CN102136824A

CN102136824A - 用于频率转换器的控制方法

Info

Publication number: CN102136824A
Application number: CN2011100265757A
Authority: CN
Inventors: 亚尼·坎加斯; 尤西·兰塔宁
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: EP2360832A1; CN102136824B; US8581532B2; US20110181212A1

Abstract

一种与包括频率转换器(10)的电动机驱动器有关的方法，其中将驱动器的电动机与负载相连接并且通过频率控制器(10)来控制电动机。该方法包括以下步骤：将影响负载的动作所引起的电动机的电学量的变化转换(10.5.1)为表示这些变化的观测结果，基于观测结果序列与有效模式的集合的对比来选择(10.5.2)控制符号，以及基于所选择的符号来控制(10.5.3)转换器。

Description

用于频率转换器的控制方法

发明领域

本发明涉及一种与包括频率转换器的电动机驱动器有关的方法，其中驱动器的电动机与负载相连接。

背景技术

当今世界充满了以电为动力并且由人来操作的设备。这种人机交互的一个典型情况是附接于负载并且由用户来操作的电动机驱动器。如今，电动机驱动器通常包括频率转换器。

在现有技术中，频率转换器通过外部接口(例如可以是转换器上的前面板或者电/光通信接口)来接收控制参数。然而并没有自然的、直观的方式来使用户直接与电动机驱动器交互。

发明内容

本发明的目标是提供一种方法以便于减轻上述缺点。通过根据本发明的实施例的方法和电动机驱动器，实现了本发明的目标。

在本发明的范围内的典型配置包括电动机驱动器和负载。电动机驱动器还包括转换器。本发明基于以下认识：影响负载的用户行为引起电动机的电学量的变化。转换器测量特定量并且每个行为因此生成可测量的模式。转换器使用模式识别算法来将用户行为所引起的模式与有效模式的集合对比。

这些有效模式表示需要识别的行为。如果用户行为所引起的模式与有效模式足够好地相匹配，换言之，其被识别，则认为转换器接收到了命令。因此，根据本发明的方法可以用作用户接口。有效模式可以是预编程的，或者在一些实施例中它们可以是被教授的。

影响负载的行为就其本身而言也可以是无意的。在这种实施例中，根据本发明的方法用作安全特征，因为其可以用于识别故障或者事故。根据本发明的方法也能够用作先制的(pre-emptive)安全措施，因为其可以发现迫近的事故或者故障并且施加预防性措施以避免故障或者事故的发生。

本发明的方法的优点是其给予了实现移动设备对物理用户的接触做出反应的可能性。学习新模式的能力开启了对于不同应用能够识别何种模式的无限的可能性。用户不需要分立的控制频率转换器的设备。因此，从用户角度来看，频率转换器可以是“黑匣子”设备。

立即或者甚至事先识别事故或者故障的可能性大大提高了安全性。在事故或者故障之后直接操纵控制过程并且因此排除故障或者挽救事故的受害者的可能性进一步改进了安全性。

当本发明的方法是软件算法时，其不需要另外的外部资源。至少本发明的方法的较简单形式能够在任何由处理器/DSP(数字信号处理器)/FPGA(现场可编程门阵列)/ASIC(专用集成电路)所控制的频率控制器中实现。该方法从而消除了对于外部传感器的需要，因此使得配置更简单且更廉价。

附图说明

在下文中将参考附图借助优选实施例来更详细地描述本发明，其中

图1示出了基于现有技术的、具有频率转换器的配置的简化的框图；

图2示出了实施根据本发明的方法的转换器的简化的框图；

图3示出了将电学量的测量结果信号q_meas转换为观测结果序列的示例；

图4更详细地示出了模式识别阶段；

图5示出了本发明的与电动机驱动器和作为负载的传送带有关的实施例。

具体实施方式

本发明涉及与包括频率转换器的电动机驱动器有关的方法，其中驱动器的电动机与负载相连接。在现有技术中，频率转换器中的控制目标典型地是使特定电学量的内部基准和测量值之间的差最小。

图1示出了基于现有技术的、具有频率转换器的配置的简化的框图。转换器1对电动机2进行控制并提供动力。转换器具有关于电学量q的内部基准q_ref，并且转换器也包括用于测量电学量q的装置1.1，所述装置1.1产生关于电学量的测量值q_meas。电学量q例如可以是电动机电流、电压、电动机的转矩或者转速。转矩和转速可以被看作电学量，因为转矩和转速可以根据电动机的其他电学量来估计。转换器包括用于形成关于基准q_ref和测量值q_meas之间的差的差项q_diff的装置1.2。控制功能部1.3用来响应于差项q_diff，形成控制信号ctrl。控制信号ctrl用来控制转换器1的电气电路1.4。电气电路1.4包括用于对电动机2进行控制并提供动力的装置。电动机2对负载3提供动力。负载3可以是非恒定的。负载3的变化使得电动机2的电学量改变。这些变化可以在电学量的测量值中观测到。转换器1通过控制电动机2来补偿这些变化，从而实现控制目标。受制于负载3的行为也引起电动机2的电学量的变化。

因为这些变化可以在电学量的测量值中观测到，所以有可能将现有技术中的控制方法的控制目标扩展到也识别通过影响负载的行为来给予转换器1的命令，因此使得该方法用作用户界面。所述行为例如可以是操纵负载3的用户做出的动作或者运动。前面的示例示出了带有一个内部基准q_ref、一个测量结果q_meas、一个差项q_diff和一个控制信号ctrl的方案。然而，在本发明的其他实施例中，所述信号/项的数量可以多于一个。因此，在本文件中提到所述信号可以意味着一个信号或者一组信号。

图2示出了实施根据本发明的方法的转换器10的简化的框图。图2中的转换器包括用于测量电学量q的装置10.1和用于形成差项q_diff的装置10.2。控制功能部10.3用来形成控制信号ctrl。控制信号ctrl用来控制电气电路10.4。通过模式判读算法10.5来扩展现有技术的控制方法。根据本发明的方法使用电动机的特定电学量的测量结果q_meas。根据本发明的方法可以包括预处理阶段10.5.1来使得测量结果q_meas适合于模式识别阶段10.5.2。预处理阶段10.5.1可以包括以下步骤：滤波和/或缩放和/或其他形式的信号处理。预处理阶段10.5.1可以将测量结果转换为观测结果序列O，其中任何观测结果o从可能的选择对象的有限集合中选出。在预处理阶段10.5.1之后得到的信号的样本在下文中被称为观测结果o。

图3示出了将电学量的测量结果信号q_meas转换为观测结果序列的示例。图3中的缩写具有以下含义：

PR测量结果q_meas大于基准q_ref并且上升

PS测量结果q_meas大于基准q_ref并且维持在相同的水平上

PF测量结果q_meas大于基准q_ref并且下降

NR测量结果q_meas小于基准q_ref并且上升

NS测量结果q_meas小于基准q_ref并且维持在相同的水平上

NF测量结果q_meas小于基准q_ref并且下降

图3中的信号q_meas被转换为观测结果o_T-7..o_T，其稍后例如在与图2中的模式识别阶段10.5.2类似的模式识别阶段中使用。

在现有技术中，频率转换器使用关于电动机的电学量的内部基准来控制电动机。换言之，转换器具有与电动机的电学量应该是什么有关的信息并且控制电动机从而朝着这些基准来调整测量结果。返回到图2，根据本发明的方法也可以在预处理阶段10.5.1中考虑这些基准值q_ref。

图4更详细地示出了在预处理阶段10.5.1之后的模式识别阶段10.5.2。模式识别阶段10.5.2包括对比阶段10.5.2.1，其将连续的观测结果o_n-i..o_n所构成的观测结果序列O与k个模式p₀..p_k1所组成的有效模式的集合对比。为辨认有效模式p₀..p_k-1而需要的信息存储在转换器中。为辨认有效模式p₀..p_k-1而需要的信息可以是预编程的，或者在本发明的一些实施例中，其可以随后编程至转换器。

有若干可以在根据本发明的方法中使用的已知模式识别算法，一个示例是在语音和动作识别应用中广泛使用的隐马尔可夫模型HMM。用于计算在计算机鼠标动作识别(computer mouse gesture recognition)中所使用的Levenshtein距离的算法也可以在根据本发明的方法中使用。

如在图4中所示，模式识别算法典型地使用匹配函数M来将观测结果序列与有效模式p₀..p_k-1中的每个对比，并且在认为达到了匹配值的下限的情况下选择最佳匹配模式p_n。然后使有效模式p₀..p_k-1与j个控制符号c₀..c_i-1相联系。模式联系阶段10.5.2.2产生对应于所识别的模式的控制符号串C。为辨认图4中的有效模式p₀..p_k-1而需要的信息具有观测结果序列的形式，但是该信息也可以根据用来识别有效模式p₀..p_k-1的算法而包括其他种类的数据。不止一个有效模式能够生成同样的控制符号。例如，不同的用户可以具有不同的动作，这些不同的动作生成用于设备的相同控制操作的不同模式。

返回到图2，控制符号串C用来使用符号判读阶段10.5.3控制转换器10。单个的控制符号或者控制符号序列表示能够在转换器中执行的控制操作。在本发明的一些实施例中，符号判读阶段10.5.3可以包括用于确定由所识别的模式所指示的控制操作是否能够执行的决策阶段。一些控制操作在特定操作条件下可能无法执行。

诸如电学量的内部基准q_ref和测量值q_meas的其他信息可以在做决策时使用。符号判读阶段10.5.3可以包括状态机以完成上述任务。如果控制操作有效且可执行，则根据本发明的方法可以例如通过操纵基准q_ref，0并因此影响控制功能部10.3的输入来在转换器中执行操作。

在复杂的控制符号序列的情况下，符号判读阶段10.5.3可以包括可能与模式识别阶段10.5.2相似的模式识别子阶段。这使得根据本发明的方法能够识别“模式的模式”。例如，人在跑步机上行走生成关于每个脚步的模式并且连续的脚步生成模式序列。符号判读阶段10.5.3也可以包括用于将数据发送到转换器外部的接收器的装置。用户或者监控系统能够接收与受制于负载的行为有关的信息。

该方法例如可以在处理器、DSP或者可编程逻辑器件(PLD)(例如FPGA)中实现。

本发明的实施例的一般化示例是与电动机驱动器和负载有关的用户接口，其中使用根据本发明的方法所提供的命令来控制电动机。电动机驱动器包括转换器，转换器还包括用于实现根据本发明的方法的装置。用户例如可以将电动机的轴加速至期望的转速并且随后做出前后摆动(back-and-forth)动作。

这些用户行为引起电学量的变化。转换器测量这些变化。转换器将这些行为所生成的测量结果中的模式与存储在转换器中的模式的集合对比。当转换器识别到由转速的增大所生成的模式时，转换器将该模式转换为命令符号。然后转换器确定所述符号启动了用于设置转速的命令符号序列，并且存储所测量的转速值。接下来，转换器识别前后摆动动作所生成的模式并且将该模式转换为另外的终止命令符号。转换器确定用于设置转速的命令符号序列被启动，并且在接收到终止符号后将所存储的值设置为关于转速的基准。然后频率转换器继续控制电动机按在前后摆动动作之前所存储的速度来旋转。

图5示出了本发明的与电动机驱动器和作为负载的传送带20有关的实施例。电动机驱动器由用户(例如在百货商店的银台处的店员)来操作。电动机驱动器中的电动机由包括用于实施根据本发明的方法的装置的频率转换器来提供动力。店员可以通过将手移动到传送带20上(以及轻轻按压)并且做出前后摆动动作G_stop来停止银台传送带20。

动作G_stop引起电动机的电学量(诸如转速ω和/或转矩τ)的变化。这些变化形成模式并且被转换器测量。转换器将这些行为所生成的测量结果中的模式与存储在转换器中的有效模式的集合对比。有效模式的集合包括表示关于命令“启动”、“停止”、“加速”和“减速”的用户动作的模式。例如，当转换器识别到用户的“停止”动作G_stop所生成的模式时，转换器生成相应的命令符号。

在该实施例中单个的控制符号可以表示命令，并且因此转换器将关于电动机转速的基准设置为零。因此，店员能够仅通过在传送带20上做出手势来启动以及停止传送带20。以类似的方式，店员可以通过做出另一动作来以缺省速度再次启动传送带。如果传送带20的速度v不合适，则她/他也可以通过沿期望的方向拂过传送带20来使速度v加速或者减速。同样地，以与“停止”命令的情况类似的方式，拂过动作所生成的模式被识别，并且根据拂过动作的方向使速度v加速或者减速。

用于控制配置的动作可以是预编程的，或者可以由用户教授给转换器。在后者的情况下，传送带的每个用户可以具有他/她自己的用于控制配置的动作的集合。例如可以在转换器被设置为特定的教授工作状态时通过重复所要教授的模式来完成教授这些动作。

根据本发明的方法也能够被调整为用作监视或者监控特征。其示例是与自动梯有关的实施例，自动梯包括具有转换器的电动机驱动器，该转换器包括实现根据本发明的方法的装置。该方法被调整为识别人踏上和踏离自动梯所生成的模式。这允许在没有外部传感器的情况下启动或者停止自动梯。也有可能计算使用自动梯的人数。该信息反过来能够用来调整自动梯的速度。该信息也能够被转发到追踪人流的外部的监视/监控系统。

根据本发明的方法也能够在另外的实施例中用作监控特征，该实施例与由包括转换器的电动机驱动器提供动力的传送带有关。转换器还包括实现根据本发明的方法的装置，并且被调整为识别和分类掉落在传送带上的物体所生成的模式。当物体以可控制的方式掉落时，转换器能够通过使用根据本发明的方法来估计物体的大小、重量和形状。转换器可以追踪传送带上的物体并且还将该信息转发到外部监控系统。

根据本发明的方法能够被调整为用作辅助性特征。其示例是与包括转换器的电动机驱动器和作为负载的门有关的配置。电动机驱动器保持门关闭。转换器还包括实现根据本发明的方法的装置。该方法被调整为识别用户试图开启/关闭门所生成的模式。当转换器识别到这样的模式时，转换器通过控制电动机来辅助开启/关闭。

根据本发明的方法也可以用作识别无意的用户行为或者不需要的事件所生成的模式的安全特征。根据本发明的方法能够在与由包括转换器的电动机驱动器提供动力的跑步机有关的实施例中用作安全特征。转换器还包括用于实现本发明的方法的装置。该方法被调整为识别跑步机上的跑步者的脚步所生成的模式。对于每个脚步生成了可识别的模式并且转换器将该模式转换为相应的控制符号。本发明的方法的符号判读阶段追踪符号的间隔，并且如果符号识别阶段确定出现了间隔的过于极端的变化，则符号识别阶段激活安全特征。该特征例如可以是停止跑步机。该方法也可以包括用于防止由所生成的模式所指示的迫近的事故的装置。例如，可以通过快速改变跑步机的速度来调整跑步者的平衡，由此防止跑步者摔倒。

另一用作安全特征的实施例是与包括转换器的电动机驱动器有关的、具有能够沿两个方向x和y运动的地毯的配置。电动机驱动器中的转换器还包括用于实现本发明的方法的装置。该方法被调整为识别在地毯上行走的人的脚步所生成的模式。地毯通常是静止的，但是如果转换器发现脚步所生成的模式中的异常，则转换器可以为了避免事故而控制电动机以使地毯运动。

本发明的另一用作安全特征的实施例是包括为泵提供动力的电动机驱动器的配置。电动机驱动器中的转换器还包括用于实现本发明的方法的装置。该方法被调整为识别异物阻塞泵所生成的模式。当转换器发现这样的模式时，泵被停机并且因此免遭毁坏。

本发明的又一用作安全特征的实施例是包括为将树干锯成板的圆锯提供动力的电动机驱动器的配置。电动机驱动器中的转换器还包括用于实现本发明的方法的装置。该方法被调整为使得当圆锯撞到障碍物(例如钉子)时，转换器识别该事件所生成的模式并且生成相应的控制符号。如果转换器确定控制符号表示严重的事件，则转换器使锯停止。转换器可以记录关于该事件的信息和/或用该信息来确定何时需要维护。可以存在若干不同的控制符号，表示具有不同严重性水平的不同事件。转换器也可以将这些事件通知外部监控系统。例如，在撞到钉子的情况下，可以通知外部系统并且可以将其上带有钉子的板/部分板从来自圆锯的板的流中移除。

根据本发明的方法也能够用来完成多于一个目标。例如，该方法可以在同一实施例中用作安全特征以及辅助特征，如与用户操作的大型机器的配置有关的实施例中的那样。例如大型辊(roller)的机器由包括转换器的电动机驱动器来提供动力。转换器还包括用于实现根据本发明的方法的装置。该方法被调整为在无外部传感器的情况下识别某物在辊中别住/卡住的事件。在所述事件中使辊停止。然而，当因为某些原因用户的他/她的手/足在辊中别住时，她/他可能由于辊的质量大而不能将他/她自己解脱出来。因此，该方法被调整为识别用户使辊旋转的尝试所生成的模式。转换器通过将电动机控制为使辊以期望的速度沿期望的方向旋转来辅助用户。

对于本领域技术人员而言明显的是，随着技术进步，能够以各种方式来实现本发明的思想。本发明和其实施例不限于上文中所描述的示例，而可以在权利要求的范围中变化。

Claims

1.一种与包括频率转换器的电动机驱动器有关的方法，其中将驱动器的电动机与负载相连接，通过频率控制器来控制电动机并且电动机驱动器适于由用户来控制，该方法的特征在于，该方法包括以下步骤：

将影响负载的用户行为所引起的电动机的电学量的变化转换为表示所述变化的观测结果，

基于观测结果序列与表示所要识别的用户行为的有效模式的集合的对比来选择控制符号，以及

基于所选择的符号来控制转换器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将电学量的变化转换为观测结果包括以下步骤：

测量或者估计电学量的值，

通过缩放和/或滤波和/或以其他方式处理所测量或者所估计的值来形成中间信号，

根据所述中间信号形成观测结果。

3.根据权利要求1至2的任一项所述的方法，其特征在于，基于观测结果序列的对比来选择控制符号包括以下步骤：

将基于电学量的变化的观测结果序列与有效模式的集合对比，

如果达到匹配值的下限，则在有效模式的集合中选择最佳匹配模式，

使用所选择的模式来生成相应的控制符号。

4.根据权利要求1至3的任一项所述的方法，其特征在于，基于所选择的符号来控制转换器包括以下步骤：

基于表示所识别的模式的控制符号或者表示所识别的模式的控制符号序列来选择要对转换器执行的控制操作，以及

执行所述控制操作。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在选择控制操作时考虑基于电学量的内部基准和测量结果/估计结果的操作条件。

6.根据权利要求1至5的任一项所述的方法，其特征在于，有效模式的集合所需的信息可以由用户来教授。

7.根据权利要求1至6的任一项所述的方法，其与电动机驱动器和负载有关，该方法的特征在于，该方法包括以下步骤：

识别用户操纵负载所生成的模式，

使所识别的模式与控制符号相联系，

基于所述控制符号或者所述控制符号的序列来确定电动机驱动器中的影响电动机的转速的控制操作，以及

根据所述控制操作来改变电动机驱动器中的电动机的转速。

8.根据权利要求1至6的任一项所述的方法，其与包括电动机驱动器和作为负载的传送带的配置有关，该方法的特征在于，该方法包括以下步骤：

识别用户将他/她的手按压到传送带上并且通过移动他/她的手来做出动作所生成的模式，

使所识别的模式与控制符号相联系，

基于所述控制符号或者所述控制符号的序列来确定控制操作，所述控制操作包括启动或停止传送带或者以另外的方式操纵传送带的转速，以及

根据所述控制操作来启动或停止传送带或者改变传送带的转速。

9.根据权利要求1至6的任一项所述的方法，其与包括电动机驱动器和作为负载的自动梯的配置有关，该方法的特征在于，该方法包括以下步骤：

识别人踏上和踏离自动梯所生成的模式，

使所识别的模式与控制符号相联系，

基于所述控制符号或者所述控制符号的序列来确定控制操作，所述操作包括启动或停止自动梯，影响自动梯的速度，将与使用所述自动梯的人数有关的信息发送到外部监控系统，以及

根据所述控制操作来控制自动梯。

10.根据权利要求1至6的任一项所述的方法，其与包括电动机驱动器和作为负载的传送带的配置有关，该方法的特征在于，该方法包括以下步骤：

识别物体掉落到传送带上所生成的模式，

使所识别的模式与表示关于所述物体的大小、重量和/或形状的信息的控制符号相联系，

基于所述控制符号或者所述控制符号的序列来确定所述物体的大小、重量和/或形状，以及

将所确定的关于所述物体的大小、重量和/或形状的信息发送到外部监控系统。

11.根据权利要求1至6的任一项所述的方法，其与包括电动机驱动器和作为负载的门的配置有关，该方法的特征在于，该方法被调整为包括以下步骤：

识别人试图开启或者关闭门所生成的模式，

使所识别的模式与控制符号相联系，

基于所述控制符号或者所述控制符号的序列来确定控制操作，所述控制操作包括开启和关闭门，以及

根据所确定的控制操作来辅助开启或者关闭门。

12.根据权利要求1至6的任一项所述的方法，其与包括电动机驱动器和作为负载的跑步机的配置有关，该方法的特征在于，该方法包括以下步骤：

识别在跑步机上跑动的人的脚步所生成的模式，

使所识别的模式与控制符号相联系，

确定所述控制符号之间的间隔，

如果所述控制符号或者所述控制符号之间的间隔指示人即将摔倒，则施加预防性行为以防止人摔倒，以及

如果所述控制符号或者所述控制符号之间的间隔指示人已经摔倒，则将跑步机的速度降至零。

13.根据权利要求1至6的任一项所述的方法，其与包括电动机驱动器和作为负载的能够沿两个方向(x和y)移动的地毯的配置有关，该方法的特征在于，该方法包括以下步骤：

识别在地毯上走动/跑动的人的脚步所生成的模式，

使所识别的模式与控制符号相联系，

确定所述控制符号之间的间隔，

如果所述控制符号或者所述控制符号之间的间隔指示人即将摔倒，则通过利用转换器控制电动机来施加预防性行为以防止人摔倒。

14.根据权利要求1至6的任一项所述的方法，其与包括电动机驱动器和作为负载的泵的配置相关，该方法的特征在于，该方法包括以下步骤：

识别异物卡在泵中所生成的模式，

将所识别的模式转换为控制符号，以及

接收到所述控制符号后使泵停机。

15.根据权利要求1至6的任一项所述的方法，其与包括电动机驱动器和作为负载的用于将树干锯成板的圆锯的配置有关，该方法的特征在于，该方法包括以下步骤：

识别圆锯撞到障碍物所生成的模式，

使所识别的模式与控制符号相联系，

如果所述控制符号对应于足够严重的事件，则使锯停机，

记录控制符号中的信息，

使用所记录的信息来确定对于维护的需要，以及

如果需要维护，则通知外部监控系统。

16.根据权利要求1至6的任一项所述的方法，其与由包括转换器的电动机驱动器提供动力的、由用户操作的大型辊的配置有关，该方法的特征在于，该方法包括以下步骤：

识别某物在辊中别住/卡住所生成的模式，

使所识别的模式与控制符号相联系，

如果所述控制符号表明某物在辊中别住/卡住，则将辊速度降至零，以及此后

识别用户试图使辊转动所生成的模式，

使所识别的模式与控制符号相联系，

基于所述控制符号或者所述控制符号的序列来确定控制操作，所述控制操作包括使辊以期望的速度沿期望的方向旋转，

根据所确定的控制操作来辅助使辊旋转。

17.一种包括频率转换器的电动机驱动器，其中将驱动器的电动机连接到负载并且通过频率控制器来控制电动机，该电动机驱动器的特征在于，该电动机驱动器包括：

用于将影响负载的行为所引起的电动机的电学量的变化转换为表示所述变化的观测结果的装置，

用于基于观测结果序列与有效模式集合的对比来选择控制符号的装置，以及

用于基于所选择的符号来控制转换器的装置。