用于改进的电机驱动器调谐的系统和方法与流程

本文所公开的主题一般地涉及调谐电机驱动器，并且更特别地，涉及用于向用户提供电机驱动器系统中的、引起改进的较少调谐性能的设置的方法。

背景技术：

本领域技术人员已知利用电机驱动器来控制电机的操作。根据一个常见配置，电机驱动器包括直流(DC)母线，该DC母线具有适当量值的DC电压，可以从该DC电压中生成交流(AC)电压并且向电机提供该AC电压。可以将DC电压作为输入提供给电机驱动器，或者可替选地，电机驱动器可以包括整流器部，该整流器部将AC电压输入转换成DC母线上存在的DC电压。电机驱动器包括电力电子开关装置，如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、晶闸管、或可控硅整流器(SCR)。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导通电力电子装置，如续流二极管。反向导通电力电子装置被配置成在电力电子开关装置没有导通的时间间隔期间导通。电机驱动器中的控制器生成切换信号来选择性地导通或关断每个开关装置，以生成DC母线上的期望DC电压或期望电机电压。

电机驱动器接收用于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、速度或转矩。通过改变施加给定子的AC电压的幅度和频率来控制电机的位置、速度和转矩。电机连接至电机驱动器的输出端子，并且控制器生成切换信号来以预定切换频率快速地导通或关断开关装置，并且因此将DC母线与输出端子交替地相连接或者断开连接，并且进而将DC母线与电机交替地相连接或者断开连接。通过改变电机驱动器的输出端子连接至DC电压的每个切换周期期间的持续时间来改变输出电压的量值。电机控制器利用诸如脉冲宽度调制(PWM)的调制技术来控制切换以及合成具有期望幅度和频率的波形。

为了将命令信号转换成的期望输出电压，电机驱动器包括控制部。该控制部可以根据电机驱动器的性能需求而在复杂性方面改变。例如，用于控制泵的操作的电机驱动器可能仅需要响应于导通/关断命令来启动和停止泵。电机驱动器可能需要对泵的最小控制诸如加速时间和减速时间。相比之下，另外的电机驱动器可能控制伺服电机运动，例如机械加工中心的一个轴或者工业机械臂。电机驱动器可能不仅需要启动和停止电机，而且还需要以各种操作速度和/或转矩来操作或者遵循位置命令。电机控制可以包括多个控制环，如位置控制环、速度控制环、转矩控制环或电流控制环或者前述的组合。每个控制环可以包括例如比例(P)控制器、积分(I)控制器或微分(D)控制器以及用于控制环中的每个控制器的、关联的控制器增益值，并且每个控制环还可以需要附加的反馈和/或前馈控制器增益值。为了实现电机的期望操作性能，需要适当地选择与每个控制环相关联的控制器及关联的控制器增益值。

然而，选择控制器和关联的控制器增益值可能是复杂的处理。对一个控制环中的控制器增益值的调整可以影响另外的控制环的性能。虽然控制环可以彼此并联或串联，但是控制系统最终存在单个输入和单个输出。沿着一个环来调整控制器增益值影响一个或者更多个其他控制器增益值的性能。控制器增益值的相互作用经常需要耗时耗力的迭代方法来选择增益值以实现期望性能水平。

连接至电机的负载的动态特性通常要求对增益值的进一步调整。与具有柔性耦接或利用负载与电机之间的齿隙来耦接的负载相比，与电机刚性耦接的负载通常需要不同的增益值。增益值随着齿隙和/或柔度水平的增大而减小。随着负载惯量与电机惯量之比增大，柔度和齿隙的影响被放大。例如，与用于相同的耦接以及低的负载惯量与电机惯量之比的控制器增益值相比，具有小柔度水平的耦接以及高的负载惯量与电机惯量之比通常引起显著较小的控制器增益值。对于刚性耦接的负载产生期望性能的控制器增益值可能激起(excite)对于柔性耦接的负载的谐振操作点。因此，改变齿隙和/或柔度水平导致用于每个应用的唯一的一组控制器增益值。成功设置用于实现每个应用的期望性能水平的控制器增益值通常花费时间，并且需要有技能的技术人员。许多公司并不拥有这样的技术人员，并且可能需要从电机驱动器的制造商雇佣现场服务技术人员。这可能显著地增加启动和试运行(commission)新的控制系统的成本。一些公司可能选择将控制器增益值设置成降低的性能水平以确保受控系统的稳定性。然而，降低的性能水平可能会由于在小于最大容量下操作而导致在操作期间丢失收益。

因此，期望向用户提供具有下述设置的电机驱动器：该设置引起改进的较少调谐性能。

技术实现要素：

本文所公开的主题描述了一种系统和方法，其用于向用户提供具有下述控制器设置的电机驱动器：该控制器设置引起改进的较少调谐性能。电机驱动器包括控制模块，该控制模块具有：内部控制环，其能够操作以生成用于实现连接至电机驱动器的电机的期望操作的转矩参考信号；以及负载观测器，其能够操作以生成对电机上存在的负载转矩进行估计的信号。将转矩估计信号与转矩参考信号进行组合以生成经修改的转矩参考信号，该经修改的转矩参考信号将生成与连接至电机驱动器的空载电机类似的期望运动。将负载观测器的带宽设置成足够宽，以生成在电机的期望操作范围上的估计的负载转矩。根据负载观测器的带宽来确定控制模块内的速度环和位置环的控制器增益值。控制模块包括至少一个滤波器，并且根据本发明的一个实施例，控制模块包括低通滤波器和至少一个跟踪陷波滤波器。将低通滤波器的通频带设置成大于负载观测器的带宽，并且优选地是负载观测器的带宽的大约五倍。低通滤波器对高频率处的振动进行抑制。然后，跟踪陷波滤波器可以用于对下述频率处存在的谐振进行抑制：这些频率高于负载观测器的带宽并且在低通滤波器的通频带内。在电机的操作期间，电机驱动器监测来自电机的反馈以确定具有最大幅度的谐振的频率。在电机的操作期间，电机驱动器将调整陷波滤波器的频率以跟踪谐振的频率并且减轻或消除谐振的影响。

根据本发明的一个实施例，公开了一种用于控制电机的操作的方法，该电机在操作上连接至电机驱动器。确定能够在电机驱动器中执行的负载观测器的带宽，其中，该带宽大于或等于从在操作上连接至电机的负载生成的期望转矩响应带宽。从电机驱动器的存储器读取电机惯量值，其中，该电机惯量值对应于当没有负载连接至电机时电机的惯量值。电机驱动器中的处理器执行控制模块，该控制模块包括：内部控制环、负载观测器、求和结点、至少一个滤波器以及惯量比例因子。内部控制环生成与电机的期望操作对应的第一转矩参考信号，并且负载观测器生成与电机上存在的负载对应的估计转矩信号。求和结点将第一转矩参考信号与估计转矩信号进行组合，以生成第二转矩参考信号。滤波器被配置成接收第二转矩参考信号作为输入并且提供经滤波的转矩参考信号作为输出，并且惯量比例因子是应用于经滤波的转矩参考信号以生成电机的期望转矩命令的增益。根据期望转矩命令从电机驱动器向电机供应期望电压或期望电流。

根据本发明的另一实施例，公开了一种用于控制电机的电机驱动器，该电机在操作上连接至电机驱动器。电机驱动器包括DC母线、逆变器部、存储器装置、以及控制器，其中，DC母线具有正轨和负轨。DC母线能够操作以在正轨与负轨之间接收DC电压。逆变器部具有多个开关元件，其中，每个开关元件由选通信号控制。逆变器部能够操作以接收来自DC母线的DC电压并且提供电机驱动器的输出处的AC电压。存储器装置能够操作以存储多个指令和多个配置参数，其中，配置参数包括与电机的空载状态对应的电机惯量值。控制器能够操作以执行多个指令以确定负载观测器的带宽，其中，该带宽大于或等于从在操作上连接至电机的负载生成的期望转矩响应带宽。控制器从存储器装置读取电机惯量值，并且将惯量比例因子设置成等于电机惯量值。利用内部控制环生成与电机的期望操作对应的第一转矩参考信号，并且利用负载观测器生成与电机上存在的负载对应的估计转矩信号。在求和结点处将第一转矩参考信号与估计转矩信号进行组合，以生成第二转矩参考信号。执行至少一个滤波器，所述至少一个滤波器被配置成接收第二转矩参考信号作为输入并且提供经滤波的转矩参考信号作为输出。将惯量比例因子应用于经滤波的转矩参考信号，以生成电机的期望转矩命令。电机驱动器还包括门驱动器模块，该门驱动器模块能够操作以根据来自控制器的期望转矩命令来生成用于逆变器部中的多个开关元件中的每个开关元件的选通信号。

根据详细描述和附图，本发明的这些优点和特征以及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，应当理解的是，尽管详细描述和附图指示本发明的优选实施例，但详细描述和附图通过说明的方式给出并且是非限制性的。在不偏离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内做出多种变化和修改，并且本发明包括所有这样的修改。

附图说明

在附图中示出本文所公开的主题的各种示例性实施例，在附图中自始至终相似的附图标记表示相似的部件，并且在附图中：

图1是包括本发明的一个实施例的电机驱动器的框图；

图2是来自图1的电机驱动器中的整流器部的框图表示；

图3是来自图1的电机驱动器中的逆变器部和门驱动器模块的框图表示；

图4是来自图1的电机驱动器中的控制模块的一个实施例的框图表示；以及

图5是来自图4的控制模块中的滤波器部的框图表示。

在描述附图所示的本发明的各种实施例时，为了清楚起见将采用特定术语。然而，这并非意在本发明被限制于所选择的特定术语，并且应当理解的是，每个特定术语包括以同样的方式操作来达到同样的目的的所有技术等同物。例如，经常使用措辞“连接”、“附接”或与之类似的术语。它们并非被限制于直接连接而是包括通过其他元件进行的连接，其中，本领域技术人员将这样的连接认为是等价的。

具体实施方式

首先转到图1，根据本发明的一个实施例，电机驱动器10被配置成在电机驱动器10的输入15处接收三相AC电压，该三相AC电压进而被提供给电机驱动器10的整流器部20。整流器部20可以包括适合于本领域所理解的有源或无源整流的任何电子装置。另参照图2，所示出的整流器部20包括形成二极管电桥的一组二极管22，该二极管电桥将三相AC电压整流成DC母线25上的DC电压。可选地，整流器部20可以包括用于将输入电力15转换成DC母线25的DC电压的其他固态装置，这些固态装置包括但不限于晶闸管、可控硅整流器(SCR)或晶体管。DC电压存在于DC母线25的正轨27与负轨29之间。DC母线电容器24连接在正轨27与负轨29之间，以减小由将AC电压转换成DC电压所产生的纹波电压的量值。应当理解的是，DC母线电容器24可以是单个电容器或者并联连接、串联连接或前述组合连接的多个电容器。负轨29与正轨27之间的DC电压的量值一般等于AC输入电压的峰值的量值。

DC母线25串联连接在整流器部20与逆变器部30之间。另参照图3，逆变器部30包括开关元件，如本领域公知的晶体管、晶闸管或SCR。所示出的逆变器部30包括在正轨27与输出电压的每个相之间以及在负轨29与输出电压的每个相之间成对连接的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)32和续流二极管34。IGBT 32中的每个IGBT接收选通信号31，以选择性地启用晶体管32并将来自DC母线25的DC电压转换成用于电机40的受控三相输出电压。当被启用时，每个晶体管32将DC母线25的相应轨27、29连接至电导体33，该电导体33连接在晶体管32与输出端子35之间。电导体33是根据应用需求(例如，电机驱动器10的额定值)而选择的，并且可以例如是下述汇流条或电路板上的导电表面：所述汇流条连接至包括晶体管32的电力模块的端子，晶体管32安装至所述电路板。电机驱动器10的输出端子35可以经由线缆连接至电机40，其中，所述线缆包括连接至输出端子35中的每个端子的电导体。

使用一个或者更多个模块来控制电机驱动器10的操作。根据图1所示的实施例，控制器50包括模块并且管理模块的执行。所示出的实施例并非意在是限制性的，并且应当理解的是，可以由另外的模块执行下面所讨论的每个模块的各个功能特征，以及/或者在不偏离本发明的范围的情况下其他模块的各种组合可以包括在控制器50中。模块可以是在一个或者更多个处理器、逻辑电路或前述组合上执行的存储程序。可以例如以微处理器、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的装置来实现控制器50。电机驱动器10还包括与控制器50通信的存储器装置45。存储器装置45可以包括暂态存储器、非暂态存储器或前述组合。存储器装置45可以被配置成存储数据和程序，其中，程序包括可以由控制器50执行的一系列指令。可预期的是，存储器装置45可以是单个装置、多个装置或例如合并为诸如专用集成电路(ASIC)的另外的装置的一部分。控制器50与存储器45进行通信，以根据需要读取指令和数据以控制电机驱动器10的操作。

根据本发明的一个实施例，控制器50接收用于标识电机40的期望操作的参考信号47，该电机40连接至电机驱动器10。参考信号47可以例如是位置参考(θ*)、速度参考(ω*)或转矩参考(T*)。对于高性能的伺服控制系统，参考信号47通常是位置参考信号(θ*)。

控制器50还接收用于指示电机驱动器10的当前操作的反馈信号。根据所示的实施例，控制器50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、放大器以及如本领域将理解的用于将第一格式的反馈信号转换成适合于控制器50使用的第二格式的信号所需的任何其他部件。电机驱动器10可以包括DC母线25上的电压传感器51和/或电流传感器52，用于生成与DC母线25上存在的电压和/或电流的量值对应的反馈信号。电机驱动器10还可以包括在逆变器部30的输出相上的一个或者更多个电压传感器53和/或电流传感器54，用于生成与在电机驱动器的逆变器部30与输出端子35之间的电导体33上存在的电压和/或电流的量值对应的反馈信号。位置反馈装置44可以连接至电机40，并且能够操作以生成与电机40的角位置对应的位置反馈信号(θ)。

控制器50利用反馈信号和参考信号47来控制逆变器部30的操作，以生成用于电机40的具有期望量值和频率的输出电压。反馈信号被反馈模块65处理，并且其根据需要被转换成用于控制模块55的信号。控制模块55还接收参考信号47，并且响应于参考信号47和反馈信号而执行以向门驱动器模块60生成期望输出电压信号。门驱动器模块60例如通过脉冲宽度调制(PWM)或者通过其他调制技术来生成选通信号31。随后，选通信号31启用/禁用晶体管32以向电机40提供期望输出电压，这进而引起耦接至电机40的机械负载42的期望操作。

接下来参考图4，示出了根据本发明的一个实施例的控制模块55。控制模块55接收位置参考信号(θ*)作为输入。在第一求和结点102处，将位置参考信号(θ*)与位置反馈信号(θ)相比较。位置误差信号被从第一求和结点102输出，并且被输入至位置环控制器104。根据示出的实施例，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(ω*)。

在第二求和结点106处，将速度参考信号(ω*)与速度反馈信号(ω)相比较。速度反馈信号(ω)由负载观测器110生成，这将在下面更加详细地进行讨论。速度误差信号被从第二求和结点106输出，并且被输入至速度环控制器108。根据示出的实施例，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55还可以包括前馈支路。根据示出的实施例，控制模块55包括速度元件和加速度元件二者的前馈支路。使位置参考信号(θ*)通过第一微分元件112以获得速度前馈信号。将速度前馈信号乘以速度前馈增益(Kvff)114，并且在第二求和结点106处与速度参考信号(ω*)和速度反馈信号(ω)进行组合。使速度前馈信号通过第二微分元件116以获得加速度前馈信号。将加速度前馈信号乘以加速度前馈增益(Kaff)118，并且在第三求和结点120处与加速度参考信号进行组合。

第三求和结点120的输出可以是加速度参考信号或转矩参考信号，并且在第四求和结点121处与来自负载观测器110的反馈信号进行组合。角加速度与用于产生该加速度所需的转矩成比例。因此，可以在第四求和结点之前或之后施加比例因子，以将加速度转换成转矩。根据本发明的一个实施例，负载观测器110向控制系统提供存在于电机轴处的估计的负载转矩T^～，在第四求和结点121处将该估计的负载转矩T^～与转矩参考信号T*进行组合。

将第四求和结点121的输出作为输入提供给滤波器部122。滤波器部122可以包括一个或者更多个滤波器，以从控制系统移除不需要的分量。另参考图5，所示出的滤波器部122包括：低通滤波器132，其使不期望的高频分量衰减；以及陷波滤波器134，其使对受控机械负载42具有不期望的影响的特定频率分量衰减。根据本发明的一个实施例，并且如将在下面更加详细讨论的，陷波滤波器134是跟踪陷波滤波器134，该跟踪陷波滤波器134监测电机40的性能和控制系统的性能，并且该跟踪陷波滤波器134自适应性地调整下述频率：陷波滤波器134被设置在该频率处，以获得期望性能。还可预期的是，在不偏离本发明的范围的情况下，滤波器部122中可以包括另外的滤波器。将滤波器部122的输出提供给惯量比例块124，并且惯量比例块124应用与受控系统的惯量对应的增益。惯量比例块124的增益包括电机惯量值Jm、以及负载惯量Jl与电机惯量Jm之比R。

根据示出的实施例，惯量比例块124还包括转矩常数Kt的倒数，该转矩常数Kt定义了由电机输出的转矩与提供给电机40的电流之间的关系。转矩常数Kt的倒数将该转矩参考信号转换成电机驱动器10内的电流参考。电机驱动器10还可以包括控制模块55、门驱动器模块60或独立模块中的电流控制器(未示出)。向电机40供应期望电流，并且如图4中所建模的，通过受控系统的转矩增益块126和设备(plant)130来提供该期望电流，该转矩增益块126包括转矩常数Kt。在运动控制系统中，设备130通常包括：电机驱动器10的逆变器部30、电机40、机械负载42和位置反馈装置44。位置反馈装置44生成由控制模块55使用的位置反馈信号(θ)。

再次参照图1，将控制模块55的输出作为输入提供给门驱动器模块60。门驱动器模块60将输入转换成具有可变幅度和频率的期望输出电压。在已经确定用于产生期望输入所需的输出电压的情况下，门驱动器模块60生成选通信号31，选通信号31被脉冲宽度调制(PWM)或者其他调制技术用于控制逆变器部30中的开关元件以产生期望输出电压。随后，选通信号31启用/禁用开关元件32以向电机40提供期望输出电压，这进而引起与电机40耦接的机械负载42的期望操作。

如上面所讨论的，控制模块55可以包括影响电机驱动器10的性能的多个控制器增益和滤波器设置。需要调整控制器增益值和滤波器设置以实现期望的性能水平。针对控制器增益值和滤波器设置中的每一者的设置被存储在存储器装置45的非易失性部分中的配置参数中，以在电力被从电机驱动器10移除时保留这些设置。通常，在向电机驱动器10施加电力时将这些设置转移到存储器装置45的易失性部分中，以提供对值的快速读取以供在执行控制模块55时使用。

根据本发明的一个实施例，滤波器设置和控制器增益值的选择基于电机40和电机驱动器10的驱动模型时间常数(DMTC)的确定。DMTC是在电机驱动器10的转矩环内发生的延迟之和。根据电机驱动器10中的多个变量而确定转矩环的响应。在高水平上，可以将响应看作电机驱动器10为向电机40生成用于实现期望性能的输出所花费的时间。如前面所讨论的，电机驱动器10包括可以在控制模块55、门驱动器模块60或独立模块中实现的电流控制器。电流控制器将来自控制模块55的电流参考信号与来自电流传感器54中的一个或者更多个电流传感器54的电流反馈信号相比较，并且确定电流误差信号。电机驱动器10将电流误差信号转换成对电流误差信号进行补偿所需要的输出电压，并且生成用于开关装置32的选通信号31，该选通信号31将引起期望输出电压。针对电流控制器而选择的控制器增益值导致电流控制器的时间常数。电流控制器的时间常数是用于电机驱动器10的DMTC的一个分量。

DMTC的第二分量是反馈信号被采样的速率。如上面所讨论的，反馈模块65接收例如与存在于DC母线25上或存在于电机驱动器10的输出处的导体33上的电流和/或电压对应的信号。需要以离散间隔对这些信号进行采样，并将其转换成适合于控制器50使用的数字值。电机驱动器10以周期间隔执行，以对反馈信号进行采样并根据新采样的反馈信号来重新计算期望输出电压。反馈被采样的周期是DMTC的另一分量。此外，除了执行控制模块55之外，电机驱动器10中的控制器50还可以对多个功能负责，诸如与外部装置通信或在显示器上向技术人员提供信息作为反馈。因此，对期望输出电压的计算可能不在对参考信号采样之后立即发生。同样，用于完成控制模块55的执行所需的步骤中的每个步骤需要有限的计算时间。与在对反馈信号采样之后完成用于确定期望输出电压的计算所需的时间量对应的计算延迟是DMTC的另一分量。

由图4可以看出，基于由位置反馈装置44生成的位置反馈信号θ并且基于由负载观测器110确定的速度反馈信号ω来确定转矩参考信号T*。在确定速度反馈信号的处理期间，可以将滤波器应用于位置反馈信号θ。对位置反馈信号θ的滤波减小了来自速度反馈信号的不期望的分量，并且进而减小来自速度控制器108所生成的转矩参考信号T*的不期望的分量。然而，如果存在滤波器，则滤波器将附加的延迟引入转矩环中，并且因此，其也被看作为DMTC的分量。

因此，可以将电机驱动器的DMTC确定为下述之和：电流控制器的时间常数、电机驱动器的反馈采样周期、电机驱动器的计算延迟、以及电机驱动器的速度反馈滤波时间。可预期的是，这些值将基于电机驱动器10和/或与电机驱动器10相连的电机40而变化。这些值可以是固定值，或者可选地，可以通过小键盘和/或在计算机上或在电机驱动器10外部的其他装置上执行的编程软件来对这些值进行配置。在初始试运行期间或当上电时，电机驱动器10可以基于下述之和来确定DMTC：电流控制器的时间常数、反馈采样周期、计算延迟、以及电机驱动器的速度反馈滤波时间。

在已经确定了DMTC的情况下，控制器50可以确定控制模块55中的控制器增益值中的每个控制器增益值。根据本发明的一个实施例，负载观测器110的带宽等于1/(2π·DMTC)。优选地，可以将速度环控制器108的带宽和位置环控制器104的带宽彼此间隔开并且与负载观测器110的带宽间隔开足够的量，以提供稳定的控制模块55。当控制器如图4所示级联时，期望从最外面的控制环起将向内依次定位的每个控制环的带宽设置在较高带宽处，以使得内部控制环能够响应由外部控制环生成的命令。

根据本发明的一个实施例，速度环控制器108的带宽是负载观测器110的带宽的四分之一，并且位置环控制器104的带宽是速度环控制器108的带宽的四分之一。还可预期的是，可以根据电机驱动器10内的期望阻尼水平ζ来确定位置环控制器104和速度环控制器108的带宽。除了使相继环的带宽以四倍间隔开之外，还可以使上述带宽的间隔为电机驱动器10内的期望阻尼水平ζ的平方。因此，可以将速度环控制器108的带宽设置为负载观测器110的带宽的1/(4ζ²)倍，并且可以将位置环控制器104的带宽设置为速度环控制器108的带宽的1/(4ζ²)倍。与DMTC的确定类似，可以在初始试运行期间或当上电时在电机驱动器10中确定控制器增益值中的每个控制器增益值。还可预期的是，可以一次确定增益值，并且将该增益值存储在存储器装置45中用于电机驱动器10的后续操作。

控制模块55包括至少一个滤波器，并且根据本发明的一个实施例，控制模块55包括低通滤波器132和至少一个跟踪陷波滤波器134。将低通滤波器132的通频带设置成大于负载观测器110的带宽，并且优选地是负载观测器110的带宽的大约五倍。低通滤波器132抑制在高频率处的振动。然后，跟踪陷波滤波器134可以用于对在下述频率处存在的谐振进行抑制：这些频率高于负载观测器110的带宽，且处于低通滤波器132的通频带内。如下面将更加详细地讨论的，电机驱动器10在电机40的操作期间监测来自电机40的反馈并且确定具有最大幅度的谐振的频率。在电机40的操作期间，电机驱动器10将调整陷波滤波器134的频率以跟踪谐振的频率并且减轻或消除谐振的影响。

在操作中，负载观测器110能够操作以对施加给电机40的负载42的惯量进行补偿，并且抑制在电机40的期望操作带宽内检测到的振动和谐振。惯量比例块124可以被配置成忽略负载惯量Jl，并且负载观测器110对负载动态特性进行补偿。因此，可以从存储器装置45中读取与当没有负载连接至电机40时电机40的惯量值对应的电机惯量值，并且可以在惯量比例块124中将该电机惯量值用作为电机惯量Jm。优选地，将负载惯量Jl与电机惯量Jm之比R设置为零。这可以通过将比率R直接设置为零或者通过将负载惯量Jl设置为零并随后确定比率R来完成。如图4所示，通过将比率R设置为零，惯量比例块124的惯量分量变成等于当没有负载连接至电机40时电机40的惯量值。

由于控制器50被配置成控制空载电机40，因此可以提前确定控制器增益值并且将其存储在存储器装置45中。可以将与多个电机40对应的表存储在存储器45中，这些电机40可以连接至电机驱动器10。可以例如由电机驱动器10的制造商来执行空载电机40的初始试运行，以确定空载电机40和电机驱动器10的操作特性。可以针对电机40中的每个电机确定一组带宽、滤波器设置以及控制器增益值并且将其存储在存储器45中的表中。然后，终端用户可以根据应用需求从表中选择将要连接至电机驱动器10的电机40中的一个，并且所存储的带宽和控制器增益值中的每个带宽和控制器增益值可以从存储装器45中的表中读取并且被用作为电机驱动器10的操作参数。

虽然可以设置陷波频率F_N的初始值，但是可能需要在操作期间调整该值以维持期望的性能。包括但不限于温度波动、湿度变化以及部件磨损的可变条件可以引起受控系统的动态特性发生变化。另外，在控制模块55的初始调谐期间没有观测到的谐振操作点可能在受控系统的操作期间出现。因此，在电机40的操作期间，控制器50可以调整陷波频率F_N，以跟踪现有谐振的变化或受控系统中形成的新谐振。

如上面所指示的，还可预期的是，控制器50被配置成在电机40的操作期间自动地调整跟踪陷波滤波器134的频率。最初可以将陷波滤波器的频率F_N设置在负载观测器100的带宽与低通通频带之间的频率处，或者可选地，可以向系统施加已知参考信号以确定受控系统的谐振频率。已知参考信号可以例如是以已知速率变化的位置参考信号(θ*)、速度参考信号(ω*)、或转矩参考信号(T*)。当将已知参考信号施加给系统时，测量与受控系统的响应对应的信号。优选地，该信号对应于内部计算的信号或测量的反馈信号，该内部计算的信号或测量的反馈信号与当施加已知参考信号时向电机40输出的转矩和/或电流有关。根据本发明的一个实施例，将来自逆变器部30的输出处的电流传感器54中之一的反馈信号用于响应数据。当电机40正进行操作时的电流反馈信号的一系列值被采样并且被存储在存储器装置中。可以根据一系列的所存储的值来确定系统的频率响应，并且将初始陷波频率F_N设置成在频率响应中识别的谐振频率。

频率响应是在信号的量值和相位为频率的函数的情况下对该信号的测量。为了确定信号的频率响应，可以确定定义该信号的连续函数，并且执行该连续函数的傅里叶变换。傅里叶变换将该函数表示为在无限频率区间上频率的函数。然而，确定连续函数的傅里叶变换的计算强度很大。为了将信号的频率分析的计算需求减小为用于实时控制的适当水平，以采样频率在所限定的采样区间上对信号进行采样，并且将采样数据存储在存储器中。对采样数据执行离散傅里叶变换(DFT)，以将所存储的信号表示为具有在有限频率区间上采样的信号的量值和相位信息的复向量的离散集。

根据本发明的一个实施例，控制器50监测受控系统内的两个信号。第一所监测信号对应于命令信号，并且第二所监测信号对应于响应信号。参照图4，所监测的命令信号可以是位置参考信号(θ*)、速度前馈信号或加速度前馈信号。优选地，将命令信号选择为加速度前馈信号。可以在第三求和结点120之后并且在向设备130输出之前取得所监测的响应信号。优选地，所监测的响应信号在滤波器122之后并且在转矩增益块126之前。

在电机驱动器10正进行操作的情况下，控制器50持续定期将所监测信号的值存储在存储器装置45中。优选地，在存储器装置45中限定具有固定长度的缓冲器，并且基于先入先出(FIFO)将数据存储在缓冲器中。控制器50获得所监测的命令信号和所监测的响应信号二者的存储数据的频率响应，同时还控制电机40的操作。评估DFT以确定所存储的信号的频率响应。控制器50分别基于所监测的命令信号和所监测的响应信号来生成命令频谱和响应频谱，命令频谱和响应频谱中的每一个均识别具有最大量值信息的一个频率或多个频率。在频率响应中，具有最大量值信息的一个频率或多个频率是被受控系统最大程度激起的频率，并且可能需要减小在这些频率处的响应。

然后，控制器50评估命令频谱和响应频谱，以确定如何最佳地响应于所识别的频率。例如，如果控制器50正被命令执行重复的操作，则响应频谱中的具有最大量值的频率可能是期望操作，并且因此可以对应于命令频谱中的频率。对控制器50进行调谐以减小响应频谱中的这个频率的量值将会使期望的响应去谐。然而，如果在响应频谱中被识别为具有最大量值信息的频率不在命令频谱中，则控制器50可以将陷波频率F_N调整成对应于谐振频率以减小或减轻该响应。

应当理解的是，本发明在其应用中不限于本文所阐述的部件的结构和布置的细节。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式来实践或执行。前述的变型和修改处于本发明的范围内。还要理解的是，本文所公开和限定的发明延伸至文本和/或附图所提及的或从文本和/或附图明显看出的各特征中的两个或更多个特征的所有可替选的组合。所有这些不同组合构成本发明的各种可替选的方面。本文所描述的实施例说明了已知用于实践本发明的最好模式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

本技术还可以被配置成如下：

配置1.一种用于控制电机的操作的方法，所述电机在操作上连接至电机驱动器，所述方法包括下述步骤：

确定能够在所述电机驱动器中执行的负载观测器的带宽，其中，所述带宽大于或等于从在操作上连接至所述电机的负载所生成的期望转矩响应带宽；

从所述电机驱动器的存储器读取电机惯量值，其中，所述电机惯量值对应于当没有负载连接至所述电机时所述电机的惯量值；

利用所述电机驱动器中的处理器来执行控制模块，其中，所述控制模块包括：

内部控制环，其生成与所述电机的期望操作对应的第一转矩参考信号；

所述负载观测器，其生成与所述电机上存在的所述负载对应的估计转矩信号；

求和结点，其将所述第一转矩参考信号与所述估计转矩信号进行组合以生成第二转矩参考信号；

至少一个滤波器，其被配置成接收所述第二转矩参考信号作为输入并且提供经滤波的转矩参考信号作为输出；以及

惯量比例因子，其被设置成等于所述电机惯量值，其中，所述惯量比例因子是应用于所述经滤波的转矩参考信号以生成所述电机的期望转矩命令的增益；以及

根据所述期望转矩命令从所述电机驱动器向所述电机供应期望电压和期望电流中的至少一个。

配置2.根据配置1所述的方法，其中，所述负载观测器的带宽是驱动模型时间常数DMTC的函数，并且所述驱动模型时间常数被确定为以下项之和：所述电机驱动器的电流控制器的时间常数、所述电机驱动器的反馈采样周期、所述电机驱动器的计算延迟、以及所述电机驱动器的速度反馈滤波器的时间常数。

配置3.根据配置2所述的方法，其中，所述负载观测器的带宽等于所述驱动模型时间常数与2π的乘积的倒数。

配置4.根据配置1所述的方法，其中，所述至少一个滤波器包括跟踪陷波滤波器，并且其中，所述跟踪陷波滤波器的陷波频率被设置成大于或等于所述负载观测器的带宽。

配置5.根据配置4所述的方法，还包括下述步骤：

在所述电机的操作期间，识别供应给所述电机的所述期望电压和所述期望电流中的至少一个中所存在的至少一个谐振频率；以及

将所述陷波频率设置成等于所述至少一个谐振频率中的下述谐振频率的频率：该谐振频率的幅度大于其他谐振频率中的每个谐振频率的幅度。

配置6.根据配置1所述的方法，其中，所述内部控制环包括位置控制环和速度控制环中的至少一个，并且所述位置控制环和所述速度控制环各自包括比例控制器和积分控制器。

配置7.根据配置6所述的方法，其中，所述速度控制环的比例控制器的带宽等于下述值：所述负载观测器的带宽除以期望阻尼因子的平方并且除以四，所述位置控制环的比例控制器的带宽等于下述值：所述速度控制环的比例控制器的带宽除以所述期望阻尼因子的平方并且除以四，并且所述速度控制环和所述位置控制环二者的积分增益值均为零。

配置8.根据配置7所述的方法，其中，所述期望阻尼因子是一。

配置9.一种用于控制电机的电机驱动器，所述电机在操作上连接至所述电机驱动器，所述电机驱动器包括：

直流母线，其具有正轨和负轨，其中，所述直流母线能够操作以在所述正轨与所述负轨之间接收直流电压；

逆变器部，其具有多个开关元件，其中，每个开关元件由选通信号控制，并且其中，所述逆变器部能够操作以接收来自所述直流母线的所述直流电压并且提供所述电机驱动器的输出处的交流电压；

存储器装置，其能够操作以存储多个指令和多个配置参数，其中，所述配置参数包括与所述电机的空载状态对应的电机惯量值；

控制器，其能够操作以执行所述多个指令以：

确定负载观测器的带宽，其中，所述带宽大于或等于从在操作上连接至所述电机的负载生成的期望转矩响应带宽，

从所述存储器装置读取所述电机惯量值，

将惯量比例因子设置成等于所述电机惯量值，

利用内部控制环生成与所述电机的期望操作对应的第一转矩参考信号，

利用所述负载观测器生成与所述电机上存在的所述负载对应的估计转矩信号，

在求和结点处将所述第一转矩参考信号与所述估计转矩信号进行组合，以生成第二转矩参考信号，

执行至少一个滤波器，所述至少一个滤波器被配置成接收所述第二转矩参考信号作为输入并且提供经滤波的转矩参考信号作为输出，以及

将所述惯量比例因子应用于所述经滤波的转矩参考信号，以生成所述电机的期望转矩命令；以及

门驱动器模块，其能够操作以根据来自所述控制器的所述期望转矩命令来生成用于所述逆变器部中的所述多个开关元件中的每个开关元件的选通信号。

配置10.根据配置9所述的电机驱动器，其中，所述负载观测器的带宽是驱动模型时间常数DMTC的函数，并且所述驱动模型时间常数被确定为以下项之和：所述电机驱动器的电流控制器的时间常数、所述电机驱动器的反馈采样周期、所述电机驱动器的计算延迟、以及所述电机驱动器的速度反馈滤波器的时间常数。

配置11.根据配置10所述的电机驱动器，其中，所述负载观测器的带宽等于所述驱动模型时间常数与2π的乘积的倒数。

配置12.根据配置9所述的电机驱动器，其中，所述至少一个滤波器包括跟踪陷波滤波器，并且其中，所述跟踪陷波滤波器的陷波频率被设置成大于所述负载观测器的带宽。

配置13.根据配置12所述的电机驱动器，其中，所述控制器还能够操作以：

识别在所述电机的操作期间供应给所述电机的所述期望电压和所述期望电流中的至少一个中所存在的至少一个谐振频率，以及

将所述陷波频率设置成等于所述至少一个谐振频率中的下述谐振频率的频率：该谐振频率的幅度大于其他谐振频率中的每个谐振频率的幅度。

配置14.根据配置9所述的电机驱动器，其中，所述内部控制环包括位置控制环和速度控制环中的至少一个，并且所述位置控制环和所述速度控制环各自包括比例控制器和积分控制器。

配置15.根据配置14所述的电机驱动器，其中，所述速度控制环的比例控制器的带宽等于下述值：所述负载观测器的带宽除以期望阻尼因子的平方并且除以四，所述位置控制环的比例控制器的带宽等于下述值：所述速度控制环的比例控制器的带宽除以所述期望阻尼因子的平方并且除以四，并且所述速度控制环和所述位置控制环二者的积分增益值均为零。

配置16.根据配置15所述的电机驱动器，其中，所述期望阻尼因子是一。

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