CN112425063A - 用于控制电动机的方法和控制系统 - Google Patents

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Abstract

用于控制电动机(16)的方法，该方法包括：确定电动机(16)的计划参考速度(32)；基于计划参考速度(32)来确定脉冲宽度调制(PWM)开关频率；以及通过交流电流(24)来控制电动机(16)，该交流电流(24)通过具有所确定的PWM开关频率的PWM开关来产生。还提供了用于控制电动机(16)的控制系统(12)和包括控制系统(12)的工业机器人(10)。

Description

用于控制电动机的方法和控制系统
技术领域
本发明总体涉及用于控制电动机的方法和控制系统。特别地，提供了用于控制电动机的方法，其中脉冲宽度调制(PWM)开关频率是基于电动机的计划参考速度确定的，还提供了用于控制电动机的控制系统以及包括控制系统的工业机器人。
背景技术
具有大量的极的PWM控制的电动机需要较高的PWM开关频率。如今，这种电动机是通过恒定的高PWM开关频率来控制的。通过恒定的高PWM开关频率，电动机可能会过热。高PWM开关频率也会导致开关损耗、电磁兼容性(EMC)问题以及更高的成本。在某些驱动单元应用中，PWM开关频率提高50％至150％会导致开关损耗提高50％至150％、EMC问题更高以及成本提高超过50％。然而，只有在电动机的速度较高时才需要较高的PWM开关频率。
CN 102384118 A公开了一种电液比例阀速度调节控制方法、设备、系统和工程机械设备。该方法包括以下步骤：获取液压致动器元件的实际速度；当实际速度与预期速度之间的差大于预定值时，根据差值调节施加在电液比例阀上的PWM信号的频率和/或占空比；根据所调节的PWM信号的频率和/或占空比计算颤振信号的频率和/或振幅，并调节所计算的颤振信号的振幅；将所调节的颤振信号和所调节的PWM信号一起输入到电液比例阀。
发明内容
本公开的目标是提供用于控制电动机的方法，该方法改进电动机的性能。
本公开的另一目标是提供用于控制电动机的方法，该方法提供电动机的鲁棒和/或平滑控制。
本公开的另一目标是提供用于控制电动机的方法，该方法延长电动机和/或电动机的驱动单元的使用寿命。
本公开的另一目标是提供用于控制电动机的方法，该方法减少与电动机相关联的成本。
本公开的另一目标是提供用于控制电动机的方法，该方法减少与电动机相关联的EMC问题。
本公开的另一目标是提供用于控制电动机的方法，该方法解决上述目标中的一些目标或所有目标。
本公开的另一目标是提供用于控制电动机的控制系统，该控制系统解决上述目标中的一个目标、一些目标或所有目标。
本公开的另一目标是提供包括用于控制电动机的控制系统的工业机器人，该工业机器人解决上述目标中的一个目标、一些目标或所有目标。
根据一方面，提供了用于控制电动机的方法，该方法包括：确定电动机的计划参考速度；基于计划参考速度来确定PWM开关频率；以及通过交流电流来控制电动机，该交流电流通过具有所确定的PWM开关频率的PWM开关来产生。
该方法构成了动态PWM开关频率控制方法。通过基于计划参考速度确定PWM开关频率，无需来自电动机的反馈来确定PWM开关频率。由于一些原因，基于计划参考速度而不是基于来自电动机的反馈来确定PWM开关频率是有利的。例如，该方法由此提供了更鲁棒的控制，并且电动机的控制不会丢失。此外，在确定PWM开关频率时，可以避免来自电动机的反馈信号中的干扰(诸如测量误差)。
该方法基于这样的原理：计划参考速度(即电动机的参考速度的预测)足够好以用于确定适当的PWM开关频率。然而，来自电动机的反馈可以用于电动机的伺服控制和/或用于监测电动机的性能。例如，来自位置传感器的反馈可以用于出于各种目的计算电动机的当前速度。
当电动机以计划参考速度驱动时，使用与计划参考速度对应的PWM开关频率。在本公开中，电动机的计划参考速度可以由计划参考旋转速度构成。此外，在本公开中，电动机可以由电动伺服电机构成。
PWM开关频率的确定可以包括：如果计划参考速度相对较高，则确定较高的PWM开关频率，或者如果计划参考速度相对较低，则确定较低的PWM开关频率。通过在相对较高的速度下设置较高的PWM开关频率以及在相对较低的速度下设置较低的PWM开关频率，可以避免与恒定或持续的高PWM开关频率相关联的问题，同时仍然支持在高速下需要高PWM开关频率的高功率密度电动机(例如至少有16个极的电动机)的使用。
该方法进一步使得能够充分使用驱动单元的功率循环裕度。即，该方法使得能够以具有高PWM开关频率的高速来驱动电动机，而不会使驱动单元成为使用寿命方面的瓶颈。
PWM开关频率的确定可以包括：当计划参考速度高于高速阈值时，设置预定的高PWM开关频率。预定的高PWM开关频率例如可以是6kHz至14kHz(诸如8kHz至10kHz)。高速阈值例如可以是4000rpm至8000rpm(诸如6000rpm)。
PWM开关频率的确定可以包括：当计划参考速度低于低速阈值时，设置预定的低PWM开关频率。预定的低PWM开关频率例如可以是1kHz至3kHz(诸如1.5kHz至2.5kHz，诸如2kHz)。低速阈值例如可以是200rpm至800rpm(诸如250rpm)。
PWM开关频率的确定可以进一步包括：当计划参考速度高于低速阈值时，设置与计划参考速度成比例的PWM开关频率。当计划参考速度在低速阈值与高速阈值之间时，PWM开关频率例如可以与计划参考速度成比例。
PWM开关频率的确定可以包括：基于计划参考速度来预测电动机上的负载；以及基于电动机上的负载来确定PWM开关频率。在这种情况下，电动机上的负载的预测可以基于电动机的数学模型来进行。
该方法可以进一步包括：基于计划参考速度来，调整用于输出交流电流的驱动单元的一个或多个控制参数。因此，电动机的控制参数也将遵循电动机的计划参考速度。通过使控制参数适于电动机的计划参考速度，可以在电动机的整个速度范围上确保电动机的稳定和一致的控制。因为可以避免PWM开关频率的变化对电动机的控制性能产生负面影响，因此该解决方案提供了电动机的平滑控制。这种平滑控制针对工业机器人特别有用，其中操纵器可以执行许多急促(jerky)的运动，例如与电动汽车相比。该解决方案进一步改进电动机的控制的鲁棒性。
例如，在电动机的电流的PI(比例积分)控制中，控制功能的高Kp(比例系数)和低Kv(积分系数)可以在电动机的相对高速期间设置，并且高Kv但低Kp可以在电动机的相对低速期间设置，从而取决于电动机的应用的控制目的。各种类型的非线性控制方法可以用于驱动单元中以根据PWM开关频率来调整Kp和Kv，以用于输出具有所需电频率的交流电流。
该方法可以包括：确定工业机器人的多个电动机的计划参考速度；针对电动机中的每个电动机，基于电动机的计划参考速度来确定PWM开关频率；以及通过交流电流来控制电动机中的每个电动机，该交流电流通过具有所确定的PWM开关频率的PWM开关来产生。该方法构成了动态PWM开关频率控制方法，该动态PWM开关频率控制方法考虑了工业机器人的动态行为。
确定每个电动机的计划参考速度的步骤可以通过工业机器人的路径计划器来进行。然而，根据本公开的方法可以在工业机器人以外的应用中实现。例如，该方法可以被实现用于控制传送带的电动机或其它工业致动器。
根据另一方面，提供了用于控制电动机的方法，该方法包括：确定用于电动机的PWM开关频率；通过交流电流来控制电动机，该交流电流通过具有所确定的PWM开关频率的PWM开关来产生；以及基于PWM开关频率来调整用于输出交流电流的驱动单元的一个或多个控制参数。
根据另一方面，提供了用于控制电动机的控制系统，该控制系统包括数据处理设备和存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序包括程序代码，当程序代码由数据处理设备执行时，程序代码使得数据处理设备执行以下步骤：确定电动机的计划参考速度；基于电动机的计划参考速度来确定脉冲宽度调制(PWM)开关频率；以及控制驱动单元向电动机输出交流电流，该交流电流通过具有所确定的PWM开关频率的PWM来产生。控制系统可以进一步被配置为执行根据本公开的任何方法。
控制系统可以包括至少一个驱动单元，以用于通过PWM技术产生具有所需的电频率的交流电流。控制系统例如可以包括与每个电动机相关联的一个驱动单元或与多个电动机相关联的一个驱动单元。
每个驱动单元例如可以包括：逆变器，电插入在直流(DC)电源与电动机之间，并且在直流与交流(AC)之间转换电力；平滑电容器，电插入在DC电源与逆变器之间，并且在逆变器的DC侧上的正极与负极之间连接；以及逆变器控制单元，根据预定义的开关频率控制逆变器的开关元件的开关。
根据另一方面，提供了用于控制电动机的控制系统，控制系统包括数据处理设备和存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序包括程序代码，当程序代码由数据处理设备执行时，程序代码使得数据处理设备执行以下步骤：确定PWM开关频率；通过交流电流来控制电动机，该交流电流通过具有所确定的PWM开关频率的PWM开关来产生；以及基于PWM开关频率来调整用于输出交流电流的驱动单元的一个或多个控制参数。
根据另一方面，提供了工业机器人，工业机器人包括根据本公开的控制系统和具有至少一个电动机(诸如多个电动机)的操纵器。每个电动机可以包括至少六个极(诸如至少十个极，诸如至少16个极)。
控制系统可以包括路径计划器，路径计划器被配置为确定电动机的计划参考速度。
附图说明
本公开的进一步的细节、优点和方面将结合附图通过以下实施例而变得明显，其中：
图1：示意性地表示了包括控制系统和具有多个电动机的操纵器的工业机器人的框图。
具体实施方式
在下文中，将会描述用于控制电动机的方法，其中脉冲宽度调制(PWM)开关频率是基于电动机的计划参考速度确定的，还会描述用于控制电动机的控制系统以及包括控制系统的工业机器人。相同的附图标记将用于表示相同或相似的结构特征。
图1示意性地表示了包括控制系统12和具有多个电动机16的操纵器14的工业机器人10的一个示例的框图。根据图1的工业机器人10构成根据本公开的用于控制电动机16的方法的许多可能实现中的一种。
在图1中，操纵器14的电动机16用于控制多个连杆(未示出)相对于彼此的运动(例如旋转或平移)。每个电动机16被布置为驱动两个相邻连杆之间的接头(未示出)。在图1的非限制性示例中，每个电动机16由具有16个极的旋转电动伺服电机构成。操纵器14被示为包括六个电动机16，但是电动机16的数目可以增加或减少。
操纵器14进一步包括与电动机16相关联的多个位置传感器18(例如解析器)。每个位置传感器18被布置为实时检测相关联的电动机16的旋转位置。表示每个电动机16的测量位置20的信号被发送到控制系统12。可选地，操纵器14进一步包括一个或多个速度检测传感器(未示出)，以用于实时检测每个电动机16的旋转速度。
控制系统12包括多个驱动单元22。每个驱动单元22被配置为产生具有通过PWM技术产生的一定电频率的交流电流24。在图1中的示例中，控制系统12包括与每个电动机16相关联的一个驱动单元22。然而，一个驱动单元22可以交替地驱动多个电动机16。
每个驱动单元22可以包括用于将AC转换为DC的整流器、变频器(frequencyinverter)以及在整流器与逆变器(inverter)之间连接的DC母线。逆变器将DC电流转换为可变交流电流24。每个驱动单元22可以进一步包括逆变器控制单元，该逆变器控制单元根据命令开关频率来控制逆变器的一个或多个开关元件的开关。来自驱动单元22的逆变器的可变交流电流24被提供到相关联的电动机16。
驱动单元22的逆变器可以进一步包括IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块。IGBT模块的使用寿命取决于功率循环。如果在相关联的电动机16的较低速度下也使用高PWM开关频率，则IGBT模块的使用寿命会减少。
该示例的控制系统12进一步包括主计算机26。主计算机26包括数据处理设备28(例如，中央处理单元CPU)和存储器30。计算机程序被存储在存储器30中。操纵器程序、操纵器14的模型和路径计划器在主计算机26中(例如在存储器30中)实现。路径计划器计划操纵器14的路径。针对操纵器14的每个电动机16，路径计划器基于来自操纵器程序的运动指令和操纵器14的模型生成表示计划参考速度32的信号。控制系统12由此被配置为确定电动机16的计划参考速度32。
路径计划器可以进一步针对每个电动机16、基于来自操纵器程序的运动指令和操纵器14的模型来生成表示参考位置34的信号。针对每个电动机16的计划参考速度32和可选的参考位置34被发送到相关联的驱动单元22。
针对每个电动机16的计划参考速度32和针对每个电动机16的测量位置20由相关联的驱动单元22用于电动机16的闭环PID控制。PID控制的控制参数(Kp、Ki、Kd)可以根据计划参考速度32和PWM开关频率进行调节。
交流电流24例如可以借助在每个驱动单元22中实现的SVPWM(空间矢量PWM)和电流环路PI控制来生成。PI控制的控制参数(Kp、Ki)可以根据计划参考速度32和PWM开关频率进行调节。
控制系统12进一步被配置为基于相关联的电动机16的计划参考速度32来确定PWM开关频率。当计划参考速度32为高时，可以设置高开关频率，并且当计划参考速度32为低时，可以设置低开关频率。当以计划参考速度32驱动电动机16时，通过具有所确定的PWM开关频率的PWM开关产生的交流电流24被输出到电动机16。
当计划参考速度32低于低速阈值(例如250rpm)时，PWM开关频率可以被设置为预定的低值(例如2kHz)。当计划参考速度32高于高速阈值(例如6000rpm)时，PWM开关频率可以被设置为预定的高值(例如10kHz)。当计划参考速度32在低速阈值与高速阈值之间时，PWM开关频率可以被设置为与计划参考速度32成比例的中间值(在预定的低值与预定的高值之间)。
尽管本公开已经参考示例性实施例进行描述，但是应该理解的是，本发明不限于上文所述的内容。例如，应该理解的是，部件的尺寸可以根据需要而变化。

Claims (13)

1.一种用于控制电动机(16)的方法，所述方法包括：
-确定所述电动机(16)的计划参考速度(32)；
-基于所述计划参考速度(32)来确定脉冲宽度调制(PWM)开关频率；以及
-利用交流电流(24)来控制所述电动机(16)，所述交流电流(24)通过具有所确定的PWM开关频率的PWM开关来产生。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述PWM开关频率的所述确定包括：如果所述计划参考速度(32)相对较高，则确定较高的PWM开关频率，或者如果所述计划参考速度(32)相对较低，则确定较低的PWM开关频率。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述PWM开关频率的所述确定包括：当所述计划参考速度(32)高于高速阈值时，设置预定的高PWM开关频率。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述PWM开关频率的所述确定包括：当所述计划参考速度(32)低于低速阈值时，设置预定的低PWM开关频率。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述PWM开关频率的所述确定包括：当所述计划参考速度(32)高于所述低速阈值时，设置与所述计划参考速度(32)成比例的PWM开关频率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述PWM开关频率的所述确定包括：
-基于所述计划参考速度(32)来预测所述电动机(16)上的负载；以及
-基于所述电动机(16)上的所述负载来确定所述PWM开关频率。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述电动机(16)上的所述负载的所述预测是基于所述电动机(16)的数学模型进行的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：基于所述计划参考速度(32)，来调整用于输出所述交流电流(24)的驱动单元(22)的一个或多个控制参数。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括：
-确定工业机器人(10)的多个电动机(16)的计划参考速度(32)；
-针对所述电动机(16)中的每个电动机，基于所述电动机(16)的所述计划参考速度(32)来确定PWM开关频率；以及
-利用交流电流(24)来控制所述电动机(16)中的每个电动机，所述交流电流(24)通过具有所确定的PWM开关频率的PWM开关来产生。
10.一种用于控制电动机(16)的控制系统(12)，所述控制系统(12)包括数据处理设备(28)和存储器(30)，所述存储器(30)上存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序代码，当所述程序代码由所述数据处理设备(28)执行时，所述程序代码使所述数据处理设备(28)执行以下步骤：
-确定所述电动机(16)的计划参考速度(32)；
-基于所述电动机(16)的所述计划参考速度(32)来确定脉冲宽度调制(PWM)开关频率；以及
-控制驱动单元(22)向所述电动机(16)输出交流电流(24)，所述交流电流(24)是通过具有所确定的开关频率的PWM开关来产生的。
11.一种工业机器人(10)，包括根据权利要求10所述的控制系统(12)和具有至少一个电动机(16)的操纵器(14)。
12.根据权利要求11所述的工业机器人(10)，其中所述电动机(16)包括至少六个极。
13.根据权利要求11或12所述的工业机器人(10)，其中所述控制系统(12)包括路径计划器，所述路径计划器被配置为确定所述电动机(16)的所述计划参考速度(32)。
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