CN107565877B - 用于控制电机的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本公开的各种实施例提供了用于控制电机的方法和设备，方法包括：向电机输入随时间变化的速度指令信号以及速度激励信号，以用于辨识电机的转动惯量，其中，电机输出的实际转速与速度指令信号以及速度激励信号相关联并且速度激励信号还用于附加地、至少部分地改变电机的实际转速的加速度；以及基于辨识出的转动惯量，调整对电机的控制。

Description

用于控制电机的方法和设备

技术领域

本公开的各种实施例总体上涉及自动控制领域，并更为具体地涉及用于控制电机的方法及设备。

背景技术

在当前的电机(尤其是伺服电机)的速度控制系统中，通常通过实时地辨识电机系统的转动惯量来实时地调节速度环的增益，以优化对电机转速的控制。这一动态的实时的转动惯量的辨识以及对电机的调节能够在例如负载及转动惯量发生变化的情况下保持速度环的稳定。因此，速度控制环的性能非常依赖于对于电机转动惯量的辨识的精度和鲁棒性。

然而，根据现有的转动惯量辨识方案所辨识出的转动惯量的精度往往不高，在有些情况下甚至与实际值相差甚远。这将影响到电机控制的性能。

发明内容

本公开的第一方面提供一种用于控制电机的方法，包括：向电机输入随时间变化的速度指令信号以及速度激励信号，以用于辨识电机的转动惯量，其中电机输出的实际转速与速度指令信号以及速度激励信号相关联，并且速度激励信号还用于附加地、至少部分地改变电机的实际转速的加速度；以及基于辨识出的转动惯量，调整对电机的控制。

本公开的第二方面提供一种用于控制电机的设备，包括：速度信号产生装置，被配置为向电机输入随时间变化的速度指令信号以及速度激励信号，以用于辨识电机的转动惯量，其中电机输出的实际转速与速度指令信号以及速度激励信号相关联，并且速度激励信号还用于附加地、至少部分地改变电机的实际转速的加速度；以及电机调节装置，被配置为基于辨识出的转动惯量，来调整对电机的控制。

通过根据本公开实施例的方法及设备，可以解决在电机的加速度过低或过高而导致加速电流噪声过大的情况下对转动惯量的辨识不准确的问题，并进而通过辨识出的更为准确的转动惯量来进一步改善在电机的整个加速或减速过程中控制系统的整体性能，以例如实现更小的电机抖动、以及更好的转速跟随。

应当理解，发明内容部分并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，亦非旨在用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

通过对附图中的示例实施例的描述，本公开的特征和优点将易于理解，在附图中：

图1示出了根据本公开实施例的用于控制电机的系统的示意图；

图2示出了根据本公开实施例的用于控制电机的方法的流程图；

图3示出了根据本公开实施例的速度指令信号和速度激励信号的示例性信号图；

图4示出了根据本公开另一实施例的速度指令信号和速度激励信号的示例性信号图；

图5示出了根据本公开又一实施例的速度指令信号、速度激励信号、以及参考速度指令信号的示例性信号图；以及

图6示出了根据本公开实施例的用于控制电机的设备的框图。

在所有附图中，相同或相似参考数字表示相同或相似元素。

具体实施方式

现在将参考一些示例实施例描述本公开的原理。可以理解，这些实施例仅出于说明并且帮助本领域的技术人员理解和实施本公开的目的而描述，而非建议对于本公开的范围的任何限制。在此描述的本公开的内容可以以下文描述的方式之外的各种方式实施。

如本文中，术语“包括”及其各种变体可以被理解为开放式术语，其意味着“包括但不限于”。术语“基于”可以被理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”可以被理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”可以被理解为“至少一个其它实施例”。

图1示出了根据本公开实施例的用于控制电机110的系统100的示意图。如图1所示，系统100包括电机110、用于控制电机110的电机驱动装置120、以编码器为形式的转速反馈装置140、以及转动惯量辨识装置130。如上面所提及的，为了优化对电机110的控制，往往需要根据电机110的负载(未示出)的实际情况对其转动惯量实时地进行辨识，并将辨识出的转动惯量实时地反馈给电机驱动装置120，以改善对电机110的控制，进而例如实现较小的电机抖动以及较好的转速跟随。

以伺服电机控制系统为例，需要向电机驱动装置120输入一个速度指令信号，该速度指令信号用于驱动电机110以使电机110的转速能够基本上跟随该速度指令信号。电机110在速度指令信号的控制下输出实际的转速和电机电流，并例如经由编码器140将输出的转速进行反馈以形成速度闭环。需要指出，为了辨识转动惯量，需要输入随时间变化的速度指令信号，这是因为转动惯量的计算至少部分取决于电机110输出的实际转速相对于时间的导数，也即，电机的加速度。从电机110中输出的实际转速和电机电流两者随后可以被输送至转动惯量辨识装置130以按照已知的方式来辨识或计算出电机110的转动惯量。然而，这种传统的转动惯量辨识方式的精确度往往不高，而这往往是由于出于一些特定的原因而使得电机110的实际加速度(或减速度)很小造成的。在加速度很小的情况下，用于给电机110加速的加速电流的噪音就会较大，这导致了转动惯量辨识的不精确性。因此，为了克服这一缺陷，可以在原有速度指令信号的基础上，附加地引入另一(往往是短时的)在下文中被称作“速度激励信号”的信号，以这样的方式，在电机的起始加速(或减速)阶段，至少部分地将电机转速的瞬时加速度(或减速度)改变到预先确定的水平，以用于提高转动惯量辨识的准确性，并进而改善对电机110的控制。

图2示出了根据本公开实施例的用于控制电机的方法200的流程图。在步骤210中，向电机输入如上所述的随时间变化的速度指令信号以及速度激励信号，以用于辨识电机的转动惯量。在步骤240中，基于辨识出的转动惯量，调整对电机的控制。

根据本公开的实施例，方法200在步骤210之后还能够包括步骤220-230(未示出)。在步骤220中，利用输入的速度指令信号和速度激励信号驱动电机，以获得电机的实际转速和电流。随后，在步骤230中，根据所获得的实际转速和电流，辨识电机的转动惯量。

在某些实施例中，上述随时间变化的速度指令信号包括上升的速度指令信号、下降的速度指令信号以及它们的组合。上升和下降的速度指令信号可以是线性上升和下降的信号。在某些情况下，这种线性上升和线性下降的速度指令信号给出具有恒定加速度(或减速度)的速度指令信号，这样的信号形状往往有助于在理论上对转动惯量进行计算。图3和图4中示出了由线性上升部分(由指向斜上方的箭头示出)和线性下降部分(由指向斜下方的箭头示出)构成的示例性速度指令信号。需要指出，非线性上升和非线性下降的速度指令信号(例如，具有字母“S”形状的信号)也同样涵盖在本公开的保护范围内。在某些情况下，非线性的速度指令信号可能是有利的，这是因为电机的相对平缓的加速度或减速度可以避免由于突然的速度变化而对电机带来的冲击。同样需要指出，图3或图4中示出的包含了上升和下降两者的速度指令信号仅为示例性的，随时间仅上升、或随时间仅下降的速度指令信号同样可以用于转动惯量的辨识。

本公开中的速度激励信号包括但不限于方波信号、三角波信号、以及梯形波信号。图3和图4中下半部分的曲线分别示出了具有方波形状和三角波形状的速度激励信号。需要指出，图3和图4中示出的速度激励信号的形式同样仅为示例性的，由于速度激励信号旨在改变电机转速的加速度(或减速度)，因此，能够带来上述改变的加速度这一效果的速度激励信号的任何形式均应落入本公开的保护范围内。

在某些实施例中，向电机输入随时间变化的速度指令信号以及速度激励信号包括在随时间变化的速度指令信号的起始时刻或在该起始时刻之后阈值时间范围内的时刻，添加速度激励信号，这一阈值时间范围例如可以是几微秒或几毫秒。这是因为在速度指令信号开始变化的时刻以及之后的较小时间段内，电机110输出的实际转速的加速度也通常较低。如在图3和图4中的实施例所示，速度激励信号分别被添加在速度指令信号开始上升以及开始下降的时刻，速度指令信号开始上升以及开始下降的时刻在图3和图4中分别以两条竖直的虚线标识出。

在某些实施例中，向电机输入随时间变化的速度指令信号以及速度激励信号还包括独立地确定速度激励信号的持续时间，例如，可以独立地将速度激励信号的持续时间设定为固定的时长，如几毫秒。或者与电机的实际转速相关联地确定速度激励信号的持续时间，例如可以将速度激励信号的持续时间设定为电机110输出的实际转速的函数。举例来说，可以在实际转速达到某一阈值水平(例如，100PRM)的情况下，停止速度激励信号。需要指出，可以根据不同的电机系统，适应性地设定速度激励信号的持续时间。当然，除了设定速度激励信号的持续时间之外，也可以单独设定速度激励信号的幅度。

在某些实施例中，速度激励信号的持续时间可以小于、甚至远小于随时间变化的速度指令信号的持续时间。这使得速度激励信号仅仅在速度指令信号开始变化的很短的时间段内(例如，几毫秒的范围内)、或甚至仅瞬时地对实际转速发生作用。在某些情况下，这将是特别有利的，这是因为，如上面所述，对转动惯量辨识的不准确性主要来自电机110的较低的加速度(或减速度)，因此，可以选择在速度指令信号刚刚开始变化的时刻，加入速度激励信号，并且使得该速度激励信号仅持续很短的时间，而基本上不影响随后的电机110输出的转速。

在某些实施例中，在随时间变化的速度指令信号的起始时刻或在所述起始时刻之后阈值时间范围内的时刻，添加速度激励信号包括将变化的速度指令信号的第一变化率与参考速度指令信号的第二变化率相比较；以及响应于第一变化率不同于第二变化率，添加速度激励信号。这里，参考速度指令信号是理论上的期望的速度指令信号，其可能不同于输入到电机驱动装置120中的实际的速度指令信号，而本文中的上述速度指令信号可能是从电机系统速度环之前的位置环(未示出)生成的指令信号。

根据本公开的实施例，响应于第一变化率不同于第二变化率，添加速度激励信号包括：响应于第一变化率小于第二变化率，添加第一速度激励信号来增大实际速度信号的变化率。

图5(A)示出了速度指令信号的第一变化率小于参考速度指令信号的第二变化率的情况，其中参考速度指令信号由虚线表示，并且其中速度激励信号在图5的实施例中为三角波。变化率可以从曲线的斜率中看出。具体来说，在速度指令信号线性上升阶段，其变化率(或斜率)小于参考速度指令信号的变化率(或斜率)，因此，加入一个幅值为正的速度激励信号，以用于增大跟随速度指令信号的实际转速的变化率(即，加速度)。类似地，在速度指令信号线性下降阶段，加入一个幅值为负的镜像的速度激励信号，以同样用于增大跟随速度指令信号的实际速度信号的变化率(即，减速度)。

可选地，根据本公开的实施例，响应于第一变化率不同于第二变化率，添加速度激励信号还可以包括：响应于第一变化率大于第二变化率，添加第二速度激励信号来减小实际速度信号的变化率；以及响应于第一变化率等于第二变化率，添加为零的第三速度激励信号来使得实际速度信号的变化率保持不变。

图5(C)示出了速度指令信号的第一变化率大于参考速度指令信号的第二变化率的情况，变化率同样可以从曲线的斜率中看出。在这种情况下，与图5(A)中所描述的情况相反，在速度指令信号线性上升阶段，其变化率(即斜率)大于参考速度指令信号的变化率(即斜率)，因此，加入一个幅值为负的速度激励信号，以用于减小跟随速度指令信号的实际速度信号的变化率(即，加速度)。类似地，在速度指令信号线性下降阶段，加入一个幅值为正的镜像的速度激励信号，以同样用于减小跟随速度指令信号的实际速度信号的变化率(即，减速度)。图5(B)示出了速度指令信号的第一变化率等于参考速度指令信号的第二变化率的情况，可以看出，在图5(B)中速度指令信号与参考速度指令信号的曲线完全重合，在这种情况下，添加幅值为零的第三速度激励信号或不添加任何速度激励信号，来使得实际速度信号的变化率保持不变。

图6示出了根据本公开实施例的用于控制电机110的设备600的框图。如图6所示，设备600包括：速度信号产生装置610，被配置为向电机输入随时间变化的速度指令信号以及速度激励信号，以用于辨识电机的转动惯量；以及电机调节装置620，被配置为基于辨识出的转动惯量，来调整对电机110的控制。

根据本公开的实施例，并结合图1，设备600还能够包括：电机驱动装置120，被配置为利用来自速度信号产生装置610的速度指令信号和速度激励信号驱动电机，以获得电机的实际转速和电流；以及转动惯量辨识装置130，被配置为根据从电机驱动装置120所获得的实际转速和电流来辨识电机110的转动惯量。

根据本公开的实施例，随时间变化的速度指令信号包括：上升的速度指令信号、下降的速度指令信号或者它们的组合。

根据本公开的实施例，速度激励信号包括：方波信号、三角波信号或者梯形波信号。

根据本公开的实施例，速度信号产生装置610包括：速度激励信号触发装置，被配置为在随时间变化的速度指令信号的起始时刻或在所述起始时刻之后阈值时间范围内的时刻，添加速度激励信号。

根据本公开的实施例，速度信号产生装置610还包括：速度激励信号持续时间确定装置，被配置为独立地确定速度激励信号的持续时间；或者与电机的实际转速相关联地确定速度激励信号的持续时间。

根据本公开的实施例，速度激励信号的持续时间小于随时间变化的速度指令信号的持续时间。

根据本公开的实施例，速度激励信号触发装置包括：比较装置，被配置为将变化的速度指令信号的第一变化率与参考速度指令信号的第二变化率相比较；以及速度激励信号添加装置，被配置为响应于第一变化率不同于第二变化率，添加速度激励信号。

根据本公开的实施例，速度激励信号添加装置包括：第一速度激励信号添加装置，被配置为响应于第一变化率小于第二变化率，添加第一速度激励信号来增大实际速度信号的变化率。

根据本公开的实施例，速度激励信号添加装置还包括：第二速度激励信号添加装置，被配置为响应于第一变化率大于第二变化率，添加第二速度激励信号来减小实际速度信号的变化率；以及第三速度激励信号添加装置，被配置为响应于第一变化率等于第二变化率，添加为零的第三速度激励信号来使得实际速度信号的加速度保持不变。

综上，本公开的各个实施例提供了一种用于控制电机的方法和设备。通过引入速度激励信号来至少部分地、在短时间内改变电机的加速度，以实现了在电机的整个加速或减速阶段，尤其是加速度(或减速度)过高或过低的情况下对电机的转动惯量的精确辨识，由此改善了电机的控制性能。

总体而言，虽然若干具体实现方式的细节在上面的讨论中被包含，但是这些不应被解释为对本公开的范围的任何限制，而是特征的描述仅是针对具体实施例。在分离的一些实施例中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合地执行。相反，在单个实施例中描述的各种特征也可以在多个实施例中分离地实施或是以任何合适的子组合的方式实施。

虽然本公开以具体结构特征来描述，但是可以理解，在所附权利要求书中限定的技术方案的范围并不必然限于上述具体特征。换言之，以上描述的仅仅是本公开的可选实施例。对于本领域的技术人员来说，本公开的实施例可以存在各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等效替换、改进等，均包含在本公开的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种用于控制电机的方法，包括：

向所述电机输入随时间变化的速度指令信号以及速度激励信号，以用于辨识所述电机的转动惯量，其中所述电机输出的实际转速与所述速度指令信号以及所述速度激励信号相关联，并且所述速度激励信号还用于附加地、至少部分地改变所述电机的所述实际转速的加速度到预定水平；以及

基于辨识出的转动惯量，调整对所述电机的控制。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

利用输入的速度指令信号和速度激励信号，驱动所述电机，以获得所述电机的实际转速和电流；以及

根据所获得的实际转速和电流，辨识所述电机的所述转动惯量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述随时间变化的速度指令信号包括：上升的速度指令信号、下降的速度指令信号或者它们的组合。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述速度激励信号包括：方波信号、三角波信号或者梯形波信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其中向所述电机输入随时间变化的速度指令信号以及速度激励信号包括：

在所述随时间变化的速度指令信号的起始时刻或在所述起始时刻之后阈值时间范围内的时刻，添加所述速度激励信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其中向所述电机输入随时间变化的速度指令信号以及速度激励信号还包括：

独立地确定所述速度激励信号的持续时间；或者

与所述电机的所述实际转速相关联地确定所述速度激励信号的持续时间。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述速度激励信号的持续时间小于所述随时间变化的速度指令信号的持续时间。

8.根据权利要求5所述的方法，其中在所述随时间变化的速度指令信号的起始时刻或在所述起始时刻之后阈值时间范围内的时刻，添加所述速度激励信号包括：

将所述变化的速度指令信号的第一变化率与参考速度指令信号的第二变化率相比较；以及

响应于所述第一变化率不同于所述第二变化率，添加所述速度激励信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其中响应于所述第一变化率不同于所述第二变化率，添加所述速度激励信号包括：

响应于所述第一变化率小于所述第二变化率，添加第一速度激励信号来增大所述实际速度信号的加速度。

10.根据权利要求8所述的方法，其中响应于所述第一变化率不同于所述第二变化率，添加所述速度激励信号还包括：

响应于所述第一变化率大于所述第二变化率，添加第二速度激励信号来减小所述实际速度信号的加速度；以及

响应于所述第一变化率等于所述第二变化率，添加为零的第三速度激励信号来使得所述实际速度信号的加速度保持不变。

11.一种用于控制电机的设备，包括：

速度信号产生装置，被配置为向所述电机输入随时间变化的速度指令信号以及速度激励信号，以用于辨识所述电机的转动惯量，其中所述电机输出的实际转速与所述速度指令信号以及所述速度激励信号相关联，并且所述速度激励信号还用于附加地、至少部分地改变所述电机的所述实际转速的加速度到预定水平；以及

电机调节装置，被配置为基于辨识出的转动惯量，来调整对所述电机的控制。

12.根据权利要求11所述的设备，还包括：

电机驱动装置，被配置为利用来自所述速度信号产生装置的速度指令信号和速度激励信号，驱动所述电机，以获得所述电机的实际转速和电流；以及

转动惯量辨识装置，被配置为根据从所述电机驱动装置所获得的实际转速和电流，辨识所述电机的所述转动惯量。

13.根据权利要求11所述的设备，其中所述随时间变化的速度指令信号包括：上升的速度指令信号、下降的速度指令信号或者它们的组合。

14.根据权利要求11所述的设备，其中所述速度激励信号包括：方波信号、三角波信号或者梯形波信号。

15.根据权利要求11所述的设备，其中所述速度信号产生装置包括：

速度激励信号触发装置，被配置为在所述随时间变化的速度指令信号的起始时刻或在所述起始时刻之后阈值时间范围内的时刻，添加所述速度激励信号。

16.根据权利要求11所述的设备，其中所述速度信号产生装置还包括：

速度激励信号持续时间确定装置，被配置为独立地确定所述速度激励信号的持续时间；或者与所述电机的所述实际转速相关联地确定所述速度激励信号的持续时间。

17.根据权利要求11所述的设备，其中所述速度激励信号的持续时间小于所述随时间变化的速度指令信号的持续时间。

18.根据权利要求15所述的设备，其中所述速度激励信号触发装置包括：

比较装置，被配置为将所述变化的速度指令信号的第一变化率与参考速度指令信号的第二变化率相比较；以及

速度激励信号添加装置，被配置为响应于所述第一变化率不同于所述第二变化率，添加所述速度激励信号。

19.根据权利要求18所述的设备，其中所述速度激励信号添加装置包括：

第一速度激励信号添加装置，被配置为响应于所述第一变化率小于所述第二变化率，添加第一速度激励信号来增大所述实际速度信号的变化率。

20.根据权利要求18所述的设备，其中所述速度激励信号添加装置还包括：

第二速度激励信号添加装置，被配置为响应于所述第一变化率大于所述第二变化率，添加第二速度激励信号来减小所述实际速度信号的变化率；以及

第三速度激励信号添加装置，被配置为响应于所述第一变化率等于所述第二变化率，添加为零的第三速度激励信号来使得所述实际速度信号的加速度保持不变。

Images