具有对位置误差独立误差修正的驱动控制器的制作方法

本发明从用于电驱动器的驱动控制器出发，其具有经由变流器供应电能的电机，其中，驱动控制器在正常运行中连续地

-从检测电机的转子轴的转动位置的位置编码器分别接收原始信号，

-根据相应的原始信号结合修正变量分别确定转子轴的实际位置并且

-根据相应的额定位置和相应的实际位置、或根据相应的额定转速和在应用相应的实际位置的条件下确定的转子轴的相应的实际转速，确定用于变流器的相应的控制信号并且输出给变流器。

本发明还从电驱动器出发，其具有变流器、通过变流器供应电能的电机和驱动控制器。

背景技术：

在受调节的电机中，通常为了测量位置或转速而在转子轴上加装位置编码器。之后，位置编码器在电机运行时分别提供原始信号，根据这些原始信号来确定转子轴的相应的实际位置和/或在对相应的实际位置进行微分的情况下确定转子轴的相应的实际转速。之后，相应的实际位置被用于到额定位置的位置调节，或者相应的实际转速被用于到额定转速的转速调节。

在实际中经常发生的是，发动机轴和输出器轴具有(即使很小的)相对的偏差。这样的偏差导致在由位置编码器发出的原始数据中产生系统的测量误差。测量误差关于转子轴的转动位置、即实际位置是周期性的。在一些情况下误差只具有一个分量或几乎只具有一个分量，其周期性与转动位置的周期性相对应(基波)。在其它的情况下，误差还具有另外的分量，其周期性与转动位置的周期性的整数倍相对应(谐波)。尤其地，第一谐波通常是重要的，在第一谐波的情况中，误差的周期性与转动位置的周期性的两倍相对应。尤其地，当从确定的实际位置中通过微分确定转速的时候，误差是不利的。因为误差的幅值会由于微分而随转速成比例地增加。

在最优情况下，通过在将编码器加装到电机上时使其相应准确的定位来避免误差或者至少将其保持得较小。在其它的情况下，通过修正变量来考虑误差。本发明涉及最后提到的方案，在其中通过修正变量来考虑误差。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种可行性方案，借助于该方案能够以简单和可靠的方式确定所需要的修正变量。

该目的通过具有权利要求1的特征的驱动控制器实现。驱动控制器的有利的设计方案是从属权利要求2至8的主题。

根据本发明，前面所述类型的驱动控制器设计为，驱动控制器在特殊运行中

-首先确定用于变流器的控制信号，转子轴基于该控制信号以初始转速旋转，并且将控制信号输出给变流器，

-之后，以无功的方式运行电机，使得转子轴惯性转动，

-在转子轴惯性转动期间，从位置编码器连续地分别接收原始信号，并且根据相应的原始信号分别确定转子轴的原始位置并且进行缓存，

-根据在特殊运行中确定的多个原始位置来确定修正变量，并且

-将修正变量存储在驱动控制器的修正变量存储器中，从而在正常运行中提供修正变量以用于确定相应的实际位置。

通过这种方案，能够由驱动控制器自身确定修正变量，而不需要另外的构件。尤其不需要额外确定修正变量(例如借助于另外的位置编码器，该编码器在其一侧可能具有误差，或者必须以高精度定位)。

优选地，只要转子轴旋转地足够快，就保持特殊运行。因此，驱动控制器优选地在特殊运行中根据相应的原始信号分别检验，转子轴的转速是否达到或低于最小转速。在达到或低于最小转速时，驱动控制器结束对原始位置的确定和缓存，并且转为对修正变量的确定。该方式基于的想法为，在转速足够高(即在最小转速之上)时，对平稳旋转的干扰(例如由于齿槽转矩等等)是足够小的，从而能够将其忽略。相反地，在转速较小(即低于最小转速)时，这样的干扰会导致不再能够轻易忽略的误差。

通常，驱动控制器根据具有多个模型参数的模型将转子轴的惯性转动模型化。优选地，驱动控制器根据在特殊运行中确定的原始位置确定修正变量和模型参数。尤其地，由此能够通过模型本身减少或避免出现的误差。

该模型例如可以具有形式

其中，t是从电机以无功的方式运行开始后的时间，并且ki是模型参数。模型参数k0通过原始位置在电机以无功的方式运行开始的时间点来确定，模型参数k1通过初始转速来确定。模型参数k2、k3等参数将减缓的惯性转动本身模型化。尤其地，模型参数k2使由摩擦等所造成的减速模型化，并且模型参数k3使晃动模型化。

时间的在模型中考虑的最高次幂最少是时间的二次幂、即加速度。在其他情况下，一次性调整的转速-即初始转速-保持恒定。通常，在模型中考虑的时间的最高次幂是时间的三次幂、即晃动，便足够了。然而在一些情况下可能要求，还要附加地考虑时间的四次幂。考虑时间的更高次幂虽然也是可行的，但通常是没必要的。

为了误差修正，驱动控制器在正常运行中从分别接收的原始信号中分别确定原始位置并且之后从相应的原始位置中根据关系式

确定转子轴的所属的相应实际位置。在此，α是相应的实际位置并且α’是相应的原始位置。rej和imj是修正变量。根据个别情况的位置，在正常运行中仅考虑相应的原始位置的一倍、即仅考虑基波，就可能足够了。如果还必须考虑相应的原始位置的整数倍，那么除了基波之外仅再考虑第一谐波、即相应的原始位置的两倍，通常便足够了。

优选地，驱动控制器根据超定的方程组确定修正变量，其中，驱动控制器还根据使误差最小二乘法来确定修正变量。由此能够提高修正变量的确定的准确性。

此外，该目的通过具有根据权利要求9的特征的电驱动器实现。根据本发明，在开头所述的类型的电驱动器中驱动控制器构造为根据本发明的驱动控制器。

附图说明

结合下述联系附图详细阐述的实施例的说明，清楚和明白易懂地阐述了本发明的上述特性、特征和优点以及实现的方式和方法。在此示意性地示出：

图1是电驱动器和其控制器；

图2是驱动控制器；

图3至5分别是流程图；

图6是时间图；

图7是用于确定修正变量和模型参数的解决方法；

图8和9分别是解向量；

图10和11分别是矩阵；以及

图12是原始位置向量。

具体实施方式

根据图1，电驱动器具有电机1。电机1由变流器2供应电能。变流器2在它这一侧连接到供电网3等等。尤其地，变流器2包括用于将供电网3临时接到电机1的相位4上的控制装置。由驱动控制器5为变流器2输送例如以额定相位电压形式的控制信号u*。变流器2根据控制信号u*来确定对内部的半导体电路元件6、例如igbts的相关驱控。在图1中仅示出了一个内部的半导体电路元件6。借助于内部的半导体电路元件6实现了供电网3到电机1的相位4的接入。相反地，变流器2将实际变量u、i传输回驱动控制器5。实际变量u、i例如可以是布置在半导体电路元件6之前的中间电路的中间电路电压、可以是实际相位电压和实际相位电流。变流器2与驱动控制器5之间的通信，即控制信号u*的传输和实际变量u、i的传输，以通常至少8khz(有时也为更大的值，例如16khz或32khz)的电流调节器时钟进行。

图2示出了驱动控制器5。它能够在个别情况中用作电机1的唯一的控制装置。然而，驱动控制器5通常根据图1所示被布置在另外的控制装置7之后。另外的控制装置7例如能够设计为数字控制器(cnc＝computernumericalcontrol，计算机数控)或者运动控制器(mc＝motioncontrol，运动控制)。在该情况下，驱动控制器5从另外的控制装置7接收至少一个上级的额定值并且将至少一个上级的实际值传回给另外的控制装置7。上级的额定值一般是转速额定值n*。然而可选地，其也可以是位置额定值α*或力矩额定值m*。上级的实际值通常是位置实际值α。然而可选地，其也可以是转速实际值n或力矩实际值m。还可行的是，驱动控制器5向另外的控制装置7传输多个实际值，例如传输位置实际值α并且还传输转速实际值n。

驱动控制器5与另外的控制装置7之间的通信、即上级的额定值的传输和实际值的传输，以另外的工作时钟来进行，根据上级的额定值的类型，该工作时钟是转速调节器时钟或位置调节器时钟或力矩调节器时钟。另外的工作时钟通常为最小8khz，有时也为更大的值，例如16khz或32khz。然而在任何情况下，另外的工作时钟最大与电流调节器时钟一样。因此，当例如电流调节器时钟为16khz时，另外的工作时钟例如可以是8khz或16khz，而不是32khz。

位置实际值α(接下来也被称为实际位置α)，对应电机1的转子轴8的当前转动位置。实际值α或在应用实际值α的情况下确定的实际转速n(即转速实际值)由驱动控制器5在内部进行应用，以便正确地确定控制信号u*。为了确定转动位置(＝实际位置α)，而存在有位置编码器9。位置编码器9检测编码器信号，例如所谓的正弦信号y和所谓的余弦信号x。可行的是，位置编码器9自身由正弦信号y和余弦信号x确定角度α’(＝原始位置α’)并且作将角度α’为原始信号α’传输给驱动控制器5。可选地还可行的是，位置编码器9将正弦信号y和余弦信号x作为原始信号x、y传输给驱动控制器5并且驱动控制器5由它们确定原始位置α’。在本发明的范畴中，采取这两个方式中的哪个是次要的。可选地还可行的是，将由位置发生器9传输给驱动控制器5的信号直接传输给驱动控制器5，或者将其经由变流器2传输给驱动控制器5。在此，在本发明的范畴中也次要的是，采取这两个方案中的哪个。重要的是，在电流调节器时钟中进行传输。

驱动控制器5根据图3如下工作：

在步骤s1中，驱动控制器5接收模式信号b。模式信号b可以具有至少两个不同的值，接下来被称为0和1。如有可能，也可以具有其它的值。在步骤s2中，驱动控制器5检验，模式信号b是否具有值0。在具有值0的情况下，驱动控制器5转到步骤s3。在步骤s3中，驱动控制器5执行正常运行。在之后将结合图4详细阐述“正常运行”。在其它情况下，在步骤s4中，驱动控制器5检验，模式信号b是否具有值1。在具有值1的情况下，驱动控制器5转到步骤s5。在步骤s5中，驱动控制器5执行特殊运行。在其他情况下，驱动控制器5转到步骤s6。在步骤s6中，驱动控制器5执行其它的、在本发明的范畴中次要的方案。步骤s1、s2、s3的顺序以电流调节器时钟进行。步骤s5且可能还有步骤s6，可能需要更长的时间。

还可行的是，模式信号b仅能够取值0和1。在该情况下，可以去除步骤s4和s6，并且如有可能，可由从步骤s2直接转到步骤s5。

接下来结合图4阐述正常运行。

在正常运行中，对于驱动控制器5来说在步骤s11中已知上级的额定值。例如，驱动控制器5能够在步骤s11中从另外的控制装置7接收转速额定值n*或者更新最后接收的转速额定值n*。在步骤s12中驱动控制器5从位置编码器9接收其原始信号x、y、α’。

在步骤s13中，驱动控制器5从原始信号x、y、α’中确定转子轴8的实际位置α。尤其地，驱动控制器5从所属的原始位置α’中结合修正变量rej、imj(j＝1，2，3…)确定实际位置α。如果驱动控制器5在步骤s12中接收正弦信号y和余弦信号x作为原始信号，那么驱动控制器5就在步骤s13中事先从原始信号x、y中确定原始位置α’。在其它情况下，原始信号α’自身已经是原始位置α’，因此原始位置α’的确定是无关紧要的。

步骤s13能够以不同方式和方法来设计。尤其可行的是，驱动控制装置5在步骤s13中根据关系式

来确定实际位置α。与此等效的是，在其中这样概括具有相同频率的项(即具有相同的索引j的项)，即在一次只需确定正弦或余弦，而不是正弦和余弦。

在最简单的情况下，索引j能够仅取值1。可选地，索引j能够取值2。高于2的值虽然同样可行，但在通常情况下不是必需的。

如果需要，驱动控制器5在步骤s14中确定实际转速n。只要进行求值，那么其就在利用实际位置α的条件下、尤其是通过实际值α的时间微分来进行。在步骤s15中，驱动控制装置5例如基于转速额定值n*和实际转速n或位置额定值α*和所属的实际位置α来确定用于变流器2的所属的控制信号u*，并且将其输出给变流器2。如果需要，驱动控制器5还在步骤s16中将实际位置α或其它变量(例如实际转速n)传输给另外的控制装置7。

接下来结合图5来阐述特殊运行。

在特殊运行中，驱动控制器5首先在步骤s21中删除缓存器10的内容。接着，驱动控制器5在步骤s22中确定用于变流器2的控制信号u*，其作用是使转子轴8以初始转速n1旋转。这样的控制信号u*的确定对于专业人员来说是很容易得知的。在步骤s22中，也该控制信号u*被输出给变流器2。初始转速n1被选择得相对较高，例如多于1000u/min。图6示出了在时间轴的降低区域中的该状态。初始转速n1在图6的实例中设置为6000u/min。然而，初始转速n1的具体的值仅是示例性的。

之后在步骤s23中，驱动控制器5确定用于变流器2的其它控制信号u*。这些控制信号u*的作用是，使驱动控制器5以无功的方式运行电机1。这样的控制信号u*的确定对于专业人员来说也是很容易得知的。例如，可以截止电路脉冲给变流器2的内部的半导体开关6的输出，或者能够将用于相位4的电流额定值置为0。该控制信号u*也在步骤s23中输出给变流器2。步骤s23的执行在另外的过程中、即尤其是在步骤s24至s27的重复执行过程中维持。这还可以通过如下方式实现：使步骤s23成为包含步骤s24至s27的循环的组成部分。

由于电机1的无功运行，转子轴8惯性转动。因此，转子轴8的转速n根据图6所示由于电机1的轴承中的摩擦损失或外部力而逐渐下降，并且就算只是(即使很小)旋转的转动轴8的空气摩擦。转速n的减少在转子轴8的多个整圈转动期间实现。

在该状态下(即在转子轴8的惯性转动期间)，重复(并且以电流调节器时钟重复)执行步骤s24至s27。在步骤s24中，驱动控制器5从位置编码器9分别接收原始信号x、y、α’。在步骤s25中，驱动控制器5根据相应的原始信号x、y、α’分别确定所属的原始位置α’。如果驱动控制器5在步骤s25中已经接收原始位置α’作为原始信号α’，那么原始位置α’的确定就是无关紧要的。在该情况下，步骤s25被简化。

在步骤s26中，驱动控制器5将原始位置α’存储到缓存器10中。缓存器10中的存储以如下的方式进行：除了已经在缓存器10中存储的原始位置α’外，还存储相应的原始位置α’。如果需要，还为相应的原始位置α’关联有所属的检测时间点tn(n＝1，2，3，…n)，并且将其同样存储在缓存器10中。

在步骤27中，驱动控制器5检验，是否应当结束原始位置α’的确定和缓存。例如，驱动控制器5能够在步骤s27中基于各个原始位置α’分别确定转子轴8的当前的转速n，并检验：当前的转速n是否达到或低于最低转速n2。最低转速n2可以是初始转速n1的合适百分比量，例如初始转速n1的60％和20％之间、尤其是50％和30％之间。根据图6，最低转速n2例如是2000u/min。当达到或低于最低转速n2的时候，结束原始位置α’的确定和缓存。在其它情况下，驱动控制器5返回到步骤s24。作为达到或低于最低转速n2的替换，例如在步骤s27中也可以检验：从原始信号x、y、α’的检测开始，转子轴8是否完成了一定数量的整圈转动、尤其是至少一个整圈转动。

当结束对原始位置α’的确定和缓存时，驱动控制器5转到步骤s28。在步骤s28中，驱动控制器5至少确定修正变量rej、imj。根据在缓存器10中存储的原始位置α’来进行修正变量rej、imj的确定。在此，不只利用唯一的原始位置α’，而是利用多个在缓存器10中存储的原始位置α’。在步骤s29中，驱动控制器5将确定的修正变量rej、imj存储在缓存器11中。由此，在接下来的正常运行中提供修正变量rej、imj以用于相应的实际位置α的确定。

驱动控制器5根据模型12将转子轴8的惯性转动模型化。模型12具有多个模型参数ki(i＝1，2，3…)。例如，模型12根据图2所示可以具有形式

在此，t是从电机1的无功运行开始到现在的时间t。作为通过时间t多项式的模型化的替换，也可以经由指数函数来模型化。

优选地，根据图5所示在步骤s28的范畴中，驱动控制器5不仅确定修正变量rej、imj，还附加地确定模型参数ki。只要在缓存器10中存储足够多的原始位置α’并将其提供用于对修正变量rej、imj和模型参数ki的确定，这便是容易实现的。

在步骤s27的范畴中，驱动控制器5确定修正变量rej、imj并如有可能根据超定的方程组确定模型参数ki。还优选的是，根据使得二幂误差最小化的方法进行这种确定。尤其地，驱动控制器5能够根据图7所示最终根据关系式

y＝(a^t·a)^-1·a^t·b(5)

来确定修正变量rej、imj和模型参数ki。

y是解向量y，其分量是所寻求的修正变量rej、imj和所寻求的模型参数ki。图8示出了一种情况中的解向量y，在其中，仅确定针对基波的修正变量re1、im1，并且在模型12中所考虑的时间t的最高次幂是三次幂，即除了修正变量re1、im1之外，还确定了模型参数k0、k1、k2和k3。图9示出了一种情况中的解向量y，在其中，除了用于基波的修正变量re1、im1之外，还确定用于第一谐波的修正变量re2、im2，并且在模型12中所考虑的时间t的最高次幂为三次幂。

a是一个矩阵，a^t是相应的转置矩阵。图10示出了一种情况中的矩阵a，在其中，仅确定了用于基波的修正变量re1、im1并且在模型12中考虑的时间t的最高次幂是三次幂。图11示出了一种情况中的矩阵a，在其中，除了用于基波的修正变量re1、im1之外还确定了用于第一谐波的修正变量re2、im2并且在模型12中所考虑的时间t的最高次幂为三次幂。tn是检测相应的原始位置α’的检测时间点tn。

根据图12所示，b是原始位置向量。

可行的是，在模型12中考虑的时间t的最高次幂是二次幂。在该情况下，在图8和9示出的解向量y中，去除了最后的分量并且与此相对应地在图10和11示出的矩阵a中去除了最后一列。同样可行的是，在模型12中考虑的时间t的最高次幂是四次幂。在这种情况下，在图8和9示出的解向量y中加入了附加作为另外的、在图8和9中未示出的、模型参数k4分量，并且与此相对应地在图10和11示出的矩阵a中加入了另外的分别录入了检测时间tn的四次幂的列。

综上，本发明因此公开了下述内容：

电驱动器具有通过变流器2供应电能的电机1。在正常运行中，用于电驱动器的驱动控制器5连续地从位置编码器9分别接收原始信号x、y、α’，该位置解码器检测电机1的转子轴8的转动位置，并且根据原始信号x、y、α’结合修正变量rej、imj分别确定转子轴8的实际位置α。根据相应的额定位置α*和相应的实际位置α、或根据相应的额定转速n*和在应用相应的实际位置α的条件下确定的电机1的相应的实际转速n，驱动控制器确定用于变流器2的相应的控制信号u*，并且驱动控制器将它们输出给变流器2。在特殊运行中，驱动控制器5首先确定用于变流器2的控制信号u*，转子轴8基于控制信号而以初始转速n1旋转，并且驱动控制器输出给变流器2。之后，驱动控制器在无功的情况下运行电机1，使得转子轴8惯性转动。在惯性转动期间，驱动控制器5从位置编码器9连续地分别接收原始信号x、y、α’，从这些原始信号中分别确定转子轴8的原始位置α’并且将它们存储。根据多个在特殊运行中确定的原始位置α’，驱动控制器确定修正变量rej、imj并且将其存储在修正变量存储器11中，从而在正常运行中，提供这些变量以用于确定相应的实际位置α。

本发明具有多个优点。尤其地，对修正变量rej、imj的确定能够在没有任何附加硬件的情况下实现。只需要本就存在的驱动控制器5和位置编码器9。尽管如此，能够足够准确地确定修正变量rej、imj。在实际位置α中剩余的残差(restfehler)能够减少到在相对应的原始位置α’中相应地存在的误差的20％以下。

尽管通过优选的实施例在细节上详细地阐述并描述了本发明，但本发明并不局限于所公开的实例，并且其它的变体能够由专业人员推导出，这并不脱离本发明的保护范围。