用于确定工业控制系统中的循环扰动的系统和方法与流程

1.本文公开的主题涉及自适应地解耦受控机器或过程中的循环扰动。更具体地，控制器向电机驱动器提供与用于受控机器或过程的操作循环对应的参考信号，并且电机驱动器在整个操作循环中监测由电机驱动器控制的电机的性能，以自适应地减小由于在操作循环期间观测到的扰动而导致的跟踪误差。


背景技术：

2.如本领域技术人员所知，电机驱动器用于控制电机的操作。根据一种常见的配置，电机驱动器包括具有合适大小的dc电压的dc总线，从该dc总线可以生成ac电压并且将其提供至电机。dc电压可以作为输入提供至电机驱动器，或者，电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电压转换成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例如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、绝缘栅双极晶体管(igbt)、晶闸管或可控硅整流器(scr)的有源前端。电力电子开关装置还包括并联连接在电力电子开关装置两端的反向传导电力电子装置，例如续流二极管。反向传导电力电子装置被配置成在电力电子开关装置不传导的时间间隔期间传导。电机驱动器中的控制器生成开关信号，以选择性地闭合或断开每个开关装置，从而将ac电压转换成dc总线上的期望的dc电压。逆变器部分被供应在dc总线与电机驱动器的输出之间，以将dc总线上的dc电压转换回具有可变振幅和频率的ac电压，从而控制电机的旋转。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闭合和断开每个开关装置，从而获得期望的ac电压。
3.电机驱动器接收指示电机的期望操作的命令信号。该命令信号可以是电机要操作的期望位置、速度或扭矩。通过改变施加至定子的ac电压的振幅和频率来控制电机的位置、速度和扭矩。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，以预定的开关频率快速地闭合和断开开关装置，并且从而交替地将dc总线与输出端子连接或断开，并且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电压的每个开关周期期间的持续时间，输出电压的振幅和/或频率被改变。电机控制器利用诸如脉宽调制(pwm)的调制技术来控制开关，并且合成具有期望振幅和频率的波形，以遵循命令信号并且获得期望操作。
4.然而，操作限制有时会阻止电机驱动器遵循命令信号。由电机驱动器实现的实际轨迹和由命令信号限定的轨迹之间的差异被称为跟踪误差。在许多情况下，这种无法遵循命令轨迹的能力是暂时的。例如，电机驱动器可能接收到需要加速度超过电机驱动器能力的位置命令。当试图遵循命令轨迹时，电机驱动器可以输出其能够产生的最大电流，并且因此获得最大的加速度速率。然而，这种最大的加速度速率可能不会导致电机遵循位置命令并且导致一些跟踪误差结果。在电机已经加速至与位置命令的变化速率对应的速度之后，并且如果没有超过用于电机驱动器的最大操作速度，则电机驱动器可以继续加速并且以大于预期操作速度的速度操作一小段持续时间，以解决跟踪误差。一旦电机已经消除了跟踪
误差，电机驱动器就返回至命令轨迹，并且根据命令信号继续操作。
5.如果电机驱动器在太长的时间段内遇到一定程度的跟踪误差，或者如果跟踪误差的大小在任何给定的时间内变得太大，则受控机器或过程可能不再实现期望的操作，并且可能出现故障状态。当跟踪误差太大时，例如，正在制造的部件、正在填充的容器或正在应用的标签可能生成超出公差的部件，可能错误地填充容器，或者可能将标签误用至产品。
6.因此，期望使受控机器或过程中的跟踪误差最小化。
7.在生成命令轨迹时，考虑受控机器或过程的已知操作条件和操作能力，以便生成可行的命令轨迹。然而，作用在受控机器或过程上的外部影响可能引起一些跟踪误差。一些这样的外部影响可能是齿轮箱或传动带中的振动、共振操作条件或受控机器或过程中部件之间的物理冲击。
8.电机驱动器遵循轨迹的能力不仅取决于电机驱动器的配置，还取决于由电机驱动的负载的配置。在某些应用中，负载可以通过刚性连接来耦合，并且具有固定的惯性。这样的负载可以致使可预测的响应，并且可以被计入由工业控制器生成的运动轮廓中。在其他应用中，负载可以经由柔性耦合来耦合，这可能将共振和/或反冲引入至受控系统中。在其他应用中，负载可能在操作期间改变，并且甚至可能以未知的方式改变。受控系统的动力学的这样的变化可能导致电机驱动器不能总是遵循的运动轮廓。电机驱动器将根据其最大响应极限进行响应，但是可能存在过冲、振荡或电机的其他不期望性能。
9.因此，期望提供用于在操作期间监测电机的操作并且自适应地跟踪电机经历的扰动的系统和方法。
10.还期望提供用于对作为自适应跟踪的结果识别出的扰动进行解耦的系统和方法。


技术实现要素：

11.根据本发明的一个实施方式，一种用于对受控机器或过程中的循环扰动进行动态观测的方法包括：在电机驱动器处接收命令信号和循环位置信号。命令信号对应于由电机驱动器可操作地控制的电机的期望操作，并且循环位置信号对应于受控机器或过程的一个操作循环内的位置，其中，操作循环不对应于电机的一次旋转。确定由电机在操作循环期间经历的扰动力导致的估计加速度值，以及在电机驱动器的存储器中，在操作循环内的多个样本实例处存储估计加速度值。
12.根据本发明的另一实施方式，一种电机驱动器被配置成对受控机器或过程中的循环扰动进行动态观测。电机驱动器包括：至少一个输入端，其被配置成接收命令信号和循环位置信号；存储器，其被配置成存储查找表；以及处理器。命令信号对应于可操作地连接至电机驱动器的电机的期望操作，并且循环位置信号对应于受控机器或过程的一个操作循环内的位置。处理器被配置成确定由电机在操作循环期间经历的扰动力导致的估计加速度值，以及在操作循环内的多个样本实例处，将估计加速度值存储在查找表中。
13.根据本发明的又一实施方式，一种用于对受控机器或过程中的循环扰动进行动态补偿的方法包括：在电机驱动器处接收命令信号和循环位置信号。命令信号对应于由电机驱动器可操作地控制的电机的期望操作，并且循环位置信号对应于受控机器或过程的一个操作循环内的位置，其中，操作循环不对应于电机的一次旋转。从存储在电机驱动器的存储器中的查找表读取扰动值，其中，扰动值对应于循环位置信号。响应于接收到命令信号，在
电机驱动器内执行控制模块，以获得电机的期望操作，并且将扰动值提供至控制模块，以减小控制模块中的跟踪误差。
14.根据详细描述和附图，本发明的这些和其他优点和特征对于本领域技术人员而言将变得明显。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，但是它们是以说明的方式给出的，而不是限制性的。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
15.本文公开的主题的各种示例性实施方式在附图中示出，其中，贯穿整个附图，相同的附图标记表示相同的部件，并且在附图中：
16.图1是结合了本发明的实施方式的示例性工业控制系统；
17.图2是图1的示例性工业控制系统的局部框图表示；
18.图3是结合了本发明的一个实施方式的图1的电机驱动器的框图表示；
19.图4是来自图3的电机驱动器的整流器部分的框图表示；
20.图5是来自图3的电机驱动器的逆变器部分和栅极驱动器模块的框图表示；
21.图6是用于图1的电机驱动器的控制器的框图表示；
22.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；
23.图8是来自图7的控制模块的滤波器部分的框图表示；
24.图9是在图3的电机驱动器中实现的循环观测器的一个实施方式的框图表示；
25.图10是部分地在电机驱动器内和部分地在外部控制器内实现的循环观测器的一个实施方式的框图表示；以及
26.图11是根据本发明的一个实施方式使用的查找表中存储的数据的表格表示。
27.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，将采用特定术语。然而，这并不意味着本发明限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所有技术等同物。例如，经常使用词语“连接”、“附接”或与之类似的术语。它们不限于直接连接，而是包括通过其他元件的连接，其中本领域技术人员认为这样的连接是等同的。
具体实施方式
28.参照以下描述中详细描述的非限制性实施方式，更全面地解释了本文公开的主题的各种特征和有利细节。
29.本文公开的主题描述了用于在操作期间监测电机的操作并且自适应地跟踪电机经历的扰动的系统和方法。电机驱动器接收命令信号和循环位置信号。在一个操作循环的初始运行期间，电机驱动器监测电机的操作，并且在整个操作循环中生成估计扰动。估计扰动值在操作循环内以周期性间隔存储在查找表中。在操作循环的随后运行期间，电机驱动器使用来自先前运行的所存储的扰动值作为到控制模块的前馈值。电机驱动器再次监测电机的操作，并且在随后的每个操作循环中生成新估计扰动值。根据新估计扰动值和先前存储的值，在查找表内更新估计扰动值。在整个一个操作循环中的估计扰动值在随后的循环中被连续计算，以减小受控机器或过程在操作循环内由电机驱动器观测到的周期性扰动的
影响。所存储的扰动值自适应地跟踪受控机器或过程中的循环扰动，并且减小这些循环扰动对受控机器或过程中的跟踪误差的影响。
30.首先参照图1，工业控制系统10可以包括提供多个模块18的工业控制器12和提供多个模块18之间的通信的总线16。模块18可以安装在壳体内或在安装支架例如din导轨上。总线16通常是经由合适的连接器耦接在模块18之间的背板。模块可以包括例如电力供应模块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与连接至工业控制器的其他装置之间的工业控制网络28例如或上通信。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。预期工业控制器12仍然可以包括其他模块，例如轴控制模块、或者经由工业控制网络28连接的附加机架。可选地，工业控制器12可以具有固定的配置，例如，具有预定数目的网络和i/o连接。
31.工业控制网络28可以将工业控制器12连接至远程i/o模块(未示出)和一个或更多个远程电机驱动器30，一个或更多个远程电机驱动器30可以与对应的电机32和位置传感器34通信，以提供电机32的受控运动。电机的受控运动进而控制相关联的工业机器或过程36。虽然单个电机驱动器和电机可以被称为运动轴，但是运动轴也可能需要由单个电机驱动器控制的多个电机或者多个电机驱动器和多个电机串联操作。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，包括例如由来自工业控制器12的输出信号控制的致动器31、或者向工业控制器提供输入信号的传感器33。
32.配置计算机40可以通过工业控制网络28或经由专用通信信道42与工业控制器12和/或电机驱动器30通信，例如，与处理器模块22连接。配置计算机40可以是标准的台式或膝上型计算机，并且包括键盘44、显示屏幕46等，以允许人操作者输入和显示数据以及操作配置程序。
33.接下来参照图2，处理器模块22包括与存储器装置50通信的处理器51，以执行：操作系统程序52，其通常控制处理器模块22的操作；以及控制程序54，其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(图2中未示出)。
34.处理器模块22经由总线16与工业控制器12中的网络模块26或任何其他模块18进行通信，总线16示出为在背板连接器23之间延伸的背板25。网络模块26包括控制电路55，控制电路55可以包括微处理器和存储在存储器和/或专用控制电路系统例如专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列(fpga)中的程序。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提供工业控制网络28上的低级电气协议的执行。类似的网络接口电路56可以设置在其他装置例如电机驱动器30上，以提供装置之间的通信。
35.根据示出的实施方式，运动控制模块27确定一个或更多个电机32要遵循的运动轮廓。运动轮廓可以包括位置参考信号(θ*)、速度参考信号(ω*)、加速度参考信号(α*)或其组合，以限定期望的运动轮廓。运动控制模块27包括与存储器装置39通信的处理器38，以执行一个或更多个运动轮廓生成器。预期运动控制模块27可以针对每个运动轴执行单独的运动轮廓生成器。一个或多个参考信号从运动控制模块27经由背板25传输至网络模块26，并且然后经由工业控制网络28传输至每个电机驱动器。在本发明的一些实施方式中，预期处理器模块22可以被配置成生成针对每个轴的运动轮廓，并且进而生成位置参考信号(θ*)、
速度参考信号(ω*)、加速度参考信号(α*)或其组合。
36.除了运动轮廓之外，运动控制模块27或处理器模块22还被配置成生成循环位置参考信号99。循环位置参考信号99表示受控机器或过程正在循环过程中的哪个点操作。根据本发明的一个方面，循环位置参考信号99可以是零与一之间的值或者是零与百分之百之间的值。当受控机器或过程执行一个循环时，循环位置参考信号99在零与一之间递增变化。当循环完成时，循环位置参考信号99归零。该示例并不旨在是限制性的。根据应用要求，循环位置参考信号99可以被限定在任何合适的值范围之间，其中，每个值提供循环内重复点的指示。根据示出的实施方式，循环位置参考信号99经由工业控制网络28传输至电机驱动器30。可选地，循环位置参考信号99可以经由专用输出信号或经由单独的通信总线传输至电机驱动器。
37.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，存储器43保存操作系统程序45以及各种数据结构47和程序49。一个这样的程序49可以用于配置工业控制系统10。配置计算机40还可以提供接口电路48，接口电路48例如在处理器41与工业网络28或者到处理器模块22的单独的通信信道42之间通信、以及根据本领域所理解的方法与屏幕46和键盘44通信。
38.接下来转到图3，根据本发明的一个实施方式，电机驱动器30包括电力部分61和控制部分63。电力部分61包括通常处理例如200至575vac或200至800vdc的部件。电力部分61接收一种形式的电力，并且利用电力开关装置以受控方式调节输出至电机32的电力，以实现电机32的期望操作。控制部分63包括通常处理例如110vac或3.3至50vdc的部件。控制部分63包括处理装置、反馈电路和支持逻辑电路，以接收反馈信号并且在电机驱动器30内生成控制信号。
39.根据示出的实施方式，电机驱动器30被配置成在电机驱动器30的输入端15处接收三相ac电压，进而将其提供至电机驱动器30的整流器部分70。整流器部分70可以包括本领域所理解的适用于无源或有源整流的任何电子装置。还参照图4，示出的整流器部分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电压整流成dc总线75上的dc电压。可选地，整流器部分70可以包括其他固态装置，包括但不限于晶闸管、可控硅整流器(scr)或晶体管，以将输入电力15转换成用于dc总线75的dc电压。dc电压存在于dc总线75的正导轨77与负导轨79之间。dc总线电容器74连接在正导轨77与负导轨79之间，以减小将ac电压转换成dc电压所产生的纹波电压的大小。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。负导轨79与正导轨77之间的dc电压的大小通常等于ac输入电压峰值的大小。
40.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，例如本领域已知的晶体管、晶闸管或scr。示出的逆变器部分80包括绝缘栅双极晶体管(igbt)82和续流二极管84，它们成对连接在正导轨77与输出电压的每相之间以及负导轨79与输出电压的每相之间。igbt 82中的每一个接收选通信号81，以选择性地启用晶体管82，并且将来自dc总线75的dc电压转换成到电机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的相应导轨77、79连接至连接在晶体管82与输出端子35之间的电导体83。电导体83根据应用要求(例如，电机驱动器30的额定值)来选择，并且可以是例如安装有晶体管82的电路板上的导电表面，或者连接至来自包含晶体管82的电力模块的
端子的汇流条。电机驱动器30的输出端子35可以经由线缆连接至电机32，该线缆包括连接至每个输出端子35的电导体。
41.一个或更多个模块用于控制电机驱动器30的操作。根据图3中示出的实施方式，控制器100包括模块并且管理模块的执行。示出的实施方式并不旨在是限制性的，并且应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，下面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。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、永久存储器或非永久存储器、或者其组合。存储器装置95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。存储器装置95可以是单个装置、多个装置、或者例如作为诸如专用集成电路(asic)的另一装置的一部分被并入。控制器100与存储器95通信，以读取控制电机驱动器30的操作所需的指令和数据。
42.控制器100接收识别连接至电机驱动器30的电机32的期望操作的参考信号97。参考信号97可以是例如位置参考(θ*)、速度参考(ω*)、扭矩参考(t*)或其组合。尽管图3中示出了所有三个参考信号，但是通常选择三个输入信号中的一个，并且将其提供至电机驱动器30。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(θ*)。另外，控制器100接收循环位置参考信号99。循环位置参考信号99提供受控机器当前正在重复循环内操作的时间、位置、持续时间等的指示。尽管示出为单独的输入信号，但是参考信号97和循环位置信号99可以通过工业网络28以单个数据分组的形式传输。根据应用要求，参考信号97和循环位置信号99可以以相同或不同的周期间隔传输。
43.循环位置参考信号99可以以比运动轮廓的参考信号97更低的速率传输。此外，循环位置参考信号可以以离散间隔生成，并且电机驱动器30可以被配置成在循环位置参考信号的新值之间进行插值。例如，循环可能需要五秒钟才能完成。在许多应用中，循环的长度是固定且可重复的。因此，循环位置参考信号可能不需要频繁更新。可以更新循环位置参考信号，并且以每秒十次的速率传输循环位置参考信号的新值。然而，电机驱动器可以在每秒一千到一万次的范围内执行其控制例程。电机驱动器以每秒十个间隔接收更新的位置参考信号99，并且可以在根据执行控制例程的频率接收的每个新值之间插值循环位置参考信号的一百到一千个划分。如将在下面更详细描述的，查找表154(还参见图11)可以包括与执行控制例程的频率对应的循环位置的增量。
44.控制器100接收指示电机驱动器30的当前操作的反馈信号。根据示出的实施方式，控制器100包括反馈模块65，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适用于控制器100使用的第二格式的信号所必需的任何其他部件，如本领域所理解的。电机驱动器30可以包括dc总线75上的电压传感器71和/或电流传感器73，其生成与dc总线75上存在的电压和/或电流的大小对应的反馈信号。电机驱动器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，其生成与电机驱动器的逆变器部分80与输出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可以连接至电机32，并且可操作以生成与电机32的角位置对应的位置反馈信号θ。电机驱动器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端。预期根据位置反馈装置34的配置，输入端可以被配置成接收正弦反馈信号、方波、数字脉冲序列、串行通信数据分组或其组合。
45.控制器100利用反馈信号和参考信号97、99控制逆变器部分80的操作，以生成具有电机32所期望大小和频率的输出电压。反馈信号由反馈模块65处理，并且根据需要转换成用于控制模块105的信号。
46.还参照图6，控制模块105包括控制回路107和滤波器122，如下面将更详细讨论的，以用于接收命令信号97和反馈信号例如位置反馈信号，并且响应于命令信号97和反馈信号执行以生成期望的参考信号。控制模块105还包括负载观测器110，以生成电机32的一个或更多个操作特性的估计响应。估计响应可以被添加至来自控制回路107的参考信号，以生成经修改的参考信号。估计响应也可以被提供至循环观测器150。循环观测器150接收循环位置参考信号99和来自负载观测器110的估计加速度152作为输入，并且生成循环扰动加速度前馈信号155作为输出。如下面将更详细讨论的，循环观测器150向控制回路107提供受控机器或过程所经历的循环扰动的估计。一个或更多个滤波器122可以存在于控制模块105中，以减少或消除经修改的参考信号的不期望的分量。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可以与滤波器122包括在一行。如下面将更详细讨论的，惯性增益可以包括在惯性块124中，或者可选地，可以并入控制回路107内的增益中。经滤波的参考信号被提供至惯性块，惯性块输出扭矩参考信号。扭矩参考信号进而被输出至电流调节器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扭矩产生分量和电流的通量产生分量。扭矩参考信号作为输入被提供至控制电流的扭矩产生分量的调节器。电流调节器67使用扭矩参考信号和电流反馈信号向栅极驱动器模块90输出电压信号。栅极驱动器模块90例如通过脉宽调制(pwm)或通过其他调制技术生成选通信号81。选通信号81随后启用/禁用晶体管82，以向电机32提供期望的输出电压，这进而致使耦接至电机32的机械负载37的期望操作。如本领域所理解的，电流调节器67被配置成在比控制模块105的带宽足够大的带宽下执行，使得电流调节器67可以被近似为控制模块105的单位增益。
47.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接收位置命令信号(θ*)97作为输入。在第一求和点102处，将位置命令信号(θ*)97与位置反馈信号(θ)进行比较。位置误差信号从第一求和点102输出，并且输入至位置回路控制器104。根据示出的实施方式，位置回路控制器104包括比例和积分(pi)控制器。可选地，位置回路控制器104可以仅仅是比例(p)控制器或者还包括微分(d)控制器。位置回路控制器104的比例(p)、积分(i)和/或微分(d)控制器中的每一个都包括控制器增益值。控制器增益值通常被称为比例增益(kpp)、积分增益(kpi)和微分增益(kpd)。位置回路控制器104的输出是速度参考信号(ω*)。
48.在第二求和点106处，将速度参考信号(ω*)与速度反馈信号(ω)进行比较。速度反馈信号(ω)由负载观测器110生成。可选地，速度反馈信号(ω)可以通过对位置反馈信号(θ)进行求导来确定。速度误差信号从第二求和点106输出，并且输入至速度回路控制器108。根据示出的实施方式，速度回路控制器108包括比例和积分(pi)控制器。可选地，速度回路控制器108可以仅仅是比例(p)控制器或者还包括微分(d)控制器。速度回路控制器108的比例(p)、积分(i)和/或微分(d)控制器中的每一个都包括控制器增益值。控制器增益值通常被称为比例增益(kvp)、积分增益(kvi)和微分增益(kvd)。速度回路控制器108的输出
是加速度参考信号(α*)。
49.控制模块105还可以包括前馈分支。根据示出的实施方式，控制模块105包括用于速度元件和加速度元件两者的前馈分支。在求和点106处，将速度前馈信号(ω
ff
)添加至速度参考信号和速度反馈信号，并且在第三求和点120处，将加速度前馈信号(α
ff
)添加至加速度参考信号。第三求和点120的输出是经修改的加速度参考信号(α*’)。
50.控制器还包括负载观测器110。第三求和点120的输出被示出为被提供至负载观测器110。根据控制器100的一个实施方式，负载观测器110根据经修改的加速度参考信号(α*’)和位置反馈信号(θ)来确定估计加速度扰动152。该估计加速度扰动可以被添加至经修改的加速度参考信号(α*’)，并且被提供至第四求和点121。可选地，经修改的加速度参考信号(α*’)可以由负载观测器110内部使用，并且经修改的加速度参考信号(α*’)可以直接提供至第四求和点121，而无需负载观测器110的修改。
51.第四求和点121的输出作为输入被提供至滤波器部分122。滤波器部分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，示出的滤波器部分122包括：低通滤波器132，以衰减不期望的高频分量；以及陷波滤波器134，以衰减对受控机械负载37具有不期望的影响的特定频率分量。还预期在不脱离本发明的范围的情况下，附加的滤波器可以包括在滤波器部分122中。
52.根据图7中示出的实施方式，滤波器部分122的输出被提供至增益块125。增益块125包括图6所示的惯性缩放块124，并且还包括扭矩常数k
t
。扭矩常数k
t
的倒数用于将扭矩基准转换成电流基准，该电流基准进而被提供至电流调节器67，如图6所示。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的增益通常被简称为惯性j。惯性增益可以包括电机惯性值jm、负载惯性值j1或其组合。虽然电机惯性值可能是已知的，或者由电机制造商提供，但是可能难以准确地识别负载惯性值。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。
53.如上所述，控制模块105的输出被提供至电流调节器67和栅极驱动器模块90，以向电机32输出期望电压。图7所示的设备130表示控制模块105外部的电机32和电机驱动器30的部件，并且可以包含电流调节器67、栅极模块60、电机驱动器30的逆变器部分80、电机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(θ)。
54.尽管来自第三求和点120的参考信号在图7中被示出为加速度参考a*，但是在其他实施方式中，第三求和点的输出可以是扭矩参考信号t*。来自增益块125的惯性值可以并入控制器增益中。如本领域所理解的，角加速度与扭矩成比例，并且更具体地，扭矩等于惯性乘以角加速度。因此，将惯性增益并入控制器增益生成了扭矩参考信号，而不是加速度参考信号。加速度前馈和来自负载观测器110的估计加速度可以类似地通过乘以惯性值转换成扭矩值。前馈信号将是扭矩前馈t
ff
，并且由负载观测器110生成的估计响应是由于电机32上的负载而施加至电机轴的估计扭矩因为惯性增益已经与控制器增益合并，所以图7所示的增益块125将简单地包括扭矩常数k
t
的倒数值。
55.根据本发明的另一实施方式，预期针对控制模块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成百分比值或每单位值，其中，针对该值的预期操作范围被转换成零与一之间或零与百分之百之间的值。取决于每单位系统，零
到百分之百的加速度范围可以相当于零到百分之百的扭矩范围。因此，每单位加速度值将相当于每单位扭矩值。每单位系统中的每个参考信号和滤波参考信号将是无单位参考信号。
56.在操作中，本发明提供了用于监测受控机器或过程36中的循环扰动并且对其进行自适应地解耦的系统。某些应用以循环方式执行。例如，产品可以沿着连续的驱动构件例如传送带或者在托盘上行进，托盘又沿着加工路径被驱动。与加工路径相邻的辅助设备可以被配置成冲压或弯曲产品、将标签应用于产品、在产品上打印文本或图形、或其组合。辅助设备可以包括驱动电机32，驱动电机32被配置成在第一方向上移动设备以接合产品，并且然后在相反方向上移动设备以脱离产品。对于通过该设备的每个产品，辅助设备以循环方式操作。
57.针对辅助设备的操作循环通常不对应于驱动电机32的旋转。朝向和远离产品的运动可能只需要电机的部分转动，或者可能需要电机的多次转动。此外，每个操作循环包括在一个方向上的运动和在相对方向上的运动，其中在行程的任一端处具有潜在停止。因此，在针对辅助设备的操作循环与由安装至电机32的编码器34生成的位置反馈信号之间没有对应关系。
58.在每个操作循环中，电机32可能会经历多种扰动力。例如，当克服静摩擦时或者由于在循环开始期间齿轮箱中的缠绕，电机32可能经历初始扰动力。当辅助设备冲击产品进行冲压或折叠操作或将标签粘附至产品时，电机32经历扭矩的突然变化。在方向反转期间，电机32可能在接近零速度或过渡通过零速度的机械耦合中经历一些不稳定性或共振。所有这些扰动力可能会随时间而略微改变，例如，由于产品通过设备时位置的变化或周围操作条件的变化。然而，在每个循环内，扰动力通常是重复的，并且对于每个操作循环具有类似的振幅。当扰动发生时，它们可能另外地在电机驱动器30内产生一些跟踪误差。
59.尽管控制器100被配置成使跟踪误差回到零，但是循环观测器150在每个操作循环中监测电机32和电机驱动器30的性能，以识别在一个操作循环中经历的扰动。再次参照图7，示出的负载观测器110确定估计加速度扰动152。估计加速度152是电机经历的外部扰动力的函数。该估计加速度信号152和循环位置信号99被提供至循环观测器150。循环观测器150将在整个一个操作循环中接收的估计加速度信号152存储在查找表中，并且将该值作为前馈信号提供至控制器100，以使由受控机器或过程36的循环操作导致的跟踪误差最小化。
60.在一个操作循环的初始运行期间，循环观测器150生成与整个操作循环中观测到的估计加速度对应的查找表(lut)154(还参见图9和图11)。循环位置信号99是在整个一个操作循环的多个样本实例处生成的。根据示出的实施方式，循环被划分成一千个样本实例。循环位置信号99是零与一之间的值，其中，零对应于循环的开始，而一对应于循环的结束。每个样本实例递增千分之一(0.001)。lut 154包括循环内增量156的标识符和由负载观测器110在该样本实例处确定的扰动值158。lut 154在一个操作循环内针对每个样本实例被填充。图11所示的lut 154是示例性的，而不旨在是限制性的。查找表可以仅存储具有已知数目的样本实例的扰动值158并且具有固定长度。类似地，lut 154可以包括任意数目的样本实例。样本实例的数目可以根据一个操作循环发生的时间长度或观测到的扰动的期望分辨率而改变。
61.在一些应用中，控制模块105可以以高于查找表分辨率的频率执行。因此，与存储在查找表154中的数据相比，循环内的位置在通过控制模块105的每个回路期间以更大的速率变化，但是增量更小。控制模块105可以利用查找表154中的在循环内的位置最接近控制模块105中确定的当前位置的增量156处的扰动值158。可替选地，控制模块105可以被配置成在查找表154内的两个相邻值158之间进行插值。
62.在初始操作循环之后，循环观测器150生成在控制模块105中使用的加速度前馈值。该加速度前馈值被示出为从循环观测器150输出的循环加速度前馈(α
cyc
)信号155。在初始操作循环之后，循环加速度前馈(α
cyc
)信号155对应于在一个操作循环的初始运行期间生成的估计加速度信号152的值。在操作循环的随后运行期间，lut 154由循环扰动滤波器例程连续更新。
63.参照图9，循环扰动滤波器例程170正在电机驱动器30的循环观测器150内执行。在求和点160处，将先前存储在lut 154中的循环加速度前馈(α
cyc
)信号155添加至由负载观测器110确定的新估计加速度152。该总和以及循环位置信号99作为输入被提供至循环扰动滤波器例程170。循环扰动滤波器例程170可以采取多种不同的形式。下面在式1和2中给出了两个示例性的循环扰动滤波器例程170。
64.简单的平均滤波器可以采取式1的形式。如果期望直接平均，则可以将加权值w设置为1。在加权值设置为1的情况下，将先前存储的值和新估计加速度相加在一起并且除以2。可选地，滤波值可以被给予更大的加权值，使得历史数据具有更大的权重，并且新估计加速度值(其可以包括与历史循环扰动显著不同的临时扰动)不会不成比例地影响循环扰动值。
65.d(n)＝[d(n-1)
·
w+a(n)]/(w+1)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0066]
其中：
[0067]
d(n)＝查找表的新估计加速度值；
[0068]
d(n-1)＝来自查找表的先前的估计加速度值；
[0069]
a(n)＝来自负载观测器的新估计加速度；以及
[0070]
w＝加权值。
[0071]
参照上面的式1，加权值优选地被设置为大于1的值。以这种方式，与从观测器110接收的单个估计加速度值相比，历史数据对要存储在查找表中的新值具有更大的影响。随着加权值的值增加，滤波器的带宽减小，并且循环扰动滤波器例程170将在整个循环中采取增加次数的运行，以更完全地滤除循环扰动。然而，一旦循环扰动滤波器例程170已经准确地识别出循环扰动，增加的加权值将使得滤波器更不容易受到由负载观测器110检测到的并且不是循环操作的一部分的一次性扰动的影响。
[0072]
式2中示出了更复杂的循环扰动滤波器170。lut 154的循环加速度前馈(α
cyc
)信号155的每个新值被确定为操作循环内的当前位置以及操作循环内的相邻位置两者处的先前的经滤波的加速度值的函数。式2的循环扰动滤波器170背后的原理是，估计加速度值不应当在操作循环的小变化上显著改变。因此，如果负载观测器110确定与先前的循环加速度前馈(α
cyc
)信号155值显著改变的新估计加速度扰动信号152，则单个异常值将不会显著影响存储在lut 154中的循环加速度前馈(α
cyc
)信号155。式2针对存储在lut 154中的先前
值提供了第一加权值w1；针对从负载观测器110接收的估计加速度扰动信号152的新确定值提供了第二加权值w2；以及针对紧接在当前样本实例之前和之后的样本实例处的循环扰动的先前估计值提供了第三加权值w3。
[0073][0074]
其中：
[0075]
d(n，t)＝在循环中的当前样本实例处的查找表的新估计加速度值；
[0076]
d(n-1，t)＝在循环中的当前样本实例处的来自查找表的先前的估计加速度值；
[0077]
d(n-1，t-1)＝在循环中的先前样本实例处的来自查找表的先前的估计加速度值；
[0078]
d(n-1，t+1)＝在循环中的下一样本实例处的来自查找表的先前的估计加速度值；
[0079]
a(n)＝来自负载观测器的新估计加速度；
[0080]
w1＝第一加权值；
[0081]
w2＝第二加权值；以及
[0082]
w3＝第三加权值。
[0083]
参照上面的式2，第一加权值w1类似于式1的加权值w。第一加权值w1优选地被设置为大于1的值。以这种方式，与从观测器110接收的单个估计加速度值相比，历史数据对要存储在查找表中的新值具有更大的影响。第二加权值w2是根据循环内的实际位置与存储在查找表154中的离散位置的距离确定的。如先前所讨论的，控制模块105可以以高于查找表分辨率的频率执行。当实际循环位置对应于存储在查找表154中的循环增量156时，第二加权值w2是1。随着实际循环位置偏离循环增量156，第二加权值w2减小。如果实际循环位置直接在查找表的两个增量之间，则第二加权值w2是二分之一。因此，第二加权值w2将是在二分之一与一(0.5-1)之间的值。第三加权值w3可以被设置为零与二分之一(0.0-0.5)之间的值，其中，当设置为零时，第三加权值被禁用。第三加权值w3允许针对相邻样本实例确定的估计扰动具有一些权重，但是小于针对当前样本实例处的扰动值的先前值和当前值的权重。
[0084]
接下来参照图10，循环扰动滤波器例程270也可以在外部控制器250上执行。总体示出了外部控制器250。然而，关于图1中呈现的工业控制系统10，外部控制器250可以是工业控制器12或外部计算装置例如图1所示的配置计算机40。电机驱动器30在电机驱动器30的每个更新间隔处将由负载观测器110确定的估计加速度信号152传送回外部控制器250。外部控制器250能够以较慢的更新速率处理数据，并且周期性地将用于lut 154的数据传输回电机驱动器30。
[0085]
如果外部控制器250是工业控制器12，则循环位置值99通常将由工业控制器12生成，并且在工业控制器12内是可用的。经由工业控制网络28从电机驱动器30接收估计加速度扰动信号152。外部控制器250保持查找表的副本，示出为lut’254。与上面描述的并且在电机驱动器30上执行的循环扰动滤波器例程170类似，在外部控制器250上执行的循环扰动滤波器例程270用于更新电机在一个操作循环内观测到的估计扰动。在求和点260处，将先前存储在lut’254中的循环加速度前馈(α
cyc
)信号255添加至由负载观测器110确定的新估计加速度扰动152。该总和以及循环位置信号99作为输入被提供至循环扰动滤波器例程270。循环扰动滤波器例程270可以类似地采取多种不同的形式，其中，上面的式1和2是两种示例性形式。
[0086]
查找表的副本可以比电机驱动器上的lut 154更频繁地更新。例如，外部控制器250可以在一个操作循环中针对每个样本实例执行循环扰动滤波器例程270，从而针对lut’254中的每个样本实例确定新值。在完整的循环内确定新值之后，外部控制器250可以将整个lut’254的副本传输至电机驱动器30。电机驱动器进而用从外部控制器接收的查找表的副本更新其自己的lut 154。在一些应用中，每五个或每十个操作循环更新电机驱动器中的lut 154可能就足够了。
[0087]
根据本发明的另一方面，外部控制器250可以被配置成监测估计扰动值随时间的变化。用于lut’254的一组初始值可以存储为参考表。lut’254可以被连续更新。在每个操作循环之后，外部控制器250可以将lut’254中的新值与参考表中的值进行比较。如果lut’254中的任何新值与参考表中对应样本实例处的值之间的差超过预定义值，则外部控制器将lut’254传输至电机驱动器30，以更新电机驱动器上使用的lut 154。以这种方式，可以减少电机驱动器30上的处理开销，并且通过仅在估计扰动变化需要时传输用于lut 154的新值，工业网络28上的通信带宽也保持为最小。
[0088]
根据本发明的又一方面，外部控制器250可以被配置成提供估计扰动值随时间变化或在类似站之间变化的通知。可以设置第一阈值，通过该第一阈值，将lut’254从外部控制器250传输至电机驱动器30，如先前所指示的。可以设置第二阈值以指示随时间的变化超过最大阈值。该最大阈值可以对应于预定义的磨损水平，使得受控机器或过程36中需要维护。可选地，最大阈值可以指示已经超过了安全操作水平，无论是出于正常维护需求还是由于部件故障。受控机器或过程36可以包括执行相同功能的多个站。例如，装瓶过程可以同时将标签贴在六个瓶子上，并且然后将这些瓶子插入至瓶子托架中。六个站中的每一个在构造和操作上都应当是相同的。外部控制器250可以比较存储在外部控制器中的lut’254中的每个标签站的值。如果lut’254中的一个的值偏离另一lut’254预定义的量，则检测到误差，并且外部控制器250可以生成识别故障站的消息。
[0089]
应当理解，本发明在其应用中不限于本文阐述的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实践或执行。前述的变化和修改在本发明的范围内。还应当理解，本文公开和限定的本发明延伸至正文和/或附图中提及的或明显的两个或更多个单独特征的所有替选组合。所有这些不同的组合构成了本发明的多个替选方面。本文描述的实施方式解释了已知的用于实践本发明的最佳模式，并且将使本领域的其他技术人员能够利用本发明。
[0090]
在前述说明书中，已经参照附图描述了各种实施方式。然而，将明显的是，可以对其进行各种修改和改变，并且可以实现附加的实施方式，而不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的更广泛范围。因此，说明书和附图被认为是说明性的，而不是限制性的。

技术特征：
1.一种用于对受控机器或过程中的循环扰动进行动态观测的方法，所述方法包括以下步骤：在电机驱动器处接收命令信号，其中，所述命令信号对应于由所述电机驱动器可操作地控制的电机的期望操作；在所述电机驱动器处接收循环位置信号，其中，所述循环位置信号对应于所述受控机器或过程的一个操作循环内的位置，并且其中，所述操作循环不对应于所述电机的一次旋转；确定由所述电机在所述操作循环期间经历的扰动力导致的估计加速度值；以及在所述电机驱动器的存储器中，在所述操作循环内的多个样本实例处存储所述估计加速度值。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述电机驱动器中执行确定由所述电机驱动器经历的所述扰动力导致的所述估计加速度值的步骤。3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：将所述估计加速度传输至外部控制器；以及从所述外部控制器接收经滤波的估计加速度值，其中，将所述估计加速度值存储在存储器中的步骤包括将从所述外部控制器接收的所述经滤波的估计加速度值存储在所述电机驱动器的存储器中。4.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：从所述存储器读取与所述循环位置信号对应的所述估计加速度值；以及将与所述循环位置信号对应的所述估计加速度值添加至在所述电机驱动器中执行的控制例程，以减小所述控制例程中的跟踪误差。5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定由所述电机在所述操作循环期间经历的所述扰动力导致的所述估计加速度值的步骤还包括以下步骤：在所述电机驱动器处接收位置反馈信号，所述位置反馈信号对应于所述电机的角位置；以及利用在所述电机驱动器中执行的负载观测器，根据所述位置反馈信号来确定所述电机处的新估计加速度或扭矩值，其中，在所述操作循环期间，针对所述多个样本实例中的每一个确定所述新估计加速度或扭矩值，并且存储在存储器中的所述估计加速度值对应于所述新估计加速度或扭矩值。6.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：根据所述循环位置信号确定所述操作循环内的当前样本实例；以及读取针对所述当前样本实例的先前的估计加速度值，其中，根据所述新估计值和所述先前值确定所述估计加速度。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述估计加速度被确定为所述新估计值和所述先前值的加权平均值。8.根据权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：读取所述电机驱动器中的所述循环位置信号的当前值；从所述电机驱动器的所述存储器读取针对所述循环位置信号的当前值的先前的估计
加速度值；以及从所述电机驱动器的所述存储器读取针对所述循环位置信号的至少一个附加值的先前的估计加速度值，其中，经滤波的估计加速度值被确定为所述新估计值、所述循环位置信号的当前值处的所述先前的估计加速度值、以及针对所述循环位置信号的所述至少一个附加值的所述先前的估计加速度值的加权平均值。9.一种电机驱动器，其被配置成对受控机器或过程中的循环扰动进行动态观测，所述电机驱动器包括：至少一个输入端，其被配置成接收命令信号和循环位置信号，其中，所述命令信号对应于可操作地连接至所述电机驱动器的电机的期望操作，并且所述循环位置信号对应于所述受控机器或过程的一个操作循环内的位置；存储器，其被配置成存储查找表；以及处理器，其被配置成：确定由所述电机在所述操作循环期间经历的扰动力导致的估计加速度值，以及在所述查找表中，在所述操作循环内的多个样本实例处存储所述估计加速度值。10.根据权利要求9所述的电机驱动器，其中，所述处理器还被配置成：将所述估计加速度值传输至外部控制器，以及从所述外部控制器接收经滤波的估计加速度值，其中，存储在所述查找表中的所述估计加速度值是从所述外部控制器接收的所述经滤波的值。11.根据权利要求9所述的电机驱动器，其中，所述处理器还被配置成执行控制例程以获得所述电机的期望操作，其中，将与所述循环位置信号对应的所述估计加速度值添加至所述控制例程，以减小所述控制例程中的跟踪误差。12.根据权利要求9所述的电机驱动器，还包括：至少一个附加输入端，其被配置成接收与所述电机的角位置对应的位置反馈信号，其中，所述处理器还被配置成：执行负载观测器，以根据所述位置反馈信号来确定所述电机处的新估计加速度或扭矩值，以及在所述操作循环期间，针对所述多个样本实例中的每一个确定所述新估计加速度或扭矩值，其中，存储在所述查找表中的所述估计加速度对应于所述新估计加速度或扭矩值。13.根据权利要求12所述的电机驱动器，其中，所述处理器还被配置成：根据所述循环位置信号从所述多个样本实例确定当前样本实例，从所述查找表读取针对所述当前样本实例的先前的估计加速度值，以及根据所述新估计值和所述先前值确定要存储在所述查找表中的经滤波的估计加速度值。14.根据权利要求13所述的电机驱动器，其中，所述处理器还被配置成确定所述新估计值和所述先前值的加权平均值。15.根据权利要求13所述的电机驱动器，其中，所述处理器还被配置成：读取所述循环位置信号的当前值；从所述查找表读取针对所述循环位置信号的当前值的先前的估计加速度值；以及从所述查找表读取针对所述循环位置信号的至少一个附加值的先前的估计加速度值，
其中，经滤波的估计加速度值被确定为所述新估计值、所述循环位置信号的当前值处的所述先前的估计加速度值、以及针对所述循环位置信号的至少一个附加值的所述先前的估计加速度值的加权平均值。16.一种用于对受控机器或过程中的循环扰动进行动态补偿的方法，所述方法包括以下步骤：在电机驱动器处接收命令信号，其中，所述命令信号对应于由所述电机驱动器可操作地控制的电机的期望操作；在所述电机驱动器处接收循环位置信号，其中，所述循环位置信号对应于所述受控机器或过程的一个操作循环内的位置，并且其中，所述操作循环不对应于所述电机的一次旋转；从存储在所述电机驱动器的存储器中的查找表读取扰动值，其中，所述扰动值对应于所述循环位置信号；以及响应于接收到所述命令信号，在所述电机驱动器内执行控制模块，以获得所述电机的期望操作，其中，将所述扰动值提供至所述控制模块，以减小所述控制模块中的跟踪误差。17.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：在所述电机驱动器处接收位置反馈信号，所述位置反馈信号对应于所述电机的角位置；以及利用所述电机驱动器中的负载观测器，根据所述位置反馈信号来确定新估计加速度或扭矩值，其中，根据针对由所述循环位置信号指示的所述操作循环内的对应位置确定的先前的估计加速度或扭矩值确定从所述查找表读取的所述扰动值。18.根据权利要求17所述的方法，还包括根据所述新估计加速度或扭矩值来更新所述查找表的步骤。19.根据权利要求18所述的方法，还包括以下步骤：在所述循环位置信号的每个值处确定用于所述电机驱动器中的所述查找表的新值，其中，所述新值是所述新估计值和从所述查找表读取的所述扰动值的函数；以及利用用于所述查找表的所述新值来覆盖从所述查找表读取的所述扰动值。20.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：将所述新估计加速度或扭矩值传输至外部控制器；在所述循环位置信号的每个值处确定用于所述外部控制器中的所述查找表的新值；周期性地将用于所述查找表的所述新值传输至所述电机驱动器；以及利用从所述外部控制器接收的所述新值来覆盖所述电机驱动器中的所述查找表。

技术总结
本公开内容涉及用于确定工业控制系统中的循环扰动的系统和方法。电机驱动器监测电机的操作，并且自适应地跟踪由电机经历的扰动。电机驱动器接收命令信号和循环位置信号。在整个操作循环中观测到的估计扰动被存储在查找表中，并且电机驱动器使用所存储的值作为到控制模块中的前馈值。电机驱动器自适应地监测电机的操作，并且在随后的每个操作循环中生成新估计扰动值。根据新估计扰动值和先前存储的值，在查找表内更新估计扰动值。所存储的扰动值自适应地跟踪受控机器或过程中的循环扰动，并且减小这些循环扰动对受控机器或过程中的跟踪误差的影响。跟踪误差的影响。跟踪误差的影响。


技术研发人员：乔纳森
受保护的技术使用者：罗克韦尔自动化技术公司
技术研发日：2023.01.19
技术公布日：2023/8/1