最优化的运动控制部件和能量效率的估量和调节方法

最优化的运动控制部件和能量效率的估量和调节方法
【专利摘要】本发明的各方面提供了一种用于对运动控制系统进行仿真的工具，该工具针对给定配置对性能和能量进行仿真。该仿真分析考虑运动轮廓以及一个或更多个相应的性能参数，并且得到的配置提供诸如驱动器和电机的硬件元件以及这些元件的设定。不同于仅对速度或精度进行最优化，该仿真允许对能量效率进行最优化。
【专利说明】最优化的运动控制部件和能量效率的估量和调节方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及运动控制系统的领域，具体地，涉及用于实现运动控制系统的估量和 调节方法。

【背景技术】
[0002] 自动化领域中的运动控制通常指的是使用某种类型的装置，诸如电磁电机或致动 器，来控制机器或负载的位置、速度或转矩/加速度。典型地，使用具有闭环反馈的伺服机 械装置（伺服机构）或驱动器，其提供误差感测负反馈以补偿电机的实际运动的偏差，同时 试图跟随运动轮廓。在操作中，驱动器可以根据运动轮廓向电机供电，其转而驱动负载。随 后，定期地或连续地从电机向驱动器返回反馈，其允许驱动器补偿电机的实际运动中的误 差。
[0003] 通常，诸如驻留在运动规划器中的运动规划器、可编程逻辑控制器（PLC)、具有集 成运动规划器的PLC(PLC+)、自动化控制器、工业PC(用于工业应用的基于X86PC的计算平 台）或其他装置被用于向驱动器提供电子运动轮廓或命令轨迹。运动规划器经由通用工业 协议（CIP)控制网络向驱动器发送电子运动轮廓，该CIP控制网络是适于高度可靠的和可 用的实时通信的网络。通常使用的控制网络包括例如ControlNet、DeviceNet、EtherNet/ IP、SERCOS、EtherCAT、Profibus和CIPMotion，它们的规范被公布并且它们的协议被许多 制造商和供应商广泛使用。运动规划器还可以经由诸如+/-10V的模拟接口或者诸如步进 和方向接口（StepandDirectionInterface)的数字脉冲序列来发送命令。当然，运动控 制部件的划分可以诸如依工业而变化。事实上，一些实现方案可以在单个封装中提供PLC、 驱动器和电机。
[0004] 典型地，使用分立的软件工具用于估量（Sizing)和选择电机/驱动器部件，并且 用于配置、编程和执行运动控制应用。运动控制系统中的位置和速度控制环路可以经由比 例-积分-微分（PID)控制器和前馈增益（Feed-forwardGain)通过工业环境而被设定， 这可能级大地影响系统的增益和相位响应并且因而影响功率/能量效率。运动分析器，例 如来自罗克韦尔自动化公司（RockwellAutomation,Inc.)的软件工具，可用于协助估量和 选择机器部件，并且例如RSLogiX5000可用于配置、编程和执行运动控制应用。
[0005] 通常执行估量计算作为"后向开环计算"，意味着不同于使环封闭以计算输出和所 有其他内部信号，假设输出完美地跟随输入。随后，从输出进行反向计算以计算其他信号， 诸如所需的电流和能量。
[0006] 然而，这没有充分考虑调节参数的影响，诸如用于PID控制器的增益值以及运动 轮廓，并且可能没有解决由于这些值引起的系统中的损失。例如，较低的增益值使能量效率 增加但是使性能降低，而较高的增益值使能量效率降低但是使性能提高。再者，系统中的外 部干扰，诸如摩擦、根据温度的变化和制造部件的变化，常常导致未被充分考虑的变化。
[0007] 因此，驱动器和电机可能需要比必要情况大的电流（和功率或能量）以克服这些 变化和外部干扰。这转而导致过度的功率/能量消耗、过度的热和低效。需要估计和提高 功率/能量效率同时维持性能的运动控制软件工具。此外，需要使用户能够进一步限定他 们的运动控制应用以允许以最小成本和机器占地（footprint)来实现最大功率效率的运 动控制软件工具。


【发明内容】

[0008] 发明人认识到，通过针对给定配置对运动控制系统的性能进行仿真以实现性能目 标和最小功率（或能量）消耗，可以实现更准确和高效的运动控制系统。仿真分析考虑运 动轮廓以及一个或更多个相应的性能参数，并且得到的配置提供了关于诸如驱动器和电机 的硬件元件的估量以及关于这些元件的设定或调节。性能参数可以诸如通过建立相应的性 能或误差的可接受的水平来描述电子运动轮廓和/或机械负载传动的特征。性能参数可以 包括例如，最大位置误差、最大速度误差、关于电子运动轮廓的区域或区间的最大误差、就 位时间（positionsettlingtime)、位置可重复性、位置精度、位置带宽、速度带宽、加速度 时间、电机热容量、电机温度和驱动器温度。仿真允许最优化以提高效率，包括能量效率、降 低的功率消耗、电机/驱动器部件的成本以及电机/驱动器部件的尺寸。
[0009] 因此，根据本发明的实施例的估量和调节软件工具利用以最小功率使用来满足一 个或更多个性能参数所需的调节参数，对运动规划器和驱动器的选择和配置进行仿真并显 示。用户可以进行迭代以实现期望的能量/功率使用，相对于包括驱动器、电机、线缆、接 触器、电磁兼容（EMC)滤波器等的硬件的物料清单（B0M)成本，这可以影响总体拥有成本 (TC0)。
[0010] 结果，可以实现最大效率，其中可以以低功率消耗实现高性能。一旦被实现，这转 而有助于减少功率消耗、操作温度以及尺寸和成本方面的系统部件，并且提高使用正确的 运动部件尺寸的精度。
[0011] 具体地，本发明提供了一种运动控制配置装置。该运动控制配置装置包括：第一数 据存储单元，其存储描述负载在一段时间内的物理运动的特征的电子运动轮廓；第二数据 存储单元，其存储描述相对于电子运动轮廓的性能或误差的可接受的水平的特征的性能参 数；以及评估引擎，其确定运动控制配置。运动控制配置包括适于向执行负载的物理运动的 电机供电的驱动器以及关于驱动器的多个调节值。基于实现第一数据存储单元中存储的电 子运动轮廓，同时以最小功率消耗量基本上满足第二数据存储单元中存储的性能参数，来 确定运动控制配置。
[0012] 运动控制配置装置可以进一步包括第三数据存储单元，其存储描述相对于电子运 动轮廓的性能或误差的可接受的水平的特征的另外的性能参数，其中基于实现第一数据存 储单元中存储的电子运动轮廓，同时以最小功率消耗量基本上满足第二和第三数据存储单 元中存储的性能参数，来确定运动控制配置。
[0013] 因而本发明的至少一个实施例的特征是考虑多个性能参数用于使功率效率的运 动控制配置最优化。
[0014] 性能参数可以可选地相对于时间不重叠。
[0015] 因而本发明的至少一个实施例的特征是在需要较小精度的时间段期间灵活地提 供减少的功率和提高的效率。
[0016] 运动控制配置装置可以进一步包括选择单元，其从存储在数据库中的具有不同的 容量的多个驱动器中选择驱动器。
[0017] 因而本发明的至少一个实施例的特征是使得能够选择最优的硬件元件用于实现 期望的目标。
[0018] 驱动器可以包括用于控制位置、速度和加速度的比例-积分-微分控制器，并且多 个调节参数可以是用于比例-积分-微分控制器的多个增益值。
[0019] 因而本发明的至少一个实施例的特征是利用具有闭环反馈的驱动器。
[0020] 运动控制配置装置可以进一步包括显示单元，其向图形用户接口显示将所消耗的 功率与运动控制配置的性能进行比较的结果。
[0021] 因而本发明的至少一个实施例的特征是提供有助于用户选择最优配置的信息。
[0022] 显示单元可以允许选择呈现不同结果的不同的运动控制配置。
[0023] 因而本发明的至少一个实施例的特征是允许用户即时（onthefly)分析各种配 置的效果。
[0024] 运动控制配置装置可以进一步包括优化运动控制配置确定单元，其改变电子运动 轮廓、性能参数以及多个调节参数中的至少之一以针对运动控制配置的消耗的功率相对于 性能来确定最优化的运动控制配置。
[0025] 因而本发明的至少一个实施例的特征是允许用户迭代地改变配置以实现特定目 标。
[0026] 评估引擎可以使用数据库中存储的模型对电子运动轮廓的轨迹进行仿真并且沿 轨迹积累功率消耗。
[0027] 因而本发明的至少一个实施例的特征是利用算法确定运动控制配置。
[0028] 性能参数可以指示最大位置误差或最大速度误差。
[0029] 因而本发明的至少一个实施例的特征是在确定运动控制配置时考虑各种类型的 性能参数。
[0030] 这些特定特征和优点可以仅应用于落在所附权利要求范围内的一些实施例并且 因而没有限定本发明的范围。

【专利附图】

【附图说明】
[0031] 图1是示例性工业控制系统的示图；
[0032] 图2是根据本发明的实施例的闭环反馈系统的示图；
[0033] 图3是根据本发明的实施例的运动控制配置的流程图；
[0034] 图4是根据本发明的实施例的图3的运动控制配置的算法的流程图；
[0035] 图5A是关于利用性能参数操作的负载的、与图示相应的电机热容量或电机能量 效率的曲线图相比较的电子运动轮廓的示例性曲线图；图5B是关于利用较严格的性能参 数操作的负载的、与图示相应的电机热容量或电机能量效率的曲线图相比较的电子运动轮 廓的示例性曲线图；图5C是关于利用更严格的性能参数操作的负载的、与图示相应的电机 热容量或电机能量效率的曲线图相比较的电子运动轮廓的示例性曲线图；以及图?是关 于利用更严格的误差性能参数操作的负载的、与图示相应的电机热容量或电机能量效率的 曲线图相比较的电子运动轮廓的示例性曲线图；
[0036] 图6A是图示电机的利用/热容量与误差阈值或容限之间的相对比较的示例性曲 线图；以及图6B是与图6A相对应地图示电机的温度与误差阈值或容限之间的相对比较的 示例性曲线图；
[0037] 图7是图示根据本发明的实施例的相对于时间不重叠的多个性能参数的示例性 曲线图；
[0038] 图8-10是根据本发明的实施例的显示仿真环境、栏和输出的示例性图形用户接 口；以及
[0039] 图11是根据本发明的实施例的显示将消耗的功率与运动控制配置的性能进行比 较的结果的示例性图形用户接口。
[0040] 在描述附图中图示的本发明的各实施例时，为了清楚起见采用了特性的术语。然 而，本发明不应限于这样选择的特定术语，应理解，每个特定术语包括按照相似方式操作以 实现相似目的的所有技术等同物。

【具体实施方式】
[0041] 现在参照图1，示例性工业控制系统10的示图包括运动规划器12,其可以驻留在 例如可编程逻辑控制器（PLC)内，经由形成网络环的工业控制网络16与模块化伺服机械驱 动器14串联耦接。仅作为示例使用网络环拓扑示出了示例性工业控制系统10,并且将认识 至IJ，作为替代或另外地，如本领域已知的，可以容易地使用其他这样的配置和拓扑，包括但 不限于线性、菊花链和/或星形拓扑。工业控制网络16可以是通用工业协议（CIP)或其他 控制网络，并且如本领域中理解的，可以经由ControlNet、DeviceNet、EtherNet/IP、SERCOS EtherCAT、Profibus或CIPMotion实现。
[0042] 运动规划器12包括处理器、存储器和数据储存部，并且可以是例如可获得自罗克 韦尔自动化公司的Rockwell 1756ControlLogix?系统。驱动器14适于向电机供电，该 电机在一段时间内执行机器或负载的物理运动，并且可以是例如Rockwell Kinetix 6000 多轴伺服电机。
[0043] 在示例性网络环拓扑中，运动规划器12经由第一控制网络区间16a耦接到驱动器 14的第一模块化驱动器14a。接着第一模块化驱动器14a经由第二控制网络区间16b耦接 到驱动器14的第二模块化驱动器14b。接着第二模块化驱动器14b经由第三控制网络区间 16c耦接到驱动器14的第三模块化驱动器14c。接着第三模块化驱动器14c经由第四控制 网络区间16d耦接到驱动器14的第四模块化驱动器14d。接着第四模块化驱动器14d经由 第五控制网络区间16e耦接到驱动器14的第五模块化驱动器14e。接着第五模块化驱动 器14e经由第六控制网络区间16f耦接到运动规划器12。根据其他拓扑可以实现其他实施 例。
[0044] 运动规划器12还通过计算机网络接口 19与具有处理器、存储器和数据储存部的 电子计算机18耦接和通信。运动规划器12和计算机18均可以具有输入和输出装置，诸如 键盘、鼠标和监视器，并且均可以执行非暂态计算机可读存储介质（包括R〇M、RAM、闪存、其 他固态驱动器、光盘驱动器、磁驱动器、光驱动器或其他驱动器）中存储的程序，并且提供 可以包括触摸屏监视器的图形用户接口。
[0045] 第一模块化驱动器14a耦接到第一电机20,第一电机20附接到第一机器或负载 22。第一电机20提供用于使第一机器或负载22完成第一工业任务的旋转运动，第一工业 任务诸如在触发耦接到第一模块化驱动器14a的传感器26时将箱子置于传送带24上。第 二模块化驱动器14b耦接到第二电机28,第二电机28附接到第二机器或负载30。第二电 机28提供用于使第二机器或负载30完成第二工业任务的旋转运动，第二工业任务诸如使 传送带24滚动。第三模块化驱动器14c耦接到第三电机32,第三电机32附接到第三机器 或负载34。第三电机32提供用于使第三机器或负载34完成第三工业任务的旋转运动，第 三工业任务诸如装填被置于传送带24上的箱子。第四模块化驱动器14d耦接到第四电机 36,第四电机36附接到第四机器或负载38。第四电机36提供用于使第四机器或负载38完 成第四工业任务的旋转运动，第四工业任务诸如封闭被装填的箱子。第五模块化驱动器14e 耦接到第五电机40,第五电机40附接到第五机器或负载42。第五电机40提供用于使第五 机器或负载42完成第五工业任务的旋转运动，第五工业任务诸如使同一传送带24或另一 传送带滚动。最后，运动规划器12可以耦接到第六电机44,用于使第六机器或负载完成第 六工业任务，诸如在第四机器或负载38封闭被装填的箱子之前涂抹胶水。在工业控制系统 10中还可以实现诸如线性运动或混合运动的其他运动和/或其他任务。
[0046] 在操作中，运动规划器12或者计算机18执行运动控制程序。接下来，运动规划器 12提供关于工业控制系统10中的电机20、28、32、36和40中的每个的电子运动轮廓（例 如，位置或速度）或者命令轨迹。例如，运动规划器12向第一模块化伺服驱动器14a提供 关于第一电机20的期望的第一运动轮廓；向第二模块化伺服驱动器14b提供关于第二电机 28的期望的第二运动轮廓；如此等等，这些操作均通过控制网络16进行。
[0047] 接下来，工业控制系统10中的电机20、28、32、36和40中的每个由其各自的模块 化驱动器14a、14b、14c、14d和14e控制以执行各自期望的运动轮廓。例如，第一模块化伺 服驱动器14a控制第一电机20以根据期望的第一运动轮廓驱动第一机器或负载22 ;第二 模块化伺服驱动器14b控制第二电机28以根据期望的第二运动轮廓驱动第二机器或负载 30 ;如此等等。
[0048] 接下来，将反馈从各个电机20、28、32、36和40返回到模块化伺服驱动器14 &、1你、 14(：、14(1和146中的每个。这允许模块化伺服驱动器14&、1413、14(3、14(1和146定期地或连 续地补偿各个电机20、28、32、36和40的实际运动中的误差。在本发明人的共同未决的美 国专利申请SerialNo. 14/011，843中描述了这样的运动控制系统和环境，该专利文献的整 体内容通过引用合并于此。
[0049] 现在参照图2,示例性闭环运动控制反馈系统包括经由网络接口 62耦接到运动规 划器64的具有处理器、存储器和数据储存部的电子计算机60。运动规划器64 (其可以是例 如PLC)转而经由工业控制网络（或±10V模拟接口或数字脉冲序列）耦接到驱动器68。 驱动器68转而经由功率连接70耦接到电磁致动器或电机72。电机72转而经由耦接74耦 接到机器或负载76,用于在负载76中实施物理运动。结果，负载76经历位置、速度和/或 加速度的改变。此外，具有卷入运动的质量的负载76体验各种力、损耗和其他外部干扰，包 括惯性和摩擦。
[0050] 在操作中，对于每个轴，电子计算机60接收并存储描述负载76在一段时间内的物 理运动的特征的电子运动轮廓以及描述相对于电子运动轮廓的性能或误差的可接受的水 平的特征的性能参数。性能参数可以包括例如以下参数中的任何参数：（1)最大位置误差； (2)最大速度误差；（3)关于电子运动轮廓的区域或区间的最大误差；（3)就位时间；(4)位 置可重复性；（5)位置精度；（6)位置带宽；（7)速度带宽；（8)加速时间；（9)电机热容量； (10)电机温度；和（11)驱动器温度。运动轮廓和性能参数可以经由电子计算机60处的用 户输入提供，或者从包括互联网的网络接口 62提供。电子计算机60经由网络接口 62与数 据库78通信，数据库78包含关于运动控制系统中的硬件产品诸如驱动器、电机、线缆、接触 器、电磁兼容（EMC)滤波器等的仿真建模数据以及相关算法。
[0051] 可以使用电子运动轮廓、性能参数和仿真建模数据从电子计算机60执行仿真。相 同的或者最优化的电子运动轮廓、调节参数和其他数据被发送到运动规划器64。运动规划 器64转而经由工业控制网络66向驱动器68发送电子运动轮廓。
[0052] 驱动器68在连结点80处接收电子运动轮廓，连结点80可以是求和器。在闭环反 馈配置中，驱动器68将来自工业控制网络66的电子运动轮廓与连结点80处的反馈信号82 进行比较，这允许驱动器68定期地或连续地补偿电机72或负载76的实际运动中的误差。 得到的误差84被传输到反馈实现控制器86,反馈实现控制器86可以是比例-积分-微 分（PID)控制器，或者任何类型的反馈控制器（例如，状态反馈、H无限、TOFF、模糊逻辑、 Kalman滤波器等）。例如，反馈实现控制器86可以接收在反馈实现控制器86内的比例驱 动器90、积分驱动器92和微分驱动器94中的每个处得到的误差84。运动规划器64还经 由调节连接85向反馈实现控制器86提供调节参数，所述调节参数可以是例如本领域中理 解的关于PID控制器的各种前馈位置、速度和/或加速增益值，包括Kpp、Kpi、Kvp、Kvi、Kvff和 Kaff。
[0053] 来自比例驱动器90、积分驱动器92和微分驱动器94的输出可以被馈送到求和点 96,其转而经由功率连接70生成适当量的功率/能量（电流和电压）用于为电机72供电。 电机72转而经由位置或速度传感器98向驱动器68和运动规划器64提供反馈信号82用 于提供调整。
[0054] 功率计100也可以监控递送到驱动器68用于为电机72供电的功率/能量的量。 功率计100可以向运动规划器64提供与驱动器68的功率（或能量）消耗相关的反馈。结 果，运动规划器64、能量控制器（未示出）和/或电子计算机60经由网络接口62可以验证 能量需求和/或调整运动控制系统用于功率最优化。例如，可以改变电子运动轮廓和/或 一个或更多个性能参数。
[0055] 例如，如果能量控制器需要调节到工厂中的特定的能量成本需求，则能量控制器 可以将运动轮廓设定到较慢的速率以满足该能量成本需求。换言之，用户可以将机器从 1000件每分钟设定到500件每分钟以满足高能量成本需求事件，诸如晚间的较高能量成 本。
[0056] 现在参照图3,流程图图示了根据本发明的实施例的可以在计算机程序中实现的 运动控制配置处理。在输入框110处，描述负载在一段时间内的物理运动的特征的电子运 动轮廓被保存在第一数据存储单元中。在输入框112和114处，描述电子运动轮廓诸如性能 或误差的可接受的水平的特征的性能参数1至N被保存在另外的数据存储单元中。如上文 参照图2所述，性能参数可以包括例如以下参数中的任何参数：（1)最大位置误差；（2)最 大速度误差；（3)关于电子运动轮廓的区域或区间的最大误差；（3)就位时间；（4)位置可 重复性；（5)位置精度；(6)位置带宽；（7)速度带宽；(8)加速时间；(9)电机热容量；（10) 电机温度；和（11)驱动器温度。性能参数可以可选地相对于时间不重叠。在框116处，来 自输入框110U12和114的每个数据存储单元被接收，它们可以被称为"用户输入"，尽管在 其他实施例中它们可以是所生成的机器或软件。
[0057] 接下来，在框118处，加载关于运动控制系统的仿真和建模数据。仿真和建模数据 可以包括以下元素中的一个或更多个，这些元素中的每个可以存储在数据库中：在框120 处的关于运动规划器、驱动器和其他硬件的能量和性能模型；在框122处的位置控制器仿 真模型；在框124处的速度控制器仿真模型；在框126处的位置电机功率/能量估计器；在 框128处的驱动器功率/能量估计器；以及在框130处的机械参数诸如变速箱、滚珠丝杠、 耦接头等的模型。
[0058] 接下来，在框132处，估计引擎确定运动控制配置，其包括适于向执行负载的物理 运动的电机供电的驱动器和关于驱动器的调节参数。运动控制配置的确定基于实现输入框 110处存储的电子运动轮廓，同时以最小功率消耗量基本上满足输入框112和114中存储的 性能参数。可以从数据库中存储的具有不同容量的多个驱动器中选择驱动器，其可以包括 PID控制器以及关于驱动器的增益值。
[0059] 接下来，在框134处，向图形用户接口显示结果。这些结果可以将例如驱动器、电 机和/或其他部件或者作为整体的运动控制系统消耗的功率与运动控制配置的性能进行 比较。可以例如借助于吞吐量诸如配置每分钟生产1〇〇〇件来测量性能。在显示结果时，可 以允许用户选择不同的运动控制配置，其可以包括具有电机、驱动器和其他部件的形式的 不同的物料清单（B0M)和成本以及呈现不同结果的不同的调节参数。
[0060] 在判定框136处，可以允许用户程序确定另外的最优化是否合适。如果不期望改 变，则在框138中，流程图推断最优化的运动控制配置。如果期望改变，则用户程序可以前 往框140U42和144中的一个或更多个，它们可以分别包括改变电子运动轮廓、性能参数和 运动控制配置中的一个或更多个，包括调节参数。随后，处理在框132中返回评估引擎，在 框134中向图形用户接口显示并且在判定框136中再次执行。该处理可以迭代地重复用于 选择最优的配置。
[0061]因此，可以确定被用户视为可接受的用于机器或负载的能量减少的操作模式的许 多个运动轮廓设定的功率/能量使用。结果，可以实现最大效率，其中可以以低功率消耗实 现高性能。一旦被实现，这转而有助于减少功率消耗、操作温度以及尺寸和成本方面的系统 部件，并且提高使用正确的运动部件尺寸的精度。
[0062] 现在参照图4,流程图图示了根据本发明的实施例的图3的运动控制配置的算法。 在框146处，评估引擎使用可以在数据库中存储的关于运动控制系统的仿真和建模数据， 在采样点处对电子运动轮廓的轨迹进行仿真。接下来，在框148处，将仿真的轨迹与描述电 子运动轮廓的特征的性能参数进行比较。在判定框150处，确定当前选择的配置是否实现 电子运动轮廓，同时基本上满足性能参数。
[0063] 如果当前选择的配置没有成功满足一个或更多个性能参数，则在框152处，可以 据此改变配置并且处理可以返回框152处。然而，如果当前选择的配置不满足性能参数，则 在框154中，最小功率消耗可以被计算并且针对沿轨迹的采样点被积累。在判定框155处， 确定电子运动轮廓是否继续到另一个采样点，并且如果是这样，则处理在框146处重复。否 贝U，处理在框156处结束。
[0064] 现在参照图5A，示例性曲线图160图示了关于利用表示第一误差阈值或容限带 164的性能参数操作的电机的电子运动轮廓162。第一误差阈值164包括上限164a和下限 164b。这里，上限164a和下限164b小于运动轮廓162的范围的预先限定的百分比，诸如小 于5%。
[0065] 通过运动轮廓162,电机可变地增加一段时间内的每分钟的转数（RPM)。在近似时 间166处，运动轮廓162开始跨越下限164b，这使得驱动电机的伺服机械装置通过将更多 的电流（和功率/能量）提供给电机来进一步增加驱动强度。分立的曲线图168图示了关 于电机的相应的热容量，这也可以经由电机能量效率来呈现。达到约55%的稳定状态水平 170。如这里使用的，电机容量指示电机利用的百分比（以及从电机生成的相关的热）。
[0066] 现在参照图5B，示例性曲线图180图示了关于利用表示第二误差阈值或容限带 184的另一性能参数操作的电机的第二电子运动轮廓182。第二误差阈值184包括上限184a 和下限184b。此外，第二误差阈值184小于上文针对图5A描述的第一误差阈值164 (即，更 紧的容限区域）。
[0067] 通过运动轮廓182,电机再次可变地增加一段时间内的RPM。在近似时间186处， 运动轮廓182开始跨越下限184b，这使得驱动电机的伺服机械装置通过将更多的电流（和 功率/能量）提供给电机来进一步增加驱动强度。此外，由于具有较紧的容限区域，因此在 近似时间188处，运动轮廓182随后开始跨越上限184a，这使得驱动电机的伺服机械装置通 过将更少的电流（和功率/能量）提供给电机来降低驱动强度。分立的曲线图190图示了 关于电机的相应的热容量，这也可以经由电机能量效率来呈现。达到约62%的稳定状态水 平192。电机容量（和热）的这种增加归因于电机对需要增加校正的较紧的容限区域的坚 持。
[0068] 现在参照图5C，示例性曲线图200在关注区域201中图示了关于利用表示第三误 差阈值或容限带204的另一性能参数操作的电机的第三电子运动轮廓202。第三误差阈值 204包括上限204a和下限204b。此外，第三误差阈值204小于上文针对图5A描述的第一 误差阈值164和上文针对图5B描述的第二误差阈值184 (即，更紧的容限区域）。
[0069] 通过运动轮廓202,电机再次可变地增加一段时间内的RPM。由于更紧的容限区 域，驱动电机的伺服机械装置必须较之以前更频繁地增加和减少针对电机的驱动强度，诸 如在关注区域201中的近似时间306处的校正。分立的曲线图208图示了关于电机的相应 的热容量，这也可以经由电机能量效率来呈现。达到约80%的稳定状态水平209。电机容量 (和热）的这种增加再次归因于电机对需要比以前更多的校正的更紧的容限区域的坚持。
[0070] 最后，现在参照图ro，示例性曲线图210在关注区域211中图示了关于利用表示第 四误差阈值或容限带214的另一性能参数操作的电机的第四电子运动轮廓212。第四误差 阈值214包括上限214a和下限214b。此外，第四误差阈值214小于上文针对图5A描述的 第一误差阈值164、上文针对图5B描述的第二误差阈值184以及上文针对图5C描述的第三 误差阈值204 (即，更紧的容限区域）。
[0071] 通过运动轮廓212,电机再次可变地增加一段时间内的RPM。由于更紧的容限区 域，驱动电机的伺服机械装置必须较之以前更频繁地增加和减少针对电机的驱动强度，诸 如在关注区域211中的近似时间216和218处的校正。分立的曲线图220图示了关于电机 的相应的热容量，这也可以经由电机能量效率来呈现。达到约90%的稳定状态水平224。电 机容量（和热）的这种增加再次归因于电机对需要比以前更多的校正的更紧的容限区域的 坚持。这可以对应于例如在工业处理中需要高精度的时段。
[0072] 现在参照图6A，示例性曲线图230图示了关于电机的利用/热容量和表示误差阈 值或容限的性能参数之间的相对比较。在误差阈值沿x轴增加时（即，在容限区域变松时）， 电机利用/热容量降低。例如，在曲线图230上的较高的点232处，+/-0. 05RPM的较小的 误差阈值（即，较紧的容限）导致了约88%的电机利用/热容量。然而，在曲线图230上的 较低的点234处，+/-0.351?^的较大的误差阈值（8卩，较松的容限）导致了约58%的较低 的电机利用/热容量。
[0073] 现在参照图6B，示例性曲线图240图示了与图6A相应的、关于电机的温度和表示 误差阈值或容限的性能参数之间的相对比较。在误差阈值沿x轴增加时（即，在容限区域 变松时），电机温度降低。例如，在曲线图240上的较高的点242处，+/-0. 05RPM的较小的 误差阈值（即，较紧的容限）导致了约85°C的电机温度。然而，在曲线图240上的较低的 点244处，+/-0. 35RPM的较大的误差阈值（S卩，较松的容限）导致了约45°C的较低的电机 温度。
[0074] 现在参照图7,示例性曲线图250图示了根据本发明的实施例的横越多个子时段 或区域"A"、"B"、"C"和"D"的电子运动轮廓252,每个子时段或区域具有相对于时间不重 叠的不同的性能参数。根据运动轮廓252,电机在一段时间内改变位置。在第一区域A中， 关于电机的运动轮廓252利用表示第一误差阈值或容限带254的性能参数进行操作。第一 误差阈值254包括上限254a和下限254b。上限254a和下限254b小于运动轮廓252的范 围的5%。这可以对应于在工业处理中需要较小精度的子时段。因此，运动规划器向驱动器 提供第一区域A中的第一组调节参数。
[0075] 在近似时间255处，运动轮廓252进入第二区域B。在第二区域B中，关于电机的 运动轮廓252利用表示较小的第二误差阈值或容限带256 (即，较紧的容限区域）的性能参 数进行操作。第二误差阈值256包括上限256a和下限256b。这可以对应于在工业处理中 需要最高精度的子时段。因此，在第二区域B中，电机的容量将在其最高处。因此，运动规 划器向驱动器提供第二区域B中的第二组调节参数。
[0076] 在近似时间257处，运动轮廓252进入第三区域C。在第三区域C中，关于电机的 运动轮廓252利用表示第三误差阈值或容限带258的性能参数进行操作，第三误差阈值或 容限带258大于第二误差阈值256并且等于第一误差阈值254。第三误差阈值258包括上 限258a和下限258b。这可以对应于在工业处理中需要较低精度的子时段。因此，运动规划 器向驱动器提供第三区域C中的第三组调节参数。
[0077] 在近似时间259处，运动轮廓252进入第四区域D。在第四区域D中，关于电机的 运动轮廓252利用表示第四误差阈值或容限带260的性能参数进行操作，第四误差阈值或 容限带260大于第一误差阈值254、第二误差阈值256和第三误差阈值258。第四误差阈值 260包括上限260a和下限260b。这可以对应于在工业处理中需要最低精度的子时段。因 此，在第四区域D中，电机的容量将降低。因此，运动规划器向驱动器提供第四区域D中的 第四组调节参数。
[0078] 因此，在运动轮廓的多个区域或区段内可以动态地限定误差，并且运动规划器可 以即时调整调节参数以实现最小能量/功率使用。结果，对于横越多个区域A、B、C和D的 电子运动轮廓252,实现了最小能量/功率使用。
[0079] 现在参照图8至10,示例性图形用户接口显示了根据本发明的实施例的仿真环境 300,仿真参数和栏310以及仿真输出320。可以配置电子运动轮廓和性能参数，并且可以利 用所显示的结果执行仿真，这可以提供实现电子运动轮廓的运动控制配置，同时以最小的 功率消耗量基本上满足性能参数。
[0080] 现在参照图11，图11是显示根据本发明的实施例的、将可以至少部分地以瓦或千 瓦小时测量的能量效率332与按每分钟的件数测量的运动控制配置的性能334进行比较的 结果330的示例性图形用户接口。第一曲线336显示四种可能的配置336a至d，并且第二 曲线338显示另外五种可能的配置338a至e。每种可能的配置允许关于该配置的消耗功率 和性能之间的快速比较以定制具有最小功率消耗的最大性能。
[0081] 用户可以通过利用鼠标进行突出显示来选择配置，诸如所选择的配置336b，并且 得到的弹出窗口可以显示关于该配置的细节340。所显示的细节340可以包括关于驱动器 的产品或类别编号、关于电机的产品或类别编号、B0M和成本、估计的总体拥有成本（TC0) 和/或调节参数、增益值和/或关于配置的其他设定。用户可以确定和比较电子运动轮廓、 一个或更多个性能参数和/或调节参数的改变效果以使配置相对于功率和性能最优化。 [0082] 根据上述可知，本公开的实施例包括但不限于以下技术方案：
[0083]方案1.一种运动控制配置程序，所述运动控制配置程序存储在非暂态计算机可 读存储介质中并且能够在电子计算机上执行，所述运动控制配置程序包括：
[0084] 第一数据元素，其存储描述负载在一段时间内的物理运动的特征的电子运动轮 廓；
[0085] 第二数据元素，其存储描述相对于所述电子运动轮廓的误差的可接受的水平的特 征的性能参数；以及
[0086] 评估引擎，其确定运动控制配置，所述运动控制配置包括适于向执行所述负载的 所述物理运动的电机供电的驱动器以及关于所述驱动器的多个调节参数；
[0087] 其中基于实现所述第一数据元素中存储的所述电子运动轮廓、同时以最小功率消 耗量基本上满足所述第二数据元素中存储的所述性能参数，来确定所述运动控制配置。
[0088] 方案2.根据方案1所述的运动控制程序，进一步包括第三数据元素，其存储描述 相对于所述运动轮廓的误差的可接受的水平的特征的另外的性能参数，其中基于实现所述 第一数据元素中存储的所述电子运动轮廓、同时以最小功率消耗量基本上满足所述第二数 据元素和所述第三数据元素中存储的所述性能参数，来确定所述运动控制配置。
[0089] 方案3.根据方案2所述的运动控制程序，其中所述性能参数相对于时间不重叠。 [0090]方案4.根据方案1所述的运动控制程序，进一步包括从存储在数据库中的具有不 同的容量的多个驱动器中选择驱动器。
[0091] 方案5.根据方案4所述的运动控制程序，其中所述驱动器包括比例-积分-微分 控制器。
[0092] 方案6.根据方案5所述的运动控制程序，其中所述多个调节参数是用于所述比 例-积分-微分控制器的多个增益值。
[0093] 方案7.根据方案1所述的运动控制程序，进一步包括向图形用户接口显示将所述 运动控制配置的能量效率与性能进行比较的结果。
[0094] 方案8.根据方案7所述的运动控制程序，其中所述的显示允许选择呈现不同结果 的不同的运动控制配置。
[0095]方案9.根据方案1所述的运动控制程序，进一步包括改变所述电子运动轮廓、所 述性能参数以及所述多个调节参数中的至少之一，以确定针对所述运动控制配置的消耗的 功率相对于性能而被最优化的运动控制配置。
[0096] 方案10.根据方案1所述的运动控制程序，其中所述的确定所述运动控制配置包 括使用数据库中存储的模型对所述电子运动轮廓的轨迹进行仿真并且沿所述轨迹积累功 率消耗。
[0097]方案11.根据方案1所述的运动控制程序，其中所述性能参数指示最大位置误差。[0098]方案12.根据方案1所述的运动控制程序，其中所述性能参数指示最大速度误差。 [0099]替选实施例可以在硬件和/或软件上以及通过变化的集成水平来实现上文所述 的各种特征。此外，替选实施例可以按照对任务合适的方式组合或者另外分离或分布硬件 元件或软件元件。例如，应理解，可以使用组合的运动规划器和电子计算机或者组合的运动 规划器、电子计算机、驱动器和电机。这些替选实施例在本发明的范围内。
[0100] 这里仅出于参考的目的使用了特定的术语，并且因此所述术语并非旨在成为限 制。例如，诸如"上"、"下"、"上方"和"下方"的术语指示所参考的附图中的方向。诸如"前"、 "后"、"后面"、"底部"和"侦彳面"的术语通过参照文本以及描述所讨论的部件的相关联的附 图，描述了部件的各部分在所参考的一致的但是任意的坐标系内的取向。所述术语可以包 括上文具体提及的词语及其派生词以及相似地引入的词语。相似地，除非上下文清楚地指 示，否则指示结构的术语"第一"、"第二"和其他这样的编号术语并非意味着次序或顺序。
[0101] 当介绍本公开和示例性实施例的元素或特征时，冠词"一个（a、an) "、"该"和"所 述"旨在意指存在一个或更多个这样的元素或特征。术语"包括（comprising、including)" 和"具有"旨在是内含性的并且意味着可能存在具体提及的元素或特征以外的其他元素或 特征。应进一步理解，这里描述的方法步骤、处理和操作不应被解释为必须需要按照所讨论 或说明的特定顺序执行它们，除非具体指明了执行顺序。还应当理解，可以采用另外的或替 选的步骤。
[0102] 所提及的"微处理器"和"处理器"或"该微处理器"和"该处理器"可以被理解为 包括一个或更多个微处理器，其能够单独地和/或在分布式环境中通信，并且因而能够配 置成经由有线或无线通信与其他处理器通信，其中这样的一个或更多个处理器可以被配置 成在一个或更多个处理器控制的装置上操作，所述装置可以是相似或不同的装置。此外，除 非另外指明，否则所提及的存储器可以包括一个或更多个处理器可读和可存取的存储器元 件和/或部件，所述存储器元件和/或部件可以在处理器控制的装置内部，可以在处理器控 制的装置外部，并且可以经由有线或无线网络访问。
[0103] 本发明显然不应限于这里包含的实施例和说明，并且所附权利要求应被理解为包 括在所附权利要求范围内的这些实施例的修改形式，包括实施例的一部分以及不同实施例 的元素的组合。对于这里描述的所有公开文献，包括专利公开和非专利公开，其整体内容通 过引用合并于此。
【权利要求】
1. 一种运动控制配置装置，所述运动控制配置装置包括： 第一数据存储单元，其存储描述负载在一段时间内的物理运动的特征的电子运动轮 廓； 第二数据存储单元，其存储描述相对于所述电子运动轮廓的误差的可接受的水平的特 征的性能参数；以及 评估引擎，其确定运动控制配置，所述运动控制配置包括适于向执行所述负载的所述 物理运动的电机供电的驱动器以及关于所述驱动器的多个调节参数； 其中基于实现所述第一数据存储单元中存储的所述电子运动轮廓、同时以最小功率 消耗量基本上满足所述第二数据存储单元中存储的所述性能参数，来确定所述运动控制配 置。
2. 根据权利要求1所述的运动控制配置装置，进一步包括第三数据存储单元，其存储 描述相对于所述运动轮廓的误差的可接受的水平的特征的另外的性能参数，其中基于实现 所述第一数据存储单元中存储的所述电子运动轮廓、同时以最小功率消耗量基本上满足所 述第二数据存储单元和所述第三数据存储单元中存储的所述性能参数，来确定所述运动控 制配置。
3. 根据权利要求2所述的运动控制配置装置，其中所述性能参数相对于时间不重叠。
4. 根据权利要求1所述的运动控制配置装置，进一步包括选择单元，其从存储在数据 库中的具有不同的容量的多个驱动器中选择驱动器。
5. 根据权利要求4所述的运动控制配置装置，其中所述驱动器包括比例-积分-微分 控制器。
6. 根据权利要求5所述的运动控制配置装置，其中所述多个调节参数是用于所述比 例-积分-微分控制器的多个增益值。
7. 根据权利要求1所述的运动控制配置装置，进一步包括显示单元，其向图形用户接 口显示将所述运动控制配置的能量效率与性能进行比较的结果。
8. 根据权利要求7所述的运动控制配置装置，其中所述显示单元允许选择呈现不同结 果的不同的运动控制配置。
9. 根据权利要求1所述的运动控制配置装置，进一步包括优化运动控制配置确定单 元，其改变所述电子运动轮廓、所述性能参数以及所述多个调节参数中的至少之一，以确定 针对所述运动控制配置的消耗的功率相对于性能而被最优化的运动控制配置。
10. 根据权利要求1所述的运动控制配置装置，其中所述评估引擎使用数据库中存储 的模型对所述电子运动轮廓的轨迹进行仿真并且沿所述轨迹积累功率消耗。
11. 根据权利要求1所述的运动控制配置装置，其中所述性能参数指示最大位置误差。
12. 根据权利要求1所述的运动控制配置装置，其中所述性能参数指示最大速度误差。
13. -种用于分析运动控制系统中的功率消耗的方法，包括： (a) 接收描述负载在一段时间内的物理运动的特征的电子运动轮廓； (b) 接收描述相对于所述运动轮廓的误差的可接受的水平的特征的性能参数；以及 (c) 确定运动控制配置，所述运动控制配置包括适于向执行所述负载的所述物理运动 的电机供电的驱动器以及关于所述驱动器的多个调节参数，其中基于实现所述电子运动轮 廓、同时以最小功率消耗量基本上满足所述性能参数，来确定所述运动控制配置。
14. 根据权利要求13所述的方法，进一步包括接收描述相对于所述运动轮廓的误差的 可接受的水平的特征的另外的性能参数，其中基于实现所述电子运动轮廓、同时以最小功 率消耗量基本上满足每个性能参数，来确定所述运动控制配置。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中每个性能参数相对于时间不重叠。
16. 根据权利要求13所述的方法，进一步包括从存储在数据库中的具有不同的容量的 多个驱动器中选择驱动器。
17. 根据权利要求13所述的方法，进一步包括向图形用户接口显示将所述运动控制配 置的消耗的功率的能量效率与性能进行比较的结果。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述的显示允许选择呈现不同结果的不同的运 动控制配直。
19. 根据权利要求13所述的方法，进一步包括改变所述电子运动轮廓、所述性能参数 以及所述多个调节参数中的至少之一，以确定针对所述运动控制配置的消耗的功率相对于 性能而被最优化的运动控制配置。
20. 根据权利要求13所述的方法，其中确定所述运动控制配置包括使用数据库中存储 的模型对所述电子运动轮廓的轨迹进行仿真并且沿所述轨迹积累功率消耗。
【文档编号】G05B19/042GK104423303SQ201410433160
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】罗伯特·H·施米特, 格里·M·纳格尔, 罗伯特·J·米克洛绍维奇 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司