一阈值时，调节第一控制参数。当所识别的谐振频率介于第一阈值与第二阈值之间时，调节第二控制参数。当所识别的谐振频率小于第二阈值时，调节第三控制参数。第一控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在电机的操作期间调节电机驱动器的性能的方法，所述电机能够操作地连接至所述电机驱动器，其中所述电机控制耦接至所述电机的机械负载的运动，所述方法包括步骤：在所述电机的操作期间测量与所述电机的操作对应的响应信号；将所述响应信号的多个值存储在所述电机驱动器的存储器装置中；在所述电机的操作期间测量与所述电机的期望操作对应的命令信号；将所述命令信号的多个值存储在所述电机驱动器的所述存储器装置中；根据所述响应信号的所述多个值生成所述电机驱动器内的第一频率响应；根据所述命令信号的多个值生成所述电机驱动器内的第二频率响应；识别所述第一频率响应中的谐振频率，该谐振频率在所述第一频率响应中的幅值大于其他频率在所述第一频率响应中的幅值；识别所述第二频率响应中的命令频率，该命令频率在所述第二频率响应中的幅值大于其他频率在所述第二频率响应中的幅值；将所述谐振频率与所述命令频率进行比较；当所述谐振频率与所述命令频率不匹配时，将所述谐振频率与第一阈值进行比较；以及当所述谐振频率大于所述第一阈值时，设置等于所述谐振频率的陷波滤波器频率。

【技术特征摘要】
2015.09.01 US 14/842,4951.一种用于在电机的操作期间调节电机驱动器的性能的方法，所述电机能够操作地连接至所述电机驱动器，其中所述电机控制耦接至所述电机的机械负载的运动，所述方法包括步骤：在所述电机的操作期间测量与所述电机的操作对应的响应信号；将所述响应信号的多个值存储在所述电机驱动器的存储器装置中；在所述电机的操作期间测量与所述电机的期望操作对应的命令信号；将所述命令信号的多个值存储在所述电机驱动器的所述存储器装置中；根据所述响应信号的所述多个值生成所述电机驱动器内的第一频率响应；根据所述命令信号的多个值生成所述电机驱动器内的第二频率响应；识别所述第一频率响应中的谐振频率，该谐振频率在所述第一频率响应中的幅值大于其他频率在所述第一频率响应中的幅值；识别所述第二频率响应中的命令频率，该命令频率在所述第二频率响应中的幅值大于其他频率在所述第二频率响应中的幅值；将所述谐振频率与所述命令频率进行比较；当所述谐振频率与所述命令频率不匹配时，将所述谐振频率与第一阈值进行比较；以及当所述谐振频率大于所述第一阈值时，设置等于所述谐振频率的陷波滤波器频率。2.根据权利要求1所述的方法，其中：针对预定义频率阵列确定所述第一频率响应和所述第二频率响应中的每个，生成所述第一频率响应的步骤还包括步骤：从所述电机驱动器中的所述存储器装置读取所述预定义频率阵列；以及根据所述响应信号的所述多个值来确定所述预定义频率阵列中的每个频率的幅值和相位；以及生成所述第二频率响应的步骤还包括步骤：从所述电机驱动器中的所述存储器装置读取所述预定义频率阵列；以及根据所述命令信号的所述多个值来确定所述预定义频率阵列中的每个频率的幅值和相位。3.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：当所述谐振频率与所述命令频率不匹配时，将所述谐振频率与第二阈值进行比较，其中所述第二阈值大于所述第一阈值；以及当所述谐振频率大于所述第二阈值时，设置等于所述谐振频率的低通滤波器频率以使所述谐振频率的幅值衰减。4.根据权利要求3所述的方法，还包括步骤：当所述谐振频率小于所述第一阈值时，在所述电机驱动器的控制器中调节至少一个增益。5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述控制器中调节至少一个增益的步骤还包括步骤：将所述谐振频率的幅值与上限进行比较；当所述谐振频率的幅值大于所述上限时，调节所述至少一个增益以降低所述谐振频率的幅值；将所述谐振频率的幅值与下限进行比较；以及当所述谐振频率的幅值小于所述下限时，调节所述至少一个增益以增大所述谐振频率的幅值。6.一种用于调节电机驱动器的性能的方法，其中所述电机驱动器控制电机的操作，并且其中所述电机的操作控制耦接至所述电机的机械负载的运动，所述方法包括步骤：测量所述电机驱动器内的响应信号，其中所述响应信号响应于预定义命令信号而改变；将所述响应信号的多个值存储在所述电机驱动器的存储器装置中；根据所述响应信号的所述多个值生成所述电机驱动器内的第一频率响应，其中针对预定义频率阵列确定所述第一频率响应；从所述第一频率响应中识别谐振频率；将所识别的谐振频率与第一阈值和第二阈值进行比较，其中所述第一阈值大于所述第二阈值；当所识别的谐振频率大于所述第一阈值时，调节第一控制参数；当所识别的谐振频率介于所述第一阈值与所述第二阈值之间时，调节第二控制参数；以及当所识别的谐振频率小于所述第二阈值时，调节第三控制参数。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二控制参数是陷波滤波器频率。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一控制参数是低通滤波器带宽。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第三控制参数是控制回路增益。10.根据权利要求6所述的方法，还包括步骤：将所述预定义命令信号提供给所述电机驱动器的控制模块以控制所述电机的操作；将所述预定义命令信号的多个值存储在所述电机驱动器的所述存储器装置中；根据所述命令信号的所述多个值生成所述电机驱动器内的第二频率响应，其中针对所述预定义频率阵列确定所述第二频率响应序列；将所识别的谐振频率与所述第二频率响应进行比较；以及当所识别的谐振频率与所述第二频率响应中的频率对应时，不执行所述调节步骤中的每个。11.根据权利要求10所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：马德里亚诺·M·达·席尔瓦，布里安·法斯特，罗伯特·J·米克洛绍维奇，米歇尔·E·霍尔特，
申请(专利权)人：洛克威尔自动控制技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US