CN115580176A - 用于可行运动命令的轨迹成形的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于可行运动命令的轨迹成形的系统和方法。用于对运动命令的轨迹进行成形以减小负载对电动机性能的影响的系统和方法实时地动态地修改运动描绘以将运动描绘中的参考信号限制于可行命令。负载观测器确定估计的干扰加速度。估计的干扰加速度包括受控负载的动力学特性，并且被用来修改加速度参考的最大和最小限制。加速度限制进而被用来确定速度限制。运动描绘以及经修改的加速度和速度限制被提供给状态滤波器，状态滤波器确定新的运动描绘以供电动机驱动器使用以控制电动机的操作以及控制连接到电动机的负载。

Description

用于可行运动命令的轨迹成形的系统和方法
技术领域
本文公开的主题涉及提供用于运动系统的可行命令轨迹的系统和方法，更具体地，涉及用于估计连接到电动机的负载的性能以自适应地调整用于控制负载的操作的电动机的速度和加速度限制的系统和方法。
背景技术
本领域技术人员已知，电动机驱动器用于控制电动机的操作。根据一个通常配置，电动机驱动器包括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(交流)电压并将AC电压提供给电动机。DC电压可以作为输入被提供给电动机驱动器，可替选地，电动机驱动器可以包括整流器部分，该整流器部分将AC电压输入转换成DC总线上存在的DC电压。整流器部分可以是具有将AC电压转换为DC电压的二极管的无源整流器，或者整流器部分可以是具有电力电子开关装置的有源前端，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、晶闸管或硅可控整流器(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器件(例如续流二极管)。反向导通电力电子器件被配置成在电力电子开关装置不导通的时间间隔期间导通。电动机驱动器中的控制器生成开关信号以选择性地接通或断开每个开关装置，从而将AC电压转换为DC上的期望DC电压。在DC母线与电动机驱动器的输出端之间提供逆变器部分，以将DC母线上的DC电压转换回具有可变幅值和频率的AC电压，以控制电动机的旋转。逆变器部分包括电力电子开关装置并且接收开关信号以选择性地接通和断开每个开关装置以获得期望AC电压。
电动机驱动器接收指示期望的电动机操作的命令信号。命令信号可以是电动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动机的位置、速度和转矩。电动机连接至电动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，进而与电动机连接或断开。通过改变电动机驱动器的输出端连接至DC电压的每个开关周期期间的持续时间，来改变输出电压的幅值。马达控制器利用调制技术例如脉冲宽度调制(PWM)来控制开关并且合成具有期望幅值和频率的波形。
在某些应用中，用于电动机驱动器的命令信号可以由工业控制器例如可编程逻辑控制器(PLC)或可编程自动化控制器(PAC)生成。工业控制器被配置成执行控制程序以控制工业机器或过程的操作。此外，工业机器或过程可以包括多个电动机和用于控制电动机的多个电动机驱动器。工业控制器从受控机器上的传感器或过程接收与当前操作状态对应的反馈信号，并根据反馈信号通过控制程序向执行器和电动机驱动器生成输出信号，以实现受控机器或过程的期望操作。
尽管工业控制器生成与受控机器或过程的期望操作对应的命令信号，但是电动机驱动器可能并不总是能够控制电动机的操作以实现期望的操作。例如，工业控制器可以为电动机生成阶跃命令以将速度从第一速度瞬时改变为第二速度。电动机不能立即改变速度，驱动器将根据许多调整参数加速到第二速度。在第一配置中，电动机驱动器的响应可以被调整为慢响应。该第一配置可以允许电动机加速到期望速度而没有任何过冲，但需要延长时间段来完成加速。然而，这样的性能降低了生产率并且未充分利用电动机驱动器的性能容量。可替选地，可以调整电动机驱动器以实现快速响应。这种第二配置可以使电动机快速达到期望速度，但也可能导致一些过冲，这意味着电动机最初加速超过第二速度，并且必须被控制回第二速度。如果将电动机驱动器调整为非常快速的响应，则过冲可能导致在最终稳定在第二速度之前围绕第二速度来回多次振荡。
为了避免这些不期望的操作状况，工业控制器可以具有与电动机驱动器的能力对应的存储参数，并且工业控制器可以被配置成生成与电动机驱动器的能力对应的运动描绘(profile)。例如，工业控制器可以在电动机驱动器的最大可用加速度下产生从第一速度到第二速度的斜坡速度变化而不是速度的阶跃变化。速度的斜坡变化为电动机驱动器提供了比速度的阶跃变化更可行的命令轨迹。
然而，尽管已了解了电动机驱动器的配置，但工业控制器可能并不总是能够生成电动机驱动器遵循的可行轨迹。电动机驱动器遵循轨迹的能力不仅取决于电动机驱动器的配置，还取决于电动机驱动器的负载的配置。在某些应用中，负载可以通过刚性连接耦合并具有固定惯性。这样的负载可以导致可预测的响应并且可以被考虑到由工业控制器生成的运动描绘中。在其他应用中，负载可以通过挠性联接耦合，这可能会在受控系统中引入共振和/或反冲。在其他应用中，负载可能在操作期间发生变化，甚至可能以未知的方式发生变化。受控系统的动力学变化可能会导致电动机驱动器无法始终遵循的运动描绘。电动机驱动器将根据其最大响应限制做出响应，但电动机可能会出现过冲、振荡或其他不良性能。
因此，希望提供用于对运动命令的轨迹进行成形以减小负载对电动机性能的影响的系统。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，用于对用于电动机的运动命令进行成形的系统包括：输入端，输入端被配置成接收位置反馈信号；存储器，存储器被配置成存储多个指令；以及处理器。位置反馈信号对应于电动机的角位置。处理器与存储器通信并且被配置成执行多个指令以对位置反馈信号进行采样并且确定干扰加速度的估计值。响应于干扰加速度的估计值而实时地动态地修改加速度限制。从运动控制器接收用于电动机的运动命令，并且根据运动命令和经修改的加速度限制来确定经修改的运动命令。将经修改的运动命令作为输入提供给控制模块，其中，控制模块被配置成控制电动机。
根据本发明的另一个实施方式，用于对用于电动机的运动命令进行成形的方法在电动机驱动器处接收来自运动控制器的用于电动机的运动命令。使用电动机驱动器对与电动机的角位置对应的位置反馈信号进行采样，并且在电动机驱动器中确定干扰加速度的估计值。响应于确定干扰加速度的估计值而实时地动态地修改加速度限制。根据运动命令和经修改的加速度限制来确定经修改的运动命令。
根据本发明的又一实施方式，对运动命令进行成形的系统包括：存储器，存储器被配置成存储多个指令；以及处理器，处理器与存储器通信。处理器被配置成执行多个指令以获得干扰加速度的估计值，其中，干扰加速度响应于运动命令而生成。处理器还被配置成响应于获得干扰加速度的估计值而实时地动态地修改加速度限制，以从运动控制器接收运动命令，并且根据运动命令和经修改的加速度限制来确定经修改的运动命令。
根据详细描述和附图，本发明的这些和其他优点及特征对于本领域技术人员将变得明显。然而，应当理解，尽管详细描述和附图指示了本发明的优选实施方式，但是详细描述和附图通过说明的方式给出并且是非限制的。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内进行许多改变和修改，并且本发明包括所有这样的修改。
附图说明
在附图中示出了本文中所公开的主题的各种示例性实施方式，在整个附图中相同的附图标记表示相同的部件，并且在附图中：
图1是示例性工业控制系统，在该系统中并入了本发明的实施方式；
图2是图1的示例性工业控制系统的部分框图表示
图3是并入了本发明的一个实施方式的图1的电动机驱动器的框图表示；
图4是图3的电动机驱动器的整流器部分的框图表示；
图5是图3的电动机驱动器的逆变器部分和栅极驱动器模块的框图表示；
图6是用于图1的电动机驱动器的控制器的框图表示；
图7是用于图6的控制器的控制模块的一个实施方式的框图表示；
图8是来自图7的控制模块的滤波器部分的框图表示；以及
图9是用于图6的控制器的控制模块的另一个实施方式的框图表示。
图10是图1的示例性工业控制系统的一个实施方式的部分框图表示；
图11是图10的轨迹成形模块的一个实施方式的框图表示；
图12是用于图11的轨迹成形模块的状态滤波器的一个实施方式的框图表示；
图13是图10的轨迹成形模块的一个实施方式的性能的图形表示；
图14是用于图6的控制器的控制模块的另一个实施方式的框图表示；
图15是用于图6的控制器的控制模块的另一个实施方式的框图表示。
图16是图1的示例性工业控制系统的另一个实施方式的部分框图表示；
图17是图16的轨迹成形模块的一个实施方式的框图表示；以及
图18是用于图17的轨迹成形模块的状态滤波器的一个实施方式的框图表示。
在描述附图中示出的本发明的各种实施方式时，为了清楚起见，将采用特定的术语。然而，本发明不旨在被限制于如此选择的特定术语并且应当理解，每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似目的的全部技术等同物。例如，经常使用词语“连接”、“附接”或与其类似的术语。它们不限于直接连接，而是包括通过其他元件的连接，这样的连接被本领域技术人员认为是等效的。
具体实施方式
参照在以下描述中详细描述的非限制性实施方式来对本文中所公开的主题的各种特征和有利细节进行更充分的说明。
本文公开的主题描述了对运动命令的轨迹进行成形以减小负载对电动机性能的影响的系统和方法。运动控制器为受控系统中要遵循的轴生成运动描绘，其中运动轴包括电动机和用于控制电动机的操作的电动机驱动器。运动控制器可以是工业控制器中的专用运动控制模块，或者可选地，运动控制器可以是在工业控制器的处理器模块内执行的例程。在其他实施方式中，运动控制器可以是独立于工业控制器执行的专用运动控制器。根据又一个实施方式，运动控制器可以被配置成在电动机驱动器内执行。响应于在处理器模块上执行的控制程序，运动控制器产生运动描绘，该运动描绘可以包括位置参考信号、速度参考信号、加速度参考信号或其组合。运动描绘被传递到轨迹成形模块，该模块改进运动描绘的可行性，而与由轴控制的负载特性无关。根据本发明的一个实施方式，轨迹成形模块在工业控制器内执行。根据本发明的另一个实施方式，轨迹成形模块在被配置成控制轴的电动机驱动器内执行。
轨迹成形模块从工业控制器接收运动描绘并且实时地动态地修改运动描绘以将运动描绘中的参考信号限制于可行命令。负载观测器被配置成确定在电动机处经历的干扰加速度的估计值。估计的干扰加速度包括受控负载的所有未知或非理想动力学特性或者负载经历的外部干扰，并且被用来动态地修改运动描绘。估计的干扰加速度被用来修改加速度参考的最大和最小限制。加速度限制进而被用来确定最大和最小速度限制。运动描绘、经修改的加速度限制和经修改的速度限制被提供给状态滤波器，状态滤波器确定新的运动描绘以供电动机驱动器使用，以控制电动机的操作以及控制连接到电动机的负载。状态滤波器被配置成反映在电动机驱动器内执行的控制模块。然而，状态滤波器将在状态滤波器中确定的速度和加速度参考限制为经修改的限制。结果，从状态滤波器输出的经成形的运动描绘被限制于对于连接到电动机的负载比在电动机驱动器中可以以其他方式配置的命令更可行的命令。
首先参照图1，工业控制系统10可以包括工业控制器12，该工业控制器12通常设置外壳14并且设置安装在外壳14中的多个模块18之间的通信的总线16。模块可以包括例如电源模块20、处理器模块22、一个或更多个I/O模块24、运动控制模块27和网络模块26。网络模块26、处理器模块22或其组合可以在工业控制器12与连接到工业控制器的其他装置之间通过工业控制网络28(例如
Figure BDA0003689240940000061
或EtherNet/
Figure BDA0003689240940000062
)通信。工业控制器12可以是例如可编程逻辑控制器(PLC)、可编程自动化控制器(PAC)等。可以构想，工业控制器12还可以包括其他模块，例如轴控制模块或者通过工业控制网络28连接的附加机架。可选地，工业控制器12可以具有固定配置，例如，具有预定数目的网络和I/O连接。
工业控制网络28可以将工业控制器12连接到远程I/O模块(未示出)以及一个或更多个远程电动机驱动器30，后者可以与相应的电动机32和位置传感器34通信以提供用于电动机32的受控运动。电动机的受控运动进而控制相关联的工业机器或过程36。虽然单个电动机驱动器和电动机可以称为运动轴，但运动轴可能还需要由单个电动机驱动器或多个电动机驱动器控制的多个电动机以及多个电动机串联操作。网络28还可以与受控机器或过程36中的其他装置31、33连接，包括例如可以由来自工业控制器12的输出信号控制的致动器31，或者可以向工业控制器提供输入信号的传感器33。
配置计算机40可以通过工业控制网络28或经由例如与处理器模块22连接的专用通信信道42与工业控制器12和/或电动机驱动器30通信。配置计算机40可以是标准台式或膝上型计算机，并且包括键盘44、显示屏46等，以允许人类操作员输入和显示数据以及操作配置程序。
接下来参照图2，处理器模块22包括处理器51，处理器51与存储器装置50通信，以执行操作系统程序52和控制程序54，操作系统程序52通常控制处理器模块22的操作，控制程序54描述工业机器或过程36的期望控制，其中每个控制程序54通常对于工业控制系统10的给定应用是唯一的。存储器50还可以包括数据表，例如由控制程序54使用的I/O表和服务例程(在图2中未示出)。
处理器模块22可以经由总线16与网络模块26或工业控制器12中的任何其他模块18通信，总线16可以实现为在背板连接器23之间延伸的背板25。网络模块26包括控制电路55，该控制电路55可以包括微处理器和存储在存储器中的程序和/或专用控制电路，例如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。控制电路55可以与网络模块26内的网络接口电路56通信，其中网络接口电路56提供在工业控制网络28上执行低级电协议。类似的网络接口电路56可以被设置在其他装置例如电动机驱动器30上，以提供装置之间的通信。
根据所示实施方式，运动控制模块27确定电动机32中的一个或更多个要遵循的运动描绘。运动描绘可以包括位置参考信号(q*)、速度参考信号(w*)、加速度参考信号(a*)或其组合。运动控制模块27包括与存储器装置39通信以执行一个或更多个运动描绘生成器的处理器38。可以构想，运动控制模块27可以为每个运动轴执行单独的运动描绘生成器。一个或多个参考信号从运动控制模块27经由背板25发送到网络模块26，然后经由工业控制网络28发送到每个电动机驱动器。在本发明的一些实施方式中，可以构想，处理器模块22可以被配置成生成每个轴的运动描绘，并且进而生成位置参考信号(q*)、速度参考信号(w*)、加速度参考信号(a*)或其组合。
如上所述，配置计算机40可以是具有与存储器43通信的处理器41的标准台式计算机，后者保存操作系统程序45以及各种数据结构47和程序49。这样的程序49可以用于配置工业控制系统10。配置计算机40还可以提供例如在处理器41与工业网络28之间通信的接口电路48或者到处理器模块22的单独通信通道42，以及具有根据本领域所理解的方法的屏幕46和键盘44。
接下来转向图3，根据本发明的一个实施方式的电动机驱动器30包括电源部分61和控制部分63。电源部分61包括通常处理例如200-575VAC或200-800VDC的部件，并且电源部分61以一种形式接收电力并利用电源开关装置以受控方式调节向电动机32的功率输出，以实现电动机32的期望操作。控制部分63包括通常处理例如110VAC或3.3-48VDC的部件，并且控制部分63包括处理装置、反馈电路和支持逻辑电路，以接收反馈信号并在电动机驱动器30内生成控制信号。
根据所示实施方式，电动机驱动器30被配置成在电动机驱动器30的输入端15处接收三相AC电压，该三相AC电压又被提供给电动机驱动器30的整流器部分70。整流器部分70可以包括适合于无源或有源整流的任何电子装置，如在本领域中所理解的。还参照图4，所示的整流器部分70包括形成二极管桥的一组二极管72，该二极管桥将三相AC电压整流为DC总线75上的DC电压。可选地，整流器部分70可以包括其他固态器件，包括但不限于晶闸管、可控硅整流器(SCR)或晶体管，以将输入功率15转换为用于DC总线75的DC电压。DC电压存在于DC总线75的正轨77与负轨79之间。DC总线电容器74连接在正轨77与负轨79之间，以减小由于将AC电压转换成DC电压而产生的波纹电压的幅值。应当理解，DC总线电容器74可以是单个电容器或并联、串联或其组合连接的多个电容器。负轨79与正轨77之间的DC电压的大小通常等于AC输入电压的峰值的大小。
DC总线75串联连接在整流器部分70与逆变器部分80之间。还参照图5，逆变器部分80包括开关元件，例如本领域公知的晶体管、晶闸管或SCR。所示的逆变器部分80包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)82和续流二极管84，它们成对连接在正轨77与输出电压的每一相之间以及负轨79与输出电压的每一相之间。每个IGBT 82接收门控信号81，以选择性地启用晶体管82，并且将来自DC总线75的DC电压转换为到电动机32的受控三相输出电压。当被启用时，每个晶体管82将DC总线75的相应轨77、79连接至在晶体管82与输出端子35之间连接的电导体83。根据应用要求(例如，电动机驱动器30的额定值)来选择电导体83，并且电导体33可以是例如晶体管82所安装到的电路板上的导电表面，或是母线，该母线连接至包含晶体管82的功率模块的端子。电动机驱动器30的输出端子35可以经由电缆连接至电动机32，该电缆包括连接至每个输出端子35的电导体。
一个或更多个模块用于控制电动机驱动器30的操作。根据图3所示的实施方式，控制器100包括这些模块并管理这些模块的执行。所示的实施方式并非旨在限制，并且应当理解，以下讨论的每个模块的各种特征可以由另一模块执行，以及/或者其他模块的各种组合可以包括在控制器100中，而不脱离本发明的范围。这些模块可以是在一个或更多个处理器、逻辑电路或其组合上执行的存储程序。控制器100可以在例如微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他这样的可定制装置中实现。电动机驱动器30还包括与控制器100通信的存储器装置95。存储器装置95可以包括暂态存储器、非暂态存储器、持久性存储器或非持久性存储器或其组合。存储器装置95可以被配置成存储数据和程序，其包括可由控制器100执行的一系列指令。可以构想，存储器装置95可以是单个装置、多个装置，或者例如作为另一装置(诸如专用集成电路(ASIC))的一部分被并入。控制器100与存储器95通信以读取控制电动机驱动器30的操作所需的指令和数据。
控制器100接收参考信号97，该参考信号97标识连接至电动机驱动器30的电动机32的期望操作。参考信号97可以是例如位置参考(q*)、速度参考(w*)或转矩参考(T*)。对于高性能伺服控制系统，参考信号97通常是位置参考信号(q*)。如以下将更详细讨论的，所示实施方式接收经成形的位置参考信号(q*')作为参考信号97。
控制器100还接收指示电动机驱动器30的当前操作的反馈信号。根据所示的实施方式，控制器100包括反馈模块65，该反馈模块65可以包括但不限于模数(A/D)转换器、缓冲器、放大器、以及将第一格式的反馈信号转换成本领域中可理解的适于控制器100使用的第二格式的信号的任何其他部件。电动机驱动器30可以包括在DC总线75上的电压传感器71和/或电流传感器73，从而生成与存在于DC总线75上的电压和/或电流的幅值对应的反馈信号。电动机驱动器30还可以包括逆变器部分80的输出相上的一个或更多个电压传感器85和/或电流传感器87，其生成与逆变器部分80和电动机驱动器的输出85之间的电导体83上存在的电压和/或电流的大小对应的反馈信号。位置反馈装置34可以连接至电动机32，并且能够操作以生成与电动机32的角位置对应的位置反馈信号q。电动机驱动器30包括被配置成从位置反馈装置34接收位置反馈信号的输入。根据位置反馈装置34的配置，可以构想，输入端可以被配置成接收正弦反馈信号、方波、数字脉冲串、串行通信数据分组或其组合。
控制器100利用反馈信号和参考信号97来控制逆变器部分80的操作，以生成具有针对电动机32的期望幅值和频率的输出电压。反馈信号由反馈模块65处理，并且根据需要转换为用于控制模块105的信号。
还参照图6，如下面将更详细讨论的，控制模块105包括控制环107和滤波器122，以接收命令信号97和反馈信号例如位置反馈信号，并且响应于命令信号97和反馈信号来执行，以生成期望的参考信号。控制模块105还可以包括负载观测器110以生成电动机32的一个或更多个操作特性的估计响应。估计响应可以与来自控制环105的参考信号相加以生成经修改的参考信号。一个或更多个滤波器122可以存在于控制模块105中以减小或消除经修改的参考信号的不期望分量。滤波器块122的输出是经滤波的参考信号。如图6所示，可选的惯性块124可以被包括在内，与滤波器122串联。如下文将更详细讨论的，惯性增益可以被包括在惯性块124中，或者可选地，可以被并入到控制环107内的增益中。经滤波的参考信号被提供给惯性块，惯性块输出转矩参考信号。转矩参考信号又被输出到电流调节器67。如本领域所理解的，电流调节器67可以独立地调节电流的转矩产生分量和电流的通量产生分量。转矩参考信号作为输入被提供给控制电流的转矩产生分量的调节器。电流调节器67使用转矩参考信号和电流反馈信号将电压信号输出到栅极驱动器模块90。栅极驱动器模块90例如通过脉冲宽度调制(PWM)或通过其他调制技术来生成门控信号81。门控信号81随后启用/禁用晶体管82以向电动机32提供期望的输出电压，这进而导致耦接至电动机32的机械负载的期望操作。如本领域所理解的，电流调节器67被配置成在足够大于控制模块105的带宽的带宽下执行，使得电流调节器67可以近似为控制模块105的单位增益。
接下来参照图7，示出了根据本发明的一个实施方式的控制模块105。控制模块105接收经成形的位置命令信号(q*’)97作为输入。经成形的位置命令信号(q*’)97在第一求和结点102处与位置反馈信号(q)进行比较。位置误差信号被从第一求和结点102输出并且输入到位置环控制器104。根据示出的实施方式，位置环控制器104包括比例积分(PI)控制器。可选地，位置环控制器104可以是仅比例(P)控制器或者还包括微分(D)控制器。位置环控制器104中的比例(P)控制器、积分(I)控制器和/或微分(D)控制器中的每一个包括控制器增益值。这些控制器增益值通常被称为比例增益(Kpp)、积分增益(Kpi)以及微分增益(Kpd)。位置环控制器104的输出是速度参考信号(w*)。
在第二求和结点106处将速度参考信号(w*)与速度反馈信号(w)进行比较。速度反馈信号(w)由负载观测器110生成。可选地，速度反馈信号(w)可以通过对位置反馈信号(q)求导来确定。速度误差信号被从第二求和结点106输出，并且输入到速度环控制器108。根据示出的实施方式，速度环控制器108包括比例积分(PI)控制器。可选地，速度环控制器108可以是仅比例(P)控制器或者还包括微分(D)控制器。速度环控制器108中的比例(P)控制器、积分(I)控制器和/或微分(D)控制器中的每一个包括控制器增益值。这些控制器增益值通常被称为比例增益(Kvp)、积分增益(Kvi)以及微分增益(Kvd)。速度环控制器108的输出是加速度参考信号。
控制模块105还可以包括前馈分支。根据所示实施方式，控制模块105包括用于速度元件和加速度元件二者的前馈分支。还参照图10，可以利用轨迹成形模块来生成前馈信号。下面将更详细地讨论轨迹成形模块200的操作。轨迹成形模块提供经成形的速度前馈信号(wFF’)和经成形的加速度前馈信号(aFF’)。在求和结点106处将经成形的速度前馈信号(wFF’)与速度参考信号和速度反馈信号相加，并且在第三求和结点120处将经成形的加速度前馈信号(aFF’)与加速度参考信号相加。
第三求和结点120的输出作为输入被提供给滤波器部122。滤波器部122可以包括一个或更多个滤波器，以从控制系统移除不想要的分量。还参照图8，所示的滤波器部122包括低通滤波器132以使不期望的高频分量衰减，并且包括陷波滤波器134以使对受控机械负载37产生不期望影响的特定频率分量衰减。还可以构想，在不脱离本发明的范围的情况下在滤波器部122中可以包括附加滤波器。
根据图7所示的实施方式，滤波器部分122的输出被提供给惯性缩放块124，并且惯性缩放块124应用与受控系统对应的惯性的增益。惯性缩放块124的增益被简单地识别为惯性J。惯性增益可以包括电动机惯性值Jm、负载惯性值Jl或其组合。虽然电动机惯性值可能是已知的或者由电动机制造商提供，但是可能难以准确识别负载惯性值。负载观测器110可以补偿不包括负载惯性或者不准确表示负载惯性的惯性增益。如上所述，控制模块105的输出被提供给电流调节器67和栅极驱动器模块90以向电动机32输出期望的电压。图7中所示的设备130表示在控制模块105外部的电动机32和电动机驱动器30的部件，并且可以并入电流调节器67、栅极模块60和电动机驱动器30的逆变器部分80、电动机32、机械负载37和位置反馈装置34。位置反馈装置34生成由控制模块105使用的位置反馈信号(q)。
尽管来自控制环105的参考信号在图7中被示为加速度参考a*，但是第三求和结点120的输出可以是加速度或转矩参考信号。参照图9，来自惯性块124的惯性增益可以被并入到控制器增益中。图9示出了经成形的转矩前馈(TFF’)和改进的速度环控制器108'，指示惯性增益已被并入在控制器增益中。如本领域所理解的，角加速度与转矩成比例，更具体地，转矩等于惯性乘以角加速度。结果，由控制环105生成的参考信号是转矩参考T*，由负载观测器110生成的估计响应是作为电动机32上的负载的结果施加到电动机轴的估计转矩
Figure BDA0003689240940000121
转矩参考T*和估计转矩
Figure BDA0003689240940000122
在第四求和结点121处被组合以提供组合参考信号，该组合参考信号在本实施方式中是组合转矩参考信号，作为对滤波器122的输入。由于惯性增益已与控制器增益合并，因此在图9所示的示例性控制模块105中不需要图7中所示的惯性块124。滤波器122的输出是可以被直接提供给电流调节器67的转矩参考。
在某些应用中，不需要位置控制，并且控制模块105可以接收速度参考而不是位置参考。接下来参照图14，示出了根据本发明的另一实施方式的控制模块105。控制模块105接收经成形的速度命令信号(w*’)98作为输入。在求和结点106处将经成形的速度命令信号(w*’)98与速度反馈信号(w)进行比较。速度反馈信号(w)由负载观测器110生成。可选地，速度反馈信号(w)可以通过对位置反馈信号(q)求导来确定。速度误差信号被从求和结点106输出，并且输入到速度环控制器108。根据示出的实施方式，速度环控制器108包括比例积分(PI)控制器。可选地，速度环控制器108可以是仅比例(P)控制器或者还包括微分(D)控制器。速度环控制器108中的比例(P)控制器、积分(I)控制器和/或微分(D)控制器中的每一个包括控制器增益值。这些控制器增益值通常被称为比例增益(Kvp)、积分增益(Kvi)以及微分增益(Kvd)。速度环控制器108的输出是加速度参考信号。
控制模块105还可以包括前馈分支。根据图14中的实施方式，控制模块105包括用于加速元件的前馈分支。还参照图16，轨迹成形模块可用于生成前馈信号。下面将更详细地讨论轨迹成形模块200的操作。轨迹成形模块200提供经成形的速度指令信号(w*’)和经成形的加速度前馈信号(aFF’)。经成形的加速度前馈信号(aFF’)在另一个求和结点120处与加速度参考信号相加。
求和结点120的输出作为输入被提供给滤波器部122。滤波器部122可以包括一个或更多个滤波器，以从控制系统移除不想要的分量。还参照图8，所示的滤波器部122包括低通滤波器132以使不期望的高频分量衰减，并且包括陷波滤波器134以使对受控机械负载37产生不期望影响的特定频率分量衰减。还可以构想，在不脱离本发明的范围的情况下在滤波器部122中可以包括附加滤波器。
根据图14所示的实施方式，滤波器部分122的输出被提供给惯性缩放块124，并且惯性缩放块124应用与受控系统的惯性对应的增益。惯性缩放块124的增益被简单地识别为惯性J。惯性增益可以包括电动机惯性值Jm、负载惯性值Jl或其组合。虽然电动机惯性值可能是已知的或者由电动机制造商提供，但可能难以准确识别负载惯性值。负载观测器110可以补偿不包括负载惯性或不准确表示负载惯性的惯性增益。如上所述，控制模块105的输出被提供给电流调节器67和栅极驱动器模块90以向电动机32输出期望的电压。图14中所示的设备130表示在控制模块105外部的电动机32和电动机驱动器30的部件并且，可以并入电流调节器67、栅极模块60和电动机驱动器30的逆变器部分80、电动机32、机械负载37和位置反馈装置34。位置反馈装置34生成由控制模块105使用的位置反馈信号(q)。
尽管来自控制环105的参考信号在图14中被示为加速度参考a*，但是求和结点120的输出可以是加速度或转矩参考信号。参照图15，来自惯性块124的惯性增益可以并入到控制器增益中。图15示出了经成形的转矩前馈(TFF’)和经修改的速度环控制器108'，指示惯性增益已被并入在控制器增益中。如本领域所理解的，角加速度与转矩成比例，更具体地，转矩等于惯性乘以角加速度。结果，由控制环105生成的参考信号是转矩参考T*，由负载观测器110生成的估计响应是作为电动机32上的负载的结果施加到电动机轴的估计转矩
Figure BDA0003689240940000131
转矩参考T*和估计转矩
Figure BDA0003689240940000132
在附加求和结点121处被组合以提供组合参考信号，在该实施方式中，该组合参考信号是组合转矩参考信号，作为滤波器122的输入。由于惯性增益已与控制器增益合并，因此在图15所示的示例性控制模块105中不需要图14中所示的惯性块124。滤波器122的输出是可以被直接提供给电流调节器67的转矩参考。
图7和图14示出了本发明的一个实施方式，在该实施方式中，下文更详细讨论的轨迹成形模块200的输出被提供给电动机驱动器的控制模块105以自动使轨迹成形。还可以构想，轨迹成形模块200的输出(即，经成形的位置参考信号q*'，如果存在的话；经成形的速度前馈信号wFF’；以及经成形的加速度前馈信号aFF’)可以用于诊断能力。在控制模块105中可以使用原始参考信号，位置参考信号q*，如果存在的话；速度参考信号w*；以及加速度参考信号a*，并且可以将轨迹成形模块200的输出与原始参考信号进行比较。当原始参考信号定义电动机驱动器30能够遵循的可行轨迹时，原始参考信号与经成形的参考信号之间无差异。当原始参考信号定义电动机驱动器30不能够遵循的轨迹时，经成形的参考信号不同于原始参考信号。可能会生成消息提醒技术人员注意不可行的轨迹，但不会采取进一步的行动来使电动机驱动器30能够尽可能地遵循轨迹。
根据本发明的又一个实施方式，可以构想，控制模块105的计算可以在每单位系统中执行。每单位系统采用比例因子将物理单位的值转换为百分比的值或单位值，其中该值的预期操作范围被转换为介于0与1之间或者介于0与100之间的值。根据每单位系统，0％到100％的加速度范围可能等同于0％到100％的转矩范围。结果，每单位加速度值将等于每单位转矩值。每单位系统中的每个参考信号和经滤波的参考信号将是无单位参考信号。
在另一实施方式中，电动机的惯性可以被包括在滤波器增益中，以将从第三求和结点120输出的加速度参考信号转换为滤波器部分122中的转矩参考信号。将惯性增益与另一个控制器增益或滤波器增益组合减小了施加在电动机驱动器30的控制器100上的实时计算负担。
在操作中，轨迹成形模块200从运动控制器接收一个或更多个参考信号，并生成经成形的或经修改的命令信号来使电动机驱动器30控制电动机32的操作。参照图10，所示实施方式构想运动控制器被包括在工业控制器12中并且包括位置参考信号。将首先根据包括位置参考信号的实施方式然后根据不需要位置参考信号的实施方式讨论轨迹成形模块200。图10的运动控制器生成包括位置参考信号q*、速度参考信号w*、加速度参考信号a*或其组合的运动命令。如本领域所理解的，速度是位置对时间的导数，而加速度是速度对时间的导数。因此，具有参考信号之一，就可以确定每个其他参考信号。优选地，运动命令提供位置、速度和加速度参考信号中的每一个。电动机驱动器30包括负载观测器110(也参见图3)，负载观测器110被配置成产生估计的加速度
Figure BDA0003689240940000141
估计的加速度
Figure BDA0003689240940000142
与位置参考信号q*；速度参考信号w*；以及加速度参考信号a*一起提供给轨迹成形模块200。如上所述，可以构想，轨迹成形模块200可以在工业控制器12或电动机驱动器30中执行。为了本文中讨论的目的，将关于由电动机驱动器执行来讨论轨迹成形模块200。轨迹成形模块200生成用于电动机驱动器30中的控制器100的经成形的位置参考信号q*'；经成形的速度前馈信号wFF’；以及经成形的加速度前馈信号aFF’。
接下来转向图11，轨迹成形模块200包括加速度限制模块210、速度限制模块220、截距时间模块230和状态滤波器模块250。加速度限制模块210响应于由电动机驱动器确定的估计的加速度
Figure BDA0003689240940000143
而实时地动态地确定电动机驱动器30的加速度限制。加速度限制的初始值可以被存储在电动机控制器的存储器95中。根据本发明的一个实施方式，加速度限制可以是单个值，对应于正方向和负方向二者上的最大加速度。根据本发明的另一实施方式，加速度限制可以包括第一值，第一值定义最大加速度和最小加速度，最大加速度在本文中也称为加速度上限，最小加速度在本文中也称为加速度下限。如果电动机在单一旋转方向上运行，则可以构想，加速度上限和下限二者可能具有相同的符号。如果电动机在两个旋转方向上运行，则可以构想，加速度上限可以具有正方向的最大加速度值，而加速度下限可以具有负方向的最大加速度值。此外，加速度限制可以被存储为实数单位的值，例如米每秒平方，作为期望加速度的百分比，或者作为表达为十进制值的每单位值，其中0与1之间的值对应于0％至1％。为了便于计算效率，希望以与控制器100中的控制环107使用的单位一致的方式存储一个或两个加速度限制值。为了本文中讨论的目的，并入了所示轨迹成形模块200的电动机驱动器30存储具有正值与负值之间的值的加速度上限和加速度下限，其中这些值对应于电动机32的最大加速度的100％的正值与负值之间的值，其中加速度限制的符号对应于电动机的旋转方向。加速度限制模块210从存储器读取加速度限制并且将由电动机驱动器确定的估计加速度
Figure BDA0003689240940000151
与正和负加速度限制中的每一个相加。经修改的加速度限制212包括经修改的正加速度限制和经修改的负加速度限制。经修改的加速度限制212从加速度限制模块210输出，并提供给速度限制模块220和状态滤波器模块250作为输入。
速度限制模块220响应于由加速度限制模块210对加速度限制的确定而实时地动态地确定电动机驱动器30的速度限制。除了经修改的加速度限制212之外，速度限制模块220还接收来自运动命令的速度参考信号w*以及由截距时间模块230确定并且下面更详细讨论的截距时间232。截距时间232对应于控制器100将能够基于对加速度和速度施加的当前限制将受控系统中的现有位置误差强制收敛至零的近似时间。作为初始步骤，速度限制模块220将截距时间232与由加速度限制模块210确定的经修改的加速度上限和下限中的每一个相乘。每个结果值与速度参考信号相加。因为加速度上限是正值而加速度下限是负值，所以乘以截距时间之后的结果值的总和将从速度参考信号中加上和减去所需的量。较高的值成为速度上限，较低的值成为速度下限。这些限制作为经修改的速度限制222从速度限制模块220输出并提供给状态滤波器模块250。经修改的速度限制222将定义状态滤波器250内的速度参考的可接受范围，该范围包含来自运动命令的原始速度参考信号w*。
截距时间模块230基于对加速度和速度施加的当前限制来确定控制器100将能够将受控系统中的现有位置误差强制收敛至零的近似时间。截距时间模块230从运动命令接收位置参考信号q*和速度参考信号w*作为输入。截距时间模块230还从由状态滤波器模块250输出的经修改的运动命令接收经成形的位置参考信号q*’和经成形的速度参考信号wFF’作为输入。截距时间模块230通过找到位置参考信号与经成形的位置参考信号之间的差异来确定位置误差。截距时间模块230类似地通过找到速度参考信号与经成形的速度参考信号之间的差异来确定速度误差。根据本发明的第一实施方式，截距时间模块230将位置误差除以速度误差以确定从截距时间模块230输出的截距时间232。根据本发明的另一实施方式，截距时间模块230首先用考虑减速的校正因子补偿位置误差。位置误差可以通过向求和结点提供减速校正的增益模块来反馈，并且将位置误差与初始位置误差相加以确定经修改的位置误差。然后可以将该经修改的位置误差除以速度误差以确定截距时间232。截距时间的初始确定考虑校正全速下的速度误差。然而，随着位置误差和速度误差的减小，校正发生的速率可能会降低，并且将受控系统中的现有位置误差归零所需的时间量可能会增加。可以调整反馈路径中的增益块，从而可以相应地增加位置误差，从而允许更准确地确定截距时间232。
参照图11和图12，状态滤波器250被配置成接收原始运动命令并在需要时将运动命令成形为经修改的运动命令以获得更可行的运动描绘。状态滤波器250接收运动命令的位置参考信号q*；速度参考信号w*；以及加速度参考信号a*作为输入。状态滤波器250还接收由加速度限制模块210确定的加速度限制212以及由速度限制模块220确定的速度限制222作为输入。状态滤波器250进一步获得在控制模块105中使用的控制器增益的值，并根据初始运动命令、加速度限制、速度限制和控制器增益来确定经修改的运动命令。
状态滤波器250包括由电动机驱动器30执行的控制模块105的模型。该模型包括位置环254的模型和速度环262的模型。位置参考信号q*最初被提供给第一求和结点252，在第一求和结点252处，将位置参考信号q*与经成形的位置参考信号q*’进行比较。第一求和结点252的输出是估计的位置误差，该估计的位置误差被提供给位置环254的模型。当状态滤波器250在电动机驱动器30内执行时，状态滤波器可以读取控制模块105的控制器增益，该控制器增益作为参数被存储在电动机驱动器30的存储器95中。根据所示实施方式，位置环254的模型对应于位置环控制器104，该位置环控制器104对比例积分(PI)控制器建模。如果位置环控制器104只是比例(P)控制器或者还包括微分(D)控制器，则位置环254的模型将类似地对应于比例控制器或比例-积分-微分控制器。位置环控制器104中的比例(P)控制器、积分(I)控制器和/或微分(D)控制器中的每一个包括控制器增益值。这些控制器增益值通常被称为比例增益(Kpp)、积分增益(Kpi)以及微分增益(Kpd)。位置环控制器254的模型根据适当的模型254读取每个增益并确定估计的速度命令255。
估计的速度命令255在第二求和结点256处与速度参考信号w*组合。因此，速度参考信号w*用作模型化控制系统的前馈信号。以类似的方式，经成形的速度参考信号wFF’将用作控制模块105中的前馈信号。第二求和结点256的输出作为输入被提供给速度限制块258。速度限制块258接收动态确定的速度限制222，并且防止第二求和结点256的输出超过速度上限或小于速度下限。速度限制块258的输出是经限制的速度命令259，该命令又提供给第三求和结点260。在第三求和结点处将限制速度命令259与经成形的速度参考信号wFF’相比较260。
第三求和结点260的输出是估计的速度误差，该估计的速度误差被提供给速度环262的模型。当状态滤波器250在电动机驱动器30内执行时，状态滤波器可以读取作为参数存储在电动机驱动器30的存储器95中的用于控制模块105的控制器增益。根据所示实施方式，速度环262的模型对应于速度环控制器108，该速度环控制器108对比例积分(PI)控制器建模。如果速度环控制器108只是比例(P)控制器或者还包括微分(D)控制器，则速度环262的模型将类似地对应于比例控制器或比例-积分-微分控制器。速度环控制器108中的比例(P)控制器、积分(I)控制器和/或微分(D)控制器中的每一个包括控制器增益值。这些控制器增益值通常被称为比例增益(Kvp)、积分增益(Kvi)以及微分增益(Kvd)。速度环控制器262的模型根据适当的模型262读取每个增益并确定估计的加速度命令263。
估计的加速度命令263在第四求和结点264处与加速度参考信号a*组合。因此，加速度参考信号a*用作模型化控制系统的前馈信号。以类似的方式，经成形的加速度参考信号aFF’将用作控制模块105中的前馈信号。第四求和结点264的输出被提供为加速度限制块266的输入。加速度限制块266接收动态确定的加速度限制212，并且防止第四求和结点264的输出超过加速度上限或小于加速度下限。加速度限制块266的输出是经成形的加速度参考信号aFF’。经成形的加速度参考信号aFF’被传递通过第一积分块268和第二积分块270以获得经成形的速度参考信号wFF’和经成形的位置参考信号qFF'。
接下来转向图13，示出了轨迹成形模块200的示例性性能。第一曲线302示出了作为位置参考信号q*提供给电动机驱动器30的示例性阶跃命令。然而，位置的阶跃变化对于电动机32来说不是用于遵循的可行轨迹。电动机32需要一些时间来加速到速度并且在期望位置处减速回零速度。第二曲线304示出了在没有轨迹成形模块200的情况下由这样的阶跃变化命令产生的电动机的示例性角位置路径。电动机驱动器30中的控制模块105将命令电动机32尽可能快地达到期望位置。当电动机驱动器30识别到电动机32已达到指令位置时、但是在电动机驱动器30可以使电动机停止之前发生一些过冲，当电动机驱动器30使电动机32围绕命令位置来回摆动大约十分之二秒时、在最终停留在命令位置之前发生一些振铃。
相比之下，第三曲线306示出了轨迹成形模块200的性能。轨迹成形模块200接收用于位置参考信号q*的阶跃命令，并将阶跃命令转换为示出的弯曲参考信号306。示出的弯曲参考信号是经修改的位置参考信号q*’，其从轨迹成形模块200输出并且代替阶跃命令作为输入被提供给控制模块105。控制模块105能够遵循该经修改的位置参考信号。图13中的第四曲线308示出了电动机32响应于经修改的位置参考信号的实际角位置。遵循经修改的位置参考信号的小延迟发生在命令开始时，但随后控制模块105使位置误差非常接近于零。位置误差在整个斜坡期间保持非常接近于零，并且在经修改的位置参考信号结束时仅发生小的过冲，控制模块105快速将电动机带至命令的速度。作为轨迹成形模块200的结果，电动机能够在响应阶跃变化所需时间的大约二分之一内实现期望的位置参考，并且没有围绕第二曲线304所示的期望位置振荡。
轨迹成形模块200实时操作以根据需要修改来自工业控制器12的运动命令。在某些应用中，来自工业控制器的运动命令可以采用图13中的第三曲线306的形式，并且可能不需要修改运动命令。工业控制器12可以具有例如电动机惯性、负载惯性、电动机与负载之间的耦合以及其他系统动力学的知识，并且能够为电动机驱动器30和电动机32生成可行的命令轨迹以遵循。在其他应用中，可能无法对系统动力学进行准确建模或者了解系统中的负载惯性。虽然工业控制器12在一些情况下可以生成可行的轨迹，但在其他情况下，运动命令或耦合到电动机的负载可能使得电动机驱动器30无法控制电动机32遵循期望的位置参考。随着运动命令通过轨迹成形模块200，轨迹成形模块200可以允许可行命令未成形地通过，可以使不可行命令被成形，并且在可行的和经成形的运动命令之间平滑过渡。轨迹成形模块200的输出作为输入被提供给控制模块105，并且控制模块105执行以调节向电动机的电流输出，同时轨迹成形模块200生成可行的命令轨迹。
接下来参照图16，所示实施方式构想运动控制器被包括在工业控制器12中并且不需要位置参考信号。图16的运动控制器生成包括速度参考信号w*；加速度参考信号a*；或其组合的运动命令。如本领域所理解的，加速度是速度相对于时间的导数。因此，具有参考信号之一，就可以确定另一个参考信号。优选地，运动命令提供速度和加速度参考信号中的每一个。电动机驱动器30包括负载观测器110(也参见图3)，该负载观测器110被配置成生成估计的加速度
Figure BDA0003689240940000191
估计的加速度
Figure BDA0003689240940000192
与速度参考信号w*和加速度参考信号a*一起提供给轨迹成形模块200。如上所述，可以构想，轨迹成形模块200可以在在工业控制器12或电动机驱动器30中被执行。为了本文中讨论的目的，将关于由电动机驱动器执行来讨论轨迹成形模块200。轨迹成形模块200生成用于电动机驱动器30中的控制器100的经成形的速度指令信号w*’；以及经成形的加速度前馈信号aFF’。
接下来转向图17，轨迹成形模块200包括加速度限制模块210、速度限制模块220和状态滤波器模块250。加速度限制模块210响应于由电动机驱动器确定的估计的加速度α^而实时地动态地确定电动机驱动器30的加速度限制。加速度限制的初始值可以被存储在电动机控制器的存储器95中。根据本发明的一个实施方式，加速度限制可以是单个值，其对应于正方向和负方向二者上的最大加速度。根据本发明的另一实施方式，加速度限制可以包括第一值，该第一值定义最大加速度和最小加速度，最大加速度在本文中也称为加速度上限，最小加速度在本文中也称为加速度下限。如果电动机在单一旋转方向上运行，则可以构想，加速度上限和下限二者可能具有相同的符号。如果电动机在两个旋转方向上运行，则可以构想加速度上限可以具有正方向的最大加速度值，而加速度下限可以具有负方向的最大加速度值。此外，加速度限制可以被存储为实数单位的值，例如米每秒平方，作为期望加速度的百分比，或作为表示为十进制值的每单位值，其中0与1之间的值对应于0％至1％。为了便于计算效率，希望以与控制器100中的控制环107使用的单位一致的方式存储一个或两个加速度限制值。为了本文中讨论的目的，并入了所示轨迹成形模块200的电动机驱动器30存储具有正值与负值之间的值的加速度上限和加速度下限，其中这些值对应于电动机32的最大加速度的100％的正值与负值之间的值，其中加速度限制的符号对应于电动机的旋转方向。加速度限制模块210从存储器读取加速度限制并且将由电动机驱动器确定的估计加速度
Figure BDA0003689240940000201
与正和负加速度限制中的每一个相加。经修改的加速度限制212包括经修改的正加速度限制和经修改的负加速度限制。经修改的加速度限制212从加速度限制模块210输出，并作为输入被提供给速度限制模块220和状态滤波器模块250二者。
速度限制模块220响应于由加速度限制模块210对加速度限制的确定而实时地动态地确定电动机驱动器30的速度限制。当不需要位置调节时，速度限制模块220用固定的零输入代替截距时间输入，如图11所示。速度参考不需要截距时间模块230，因为截距时间确定控制器100使受控系统中的现有位置误差强制收敛至零所需的近似时间量。因为本实施方式中的受控系统不使用位置参考或位置控制器，所以不存在位置误差。结果，不需要收敛时间，并且输入可以被设置为零。如前所述，速度限制模块220将截距时间232与由加速度限制模块210确定的经修改的加速度上限和下限中的每一个相乘。因为该输入已被设置为零，所以结果值为零。每个结果值仍可与速度参考信号相加，为速度参考信号提供限制。换言之，从控制器12输出的速度参考信号被保持为其原始值。结合先前讨论的实施方式，将来自截距时间计算的输入设置为零允许单个控制模块105实现单个状态滤波器，而不管是否需要位置控制或速度控制。当需要位置控制时，状态滤波器250的操作发生如上面关于图10至图12所描述的。当需要速度控制时，状态滤波器250的操作假定零位置参考和零位置误差，收敛至如图16至图18中描述的操作。可以构想，一些应用可以专门配置成处理速度控制，并且可以消除速度限制模块220以减小计算需求。
参照图17和图18，状态滤波器250被配置成接收原始运动命令并且在需要时将运动命令成形为经修改的运动命令以实现更可行的运动描绘。状态滤波器250接收运动命令的速度参考信号w*和加速度参考信号a*作为输入。状态滤波器250还接收由加速度限制模块210确定的加速度限制212以及由速度限制模块220确定的速度限制222作为输入。状态滤波器250进一步获得在控制模块105中使用的控制器增益的值，并根据初始运动命令、加速度限制、速度限制和控制器增益来确定经修改的运动命令。
状态滤波器250包括由电动机驱动器30执行的控制模块105的模型，包括速度环262的模型。速度参考信号w*作为输入被提供给速度限制块258。速度限制块258接收动态确定的速度限制222，并且防止第二求和结点256的输出超过速度上限或小于速度下限。速度限制块258的输出是限制速度命令259，该命令又被提供给第一求和结点260。如上所述，当电动机驱动器30仅接收速度参考信号而不接收位置参考信号时，速度限制被配置成将速度参考信号保持在其原始值。因此，可以构想，状态滤波器250可以在没有速度限制块258的情况下执行并将速度参考信号直接传递到第一求和结点260。在第一求和结点260处将限制速度命令259与经成形的速度参考信号wFF’进行比较。
第一求和结点260的输出是估计的速度误差，该估计的速度误差被提供给速度环262的模型。当状态滤波器250在电动机驱动器30内执行时，状态滤波器可以读取控制模块105的控制器增益，该控制器增益作为参数被存储在电动机驱动器30的存储器95中。根据所示实施方式，速度环262的模型对应于速度环控制器108，对比例积分(PI)控制器建模。如果速度环控制器108只是比例(P)控制器或者还包括微分(D)控制器，则速度环262的模型将类似地对应于比例控制器或比例-积分-微分控制器。速度环控制器108的比例(P)、积分(I)和/或微分(D)控制器中的每一个包括控制器增益值。控制器增益值通常称为比例增益(Kvp)、积分增益(Kvi)和微分增益(Kvd)。速度环控制器262的模型根据适当的模型262读取每个增益并确定估计的加速度命令263。
估计的加速度命令263在第二求和结点264处与加速度参考信号a*组合。因此，加速度参考信号a*用作模型化控制系统的前馈信号。以类似的方式，经成形的加速度参考信号aFF’将用作控制模块105中的前馈信号。第二求和结点264的输出作为输入被提供给加速度限制块266。加速度限制块266接收动态确定的加速度限制212并防止第二求和结点264的输出超过加速度上限或小于加速度下限。加速度限制块266的输出是经成形的加速度参考信号aFF’。经成形的加速度参考信号，aFF’被传递通过积分块268以获得经成形的速度参考信号wFF’。
应该理解，本发明在其应用中不限于这里阐述的部件的结构和布置的细节。本发明能够有其他实施方式，并且能够以各种方式实践或执行。前述内容的变化和修改在本发明的范围内。还应当理解，本文所公开和限定的本发明扩展到文本和/或附图中提到的或明显的两个或更多个单独特征的所有可替选组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种可替选方面。这里描述的实施方式解释了用于实施本发明的已知最佳模式，并且使得本领域的其他技术人员能够利用本发明。
在前面的说明书中，已参照附图描述了各种实施方式。然而，将明显的是，可以在不脱离如在下面的权利要求中阐述的本发明的更宽范围的情况下对其进行各种修改和改变，并且可以实现另外的实施方式。因此，说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种用于对用于电动机的运动命令进行成形的系统，所述系统包括：
输入端，所述输入端被配置成接收位置反馈信号，其中，所述位置反馈信号对应于所述电动机的角位置；
存储器，所述存储器被配置成存储多个指令；以及
处理器，所述处理器与所述存储器通信并且被配置成执行所述多个指令以：
对所述位置反馈信号进行采样并且确定干扰加速度的估计值，
响应于所述干扰加速度的估计值而实时地动态地修改加速度限制，
从运动控制器接收用于所述电动机的运动命令，
根据所述运动命令和经修改的加速度限制来确定经修改的运动命令，以及
将所述经修改的运动命令作为输入提供给控制模块，其中，所述控制模块被配置成控制所述电动机。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器还被配置成通过如下方式动态地修改所述加速度限制：
从所述存储器读取初始加速度限制值，以及
将所述干扰加速度的估计值与所述初始加速度限制值相加。
3.根据权利要求2所述的系统，其中：
所述运动命令包括位置参考信号和速度参考信号，
所述处理器还被配置成实时地动态地修改速度限制，并且
所述经修改的运动命令包括经成形的位置参考信号和经成形的速度参考信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述处理器还被配置成：
通过确定所述位置参考信号与所述经成形的位置参考信号之间的差异来确定位置误差，
通过确定所述速度参考信号与所述经成形的速度参考信号之间的差异来确定速度误差，
通过从所述位置误差减去减速度校正值来确定经修改的位置误差，并且
通过将所述速度误差除以所述经修改的位置误差来确定截距时间。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述处理器还被配置成通过如下方式动态地修改所述速度限制：
将所述经修改的加速度限制与所述截距时间相乘，以及
将所述经修改的加速度限制与所述截距时间相乘的结果值与所述速度参考信号相加。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器还被配置成：
执行控制模块以调节向所述电动机的电流输出，以及
与执行所述控制模块并行地执行状态滤波器，其中：
所述状态滤波器包括所述控制模块的模型，
所述状态滤波器接收所述运动命令和经动态地修改的加速度限制作为输入，并且
所述状态滤波器将所述经修改的运动命令确定为输出。
7.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述处理器还被配置成动态地修改速度限制，
所述状态滤波器接收经动态地修改的速度限制作为输入，
所述运动命令包括位置参考信号、速度参考信号和加速度参考信号，并且
经修改的运动命令信号包括经成形的位置参考信号、经成形的速度参考信号和经成形的加速度参考信号。
8.一种用于对用于电动机的运动命令进行成形的方法，所述方法包括以下步骤：
在电动机驱动器处接收来自运动控制器的用于所述电动机的运动命令；
使用所述电动机驱动器对与所述电动机的角位置对应的位置反馈信号进行采样；
在所述电动机驱动器中确定干扰加速度的估计值；
响应于确定所述干扰加速度的估计值而实时地动态地修改加速度限制；以及
根据所述运动命令和经修改的加速度限制来确定经修改的运动命令。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，动态地修改加速度限制的步骤进一步包括以下步骤：
从所述电动机驱动器的存储器读取初始加速度限制值，以及
将所述干扰加速度的估计值与所述初始加速度限制值相加。
10.根据权利要求9所述的方法，其中：
所述运动命令包括位置参考信号和速度参考信号，
所述方法还包括实时地动态地修改速度限制的步骤，并且
所述经修改的运动命令包括经成形的位置参考信号和经成形的速度参考信号。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
将位置误差确定为所述位置参考信号与所述经成形的位置参考信号之间的差异，
将速度误差确定为所述速度参考信号与所述经成形的速度参考信号之间的差异，
通过从所述位置误差减去减速度校正值来确定经修改的位置误差，以及
通过将所述速度误差除以所述经修改的位置误差来确定截距时间。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，动态地修改速度限制的步骤进一步包括以下步骤：
将所述经修改的加速度限制与所述截距时间相乘，以及
将所述经修改的加速度限制与所述截距时间相乘的结果值与所述速度参考信号相加。
13.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：
执行控制模块以调节向所述电动机的电流输出，以及
与执行所述控制模块并行地执行状态滤波器，其中：
所述状态滤波器包括所述控制模块的模型，
所述状态滤波器接收所述运动命令和经动态地修改的加速度限制作为输入，并且
所述状态滤波器将所述经修改的运动命令确定为输出。
14.根据权利要求8所述的方法，还包括实时地动态地修改速度限制的步骤，其中：
所述运动命令包括位置参考信号、速度参考信号和加速度参考信号，
所述经修改的运动命令还根据经修改的速度限制来确定，并且
经修改的运动命令信号包括经成形的位置参考信号、经成形的速度参考信号和经成形的加速度参考信号。
15.一种用于对运动命令进行成形的系统，所述系统包括：
存储器，所述存储器被配置成存储多个指令；以及
处理器，所述处理器与所述存储器通信并且被配置成执行所述多个指令以：
获得干扰加速度的估计值，其中，所述干扰加速度响应于所述运动命令而生成，
响应于获得所述干扰加速度的估计值而实时地动态地修改加速度限制，
从运动控制器接收所述运动命令，以及
根据所述运动命令和经修改的加速度限制来确定经修改的运动命令。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述运动控制器是工业控制器。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述运动控制器是与工业控制器通信的专用控制模块。
18.根据权利要求15所述的系统，还包括：
被配置成生成运动描绘的工业控制器；以及
与所述工业控制器通信以接收所述运动描绘的电动机驱动器。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述存储器和所述处理器位于所述工业控制器中，并且其中，所述运动描绘是所述经修改的运动命令。
20.根据权利要求18所述的系统，其中：
所述运动描绘是所述运动命令，
所述电动机驱动器从所述工业控制器接收所述运动命令，并且
所述存储器和所述处理器位于所述电动机驱动器中。
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