使用频率响应调节电机驱动器的方法与流程

本文所公开的主题总体上涉及调节电机驱动器，并且更具体地涉及用于利用频率响应分析调节高性能电机驱动系统的方法。

背景技术：

如本领域技术人员已知的，电机驱动器用于控制电机的操作。根据一个通常配置，电机驱动器包括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电压并将AC电压提供给电机。DC电压可以作为输入被提供给电机驱动器，或者交替地电机驱动器可以包括整流器部，该整流器部将输入的AC电压转换为DC总线上出现的DC电压。电机驱动器包括电力电子开关装置，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、晶闸管或硅控整流器(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装置(例如续流二极管)。反向导通电力电子装置被配置成在电力电子开关装置不导通的时间间隔期间进行导通。电机驱动器中的控制器生成开关信号以选择性地接通或关断每个开关装置，从而生成DC总线上的期望DC电压或期望的电机电压。

电机驱动器接收表示电机的期望操作的命令信号。命令信号可以是电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电压的每个开关时段的持续时间，输出电压的幅值变化。电机控制器利用调制技术(例如脉冲宽度调制(PWM))来控制开关以及合成具有期望振幅和频率的波形。

为了将命令信号转换为期望的输出电压，电机驱动器包括控制部。控制部可以根据电机驱动器的性能要求在复杂性方面不同。例如，电机驱动器控制泵的操作可仅需要响应于通/断命令来启动和停止泵。电机驱动器可能需要最低程度的控制，例如泵的加速时间和减速时间。相比之下，另一电机驱动器可以控制伺服电机移动例如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/或转矩进行操作或者跟随位置命令。电机控制器可以包括多个控制电路，例如位置控制电路、速度控制电路、转矩控制电路或电流控制电路、或者以上所述的组合。每个控制电路可以包括例如在每个路径中具有关联的控制器增益的比例(P)控制路径、积分(I)控制路径或微分(D)控制路径，并且可能还需要额外的反馈和/或前馈控制增益。为了实现电机的期望操作性能，需要适当地选择控制路径以及与每个路径相关联的控制增益。

然而，选择控制增益以实现期望的性能水平具有一定的挑战。虽然控制路径可以彼此并联或串联，但是最终对于控制系统存在单个输入和单个输出。沿一个路径调节控制增益影响一个或更多个其他路径的性能。沿各个路径控制增益的相互作用通常需要时间及劳动密集迭代方法来选择控制增益，以实现期望的性能水平。此外，所选择的最终控制增益常常引起劣于最佳性能，以避免接近控制增益中的一个控制增益会引起控制系统不稳定的操作区域。

为了实现控制系统的更好性能，一些控制器提供自动调节过程。然而，现有的自动调节过程同样具有一定缺点。控制器通常仅获知受控系统的一部分的特性。例如，受控系统可以包括电机、电机控制器中容纳的硬件、到受控负载的物理耦接件以及受控负载。控制器可以获知电机的和电机控制器内的硬件的特性，但可能需要关于受控系统的其余部分进行假设。例如，自动调节过程可能期望受控负载至电机的“刚性”耦接或者低惯量比。受控系统的这种特性更密切地代表了理想系统，并且降低了确定控制器增益的复杂性。如果负载具有至电机的“兼容”耦接或具有高惯量比，则可以存在各种谐振工作点。当存在谐振工作点时，自动调节过程通常无法识别控制器增益或者识别到控制器增益，其中控制器增益引起来自受控负载的慢响应以避免激发谐振工作点。这种不良调节结果引起系统以劣于其期望性能水平被控制，从而降低了系统的整体性能。

因此，期望提供一种执行电机控制器的自动调节的系统，该电机控制器选择控制器增益以实现期望的性能水平。

即使最初选择控制器增益以实现期望的性能水平，受控系统的动态特性仍然会随时间变化。系统的动态特性可能由于例如机械设备的磨损或者被修理和/或替换为具有与原始设备不同特性的设备而变化。环境条件(例如温度和/或湿度)也可能引起受控系统的可变操作。

因此，还期望提供如下系统：该系统执行电机控制器的自适应调节，以在受控系统的操作期间定期地精调(refine)所选择的控制器增益，以保持期望的性能水平。

技术实现要素：

本文所公开的主题描述了用于调节电机控制器选择控制器增益和滤波器设置来实现期望性能水平的改进方法。基于所测量的受控系统的频率响应来设置控制器增益。通过设置频率响应中要观测的期望相位裕度和期望增益裕度来定义期望的性能水平。一种确定频率响应的改进方法提供降低的计算强度，从而允许电机控制器更迅速地确定频率响应。调节例程使用频率响应来设置控制模块中的控制器增益和滤波器频率，例如陷波滤波器或低通滤波器。此外，自适应调节例程可以用于在电机控制器操作电机时调节控制器增益和滤波器频率以保持期望的性能水平。用于确定频率响应的方法允许自适应调节例程在控制电机的操作时定期地确定频率响应。自适应调节例程跟随受控系统的操作变化，例如谐振频率改变、转矩波动增加或者谐振频率的幅值增加。然后，自适应调节例程可以在电机继续操作时调节滤波器设置或控制器增益，以保持稳定控制和/或将操作返回至期望性能水平内。

根据本发明的一个实施方式，公开了一种用于在电机的操作期间调节电机驱动器的性能的方法，该电机能够操作地连接至电机驱动器。该电机控制耦接至电机的机械负载的运动。该方法在电机的操作期间测量与电机的操作对应的响应信号，并且将响应信号的值存储在电机驱动器的存储器装置中。还测量电机的操作期间与电机的期望操作对应的命令信号，并且将该命令信号存储在存储器装置中。根据响应信号的多个值在电机驱动器内生成第一频率响应，并且根据命令信号的多个值在电机驱动器内生成第二频率响应。在第一频率响应中识别谐振频率，其中该谐振频率在第一频率响应中的幅值大于其他频率在第一频率响应中的幅值。在第二频率响应中识别命令频率，其中该命令频率在第二频率响应中的幅值大于其他频率在第二频率响应中的幅值。将谐振频率与命令频率进行比较。当谐振频率与命令频率不匹配时，将谐振频率与第一阈值进行比较。当谐振频率大于第一阈值时，设置等于谐振频率的陷波滤波器频率。

根据本发明的另一实施方式，公开了一种用于调节电机驱动器的性能的方法。电机驱动器控制电机的操作，并且电机的操作控制耦接至电机的机械负载的运动。该方法测量电机驱动器内的响应信号并将响应信号的值存储在电机驱动器的存储器装置中。响应信号响应于预定义命令信号而改变。根据响应信号的值在电机驱动器内生成第一频率响应。针对预定义频率阵列确定第一频率响应，并且从第一频率响应中识别谐振频率。将所识别的谐振频率与第一阈值和第二阈值进行比较，其中第一阈值大于第二阈值。当所识别的谐振频率大于第一阈值时，调节第一控制参数。当所识别的谐振频率介于第一阈值与第二阈值之间时，调节第二控制参数。当所识别的谐振频率小于第二阈值时，调节第三控制参数。第一控制参数可以是低通滤波器带宽，第二控制参数可以是陷波滤波器频率，并且第三控制参数可以是控制回路增益。

根据本发明的又一实施方式，公开了一种用于确定电机驱动器中的控制器的配置的系统。电机驱动器包括逆变器部，该逆变器部被配置成将电机驱动器的直流总线上出现的直流电压转换为电机驱动器的输出处的交流电压。该系统包括至少一个电流传感器，其生成与电机驱动器的输出的一个相上出现的电流对应的反馈信号。控制模块被配置成接收预定义输入信号，从少一个电流传感器接收反馈信号以及根据预定义输入信号和反馈信号生成响应信号。控制模块包括至少一个控制回路和至少一个陷波滤波器，其中每个控制回路包括至少一个控制器增益，并且每个陷波滤波器包括陷波滤波器频率。存储器装置被配置成存储响应信号的值和预定义输入信号的值。该系统还包括调节模块，该调节模块能够操作以根据响应信号的值生成电机驱动器内的第一频率响应，以及根据预定义输入信号的值生成电机驱动器内的第二频率响。针对预定义频率阵列确定第一频率响应，并且针对相同的预定义频率阵列确定第二频率响应。从第一频率响应中识别谐振频率并且将所识别的谐振频率与第二频率响应进行比较。当所识别的谐振频率不在第二频率响应中出现时，调节模块进一步地能够操作以将所识别的谐振频率与第一阈值和第二阈值进行比较，其中第一阈值大于第二阈值；当所识别的谐振频率大于第一阈值时，调节第一控制参数；当所识别的谐振频率介于第一阈值与第二阈值之间时，调节第二控制参数；以及当所识别的谐振频率小于第二阈值时，调节第三控制参数。

对于本领域的技术人员而言，本发明的这些和其他优点以及特征将根据详细描述和附图而变得明显。然而，应当理解指示本发明的优选实施方式的详细描述和附图仅通过说明的方式给出而并不在于进行限制。可以在不脱离本发明的精神的情况下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

附图中示出了本文中公开的主题的各种示例性实施方式，在附图中类似的附图标记始终表示类似的部件，并且在附图中：

图1是结合本发明的一个实施方式的电机驱动器的框图；

图2是图1的电机驱动器的整流器部的框图表示；

图3是图1的电机驱动器的逆变器部和栅极驱动器模块的框图表示；

图4是图1的电机驱动器的控制模块的一个实施方式的框图表示；

图5是图4的控制模块的滤波器部的框图表示；

图6是示出用于初始调节图1的电机驱动器的步骤的一个实施方式的流程图；

图7是示出用于设置如图6所示的低通带宽的步骤的一个实施方式的流程图；

图8是示出用于设置如图6所示的陷波频率的步骤的一个实施方式的流程图；

图9是示出当电机驱动器被配置成在位置模式下进行操作时设置如图6所示的控制回路增益的步骤的一个实施方式的流程图；

图10是示出当电机驱动器被配置成在速度模式下进行操作时设置如图6所示的控制回路增益的步骤的一个实施方式的流程图；

图11是用于对图1的电机驱动器进行自适应调节的状态机的一个实施方式的框图表示；

图12是在自适应调节期间针对图1的电机驱动器所识别的第一示例性低频率谐振的图形表示；

图13是在自适应调节期间针对图1的电机驱动器所识别的第二示例性低频率谐振的图形表示；以及

图14是在自适应调节期间针对图1的电机驱动器所识别的第三示例性低频率谐振的图形表示。

在描述附图中所示的本发明的各种实施方式时，为了清楚起见，采用特定用语。然而，并非意在将本发明限制于所选定的特定术语，并且应当理解，每个特定术语包括以相似方式操作以达到相似目的的所有技术等同。例如，经常使用单词“连接”、“附接”，或者与其相似的术语。这些术语不局限于直接连接，而包括通过其他元件的连接，其中这种连接被本领域的技术人员认为是等同的。

具体实施方式

最初转向图1，根据本发明的一个实施方式的电机驱动器10被配置成在电机驱动器10的输入15处接收三相AC电压，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可以包括适合于如本领域中所理解的被动整流或主动整流的任何电子装置。还参照图2，所示的整流器部20包括一组二极管22，所述一组二极管22形成二极管桥，其将三相AC电压整流成DC总线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转换为用于DC总线25的DC电压的其他固态装置，包括但不限于闸流管、硅控整流器(SCR)或晶体管。在DC总线25的正轨27与负轨29之间存在DC电压。DC总线电容器24连接在正轨27与负轨29之间，以降低由于将AC电压转换为DC电压而产生的波纹电压的幅值。要理解，DC总线电容器24可以是单个电容器，或者以并联、串联或其组合的形式连接的多个电容器。在负轨29与正轨27之间的DC电压的幅值通常等于AC输入电压的峰的幅值。

DC总线25串联地连接在整流器部20与逆变器部30之间。还参照图3，逆变器部30由开关元件例如本领域中已知的晶体管、晶闸管或SCR构成。所示的逆变器部30包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)32和续流二极管34，所述二者成对地连接在正轨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。IGBT 32中的每个接收选通(gating)信号31，以选择性地启用晶体管32并且将来自DC总线25的DC电压转换成到电机40的可控三相输出电压。当启用时，每个晶体管32将DC总线25的相应轨27、29连接至在晶体管32与输出端子35之间连接的电导体33。根据应用要求(例如电机驱动器10的额定功率)来选择电导体33，电导体33可以是例如安装有晶体管32的电路板上的导电表面，或者是与来自包含晶体管32的电源模块的端子连接的汇流总线。电机驱动器10的输出端子35可以经由线缆被连接至电机40，该线缆包括与每个输出端子35连接的电导体。

使用一个或更多个模块来控制电机驱动器10的操作。根据图1所示的实施方式，控制器50包括模块并且管理模块的执行。所示的实施方式并非意在限制，并且应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下以下讨论的每个模块的各种特征可以由另一模块来执行和/或控制器50中可包括其他模块的各种组合。模块可以是在一个或更多个处理器、逻辑电路或它们的组合上执行的存储程序。可以例如在微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他这样的定制装置中实施控制器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、非暂态存储器或者它们的组合。存储器装置45可以被配置成存储数据和程序，所述数据和程序包括控制器50可执行的一系列指令。设想到存储器装置45可以是单个装置、多个装置，或者例如作为例如专用集成电路(ASIC)的另一装置的部分被合并。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来控制电机驱动器10的操作。

根据本发明的一个实施方式，控制器50接收参考信号47，从而识别与电机驱动器10连接的电机40的期望操作。参考信号47可以是例如位置参考(θ*)、速度参考(ω*)或转矩参考(T*)。对于高性能伺服控制系统，参考信号47通常是位置参考信号(θ*)。

控制器50还接收表示电机驱动器10的当前操作的反馈信号。根据所示的实施方式，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50使用的第二格式的信号的任何其他部件。电机驱动器10可以包括在DC总线25上的电压传感器51和/或电流传感器52，从而生成与存在于DC总线25上的电压和/或电流的幅值对应的反馈信号。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更多个电压传感器53和/或电流传感器54，从而生成与存在于电机驱动器的逆变器部30和输出35之间的电导体33上的电压和/或电流的幅值对应的反馈信号。

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，以生成对于电机40具有期望幅值和频率的输出电压。由反馈模块65处理反馈信号，并且根据需要将反馈信号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和反馈信号执行以生成到栅极驱动器模块60的期望输出电压信号。栅极驱动器模块60例如通过脉冲宽度调制(PWM)或通过其他调制技术来生成选通(gating)信号31。选通信号31随后启用/禁用晶体管32，以向电机40提供期望的输出电压，这进而引起耦接至电机40的机械负载42的期望操作。

接下来参照图4，示出了根据本发明的一个实施方式的控制模块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)进行比较。从第一求和结点102输出位置误差信号，并且位置误差信号被输入至位置回路控制器104。根据所示的实施方式，位置回路控制器104是比例-积分(PI)控制器。可选地，位置回路控制器104可以仅是比例(P)控制器或者还包括微分(D)分量。位置回路控制器104的比例(P)分量、积分(I)分量和/或微分(D)分量中的每个包括控制器增益。控制器增益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的输出为速度参考信号(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)进行比较。速度反馈信号(ω)是通过如微分块111所示的那样对位置反馈信号(θ)求微分而生成的。还可以通过速度滤波器块110对速度反馈信号(ω)进行滤波。从第二求和结点106输出速度误差信号，并且速度误差信号被输入至速度回路控制器108。根据所示的实施方式，速度回路控制器108为比例-积分(PI)控制器。可选地，速度回路控制器108可以仅是比例(P)控制器或者还包括微分(D)分量。速度回路控制器108的比例(P)分量、积分(I)分量和/或微分(D)分量中的每个包括控制器增益。控制器增益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的输出为加速度参考信号。

控制模块55还可以包括前馈分支。根据所示的实施方式，控制模块55包括针对速度要素和加速度要素二者的前馈分支。位置参考信号(θ*)通过第一微分元件112传递，以获得速度前馈信号。将速度前馈信号乘以速度前馈增益(Kvf)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)组合。速度前馈信号通过第二微分元件116传递，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(Kaf)118，并且在第三求和结点120处与加速度参考信号组合。

在生成用于逆变器部30的选通信号31之前，第三求和结点120的输出被进一步处理。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5，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42产生不期望影响的特定频率分量衰减。还设想到，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。滤波器部122的输出通过转矩增益块124传递。转矩增益块124包括转矩常数(Kt)，其限定提供给电机40的电流与电机输出的转矩之间的关系。转矩增益块124可以包括与转矩常数(kt)结合的一个或更多个附加增益要素，以产生到受控系统的装置130的期望转矩参考125。在运动控制系统中，装置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生成控制部55使用的位置反馈信号(θ)。

根据所示的实施方式，从两个参考之一中选择提供给装置130的转矩参考信号。生成第一转矩参考信号125作为转矩增益块124的输出。而且，第二转矩参考信号126可以是恒定值，或者跟随预定义分布。第二转矩参考信号126的值可以是用户可配置的，并且可以存储在存储器装置45中。通过开关信号128控制的开关127可以在第一位置与第二位置之间移动，以选择性地将第一转矩参考信号125或第二转矩参考信号126提供给装置130。将在下面更详细地讨论转矩参考信号的选择。

从控制模块55输出的转矩参考信号作为输入被提供给装置130。再次参照图1，控制模块55的输出作为输入被提供给栅极驱动器模块60。栅极驱动器模块60将转矩参考转换成具有可变幅值和频率的期望输出电压，其中选择幅值和频率以产生提供给栅极驱动器模块60的转矩参考。确定了产生期望转矩所需的输出电压，使用期望的输出电压生成选通信号31，通过脉冲宽度调制(PWM)或通过其他调制技术使用选通信号31以控制逆变器部30中的开关元件来产生期望的输出电压。选通信号31随后启用/禁用晶体管32，以向电机40提供期望的输出电压，这进而引起耦接至电机40的机械负载42的期望操作。

如上所讨论的，控制模块55可以包括会影响电机驱动器10的性能的多个控制器增益以及滤波器设置。需要对控制器增益和滤波器设置进行调节(adjust)或调节(tune)以实现期望的性能水平。对于控制器增益和滤波器设置中的每个的设置被存储在存储器装置45的非易失性部分中，以在从电机驱动器10去除电力时保留所述设置。通常，在向电机驱动器10施加电力时，设置被传送至存储器装置45的易失性部分，以提供对供控制模块55的执行使用的值的快速读取。控制器增益和滤波器设置中的每个的默认值可以在出厂时存储在存储器装置45中，其中默认设置通常被配置成提供控制模块55的保守响应(conservative response)，使得可以在没有机会激发机械系统中的谐振或者具有受控负载的其他不期望和/或不稳定操作的情况下启动大范围的应用。

再次参照图1，控制器50包括调节模块70，其被配置成自动调节控制器增益和滤波器设置的设置，以实现用于受控系统的期望性能水平。操作者可以例如经由电机驱动器上的人机界面(HMI)、用户界面，或者经由任何其他合适的用户界面来启动初始调节例程的执行。在调节例程启动之前，操作者可以确认受控系统在启动例程之前处于合适的操作状态(例如，足够的行程范围)。HMI或用户界面可以提示或者以其他方式提供进入用于受控系统的期望操作性能的方法。设想期望的操作性能可以例如通过用于控制回路的相位裕度和/或增益裕度来限定。可以在存储器装置45中针对相位裕度和增益裕度中的每个存储默认设置。相位裕度优选地为至少三十度，并且更优选地为至少四十五度。增益裕度优选地为至少4dB，并且更优选地为至少8dB。

还参照图6，由调节模块70执行初始调节例程，并且初始调节例程包括三个调节步骤，以确定控制器增益和滤波器设置的设置。第一调节步骤140选择陷波滤波器134进行操作的频率。第二调节步骤142选择低通滤波器132进行操作的带宽，并且第三调节步骤144设置用于控制模块55的控制回路增益。设想到这三个步骤可以按照各种顺序执行，并且如下面更详细讨论的，由于控制增益和/或滤波器设置中的一个的后续调节会影响在较早调节步骤处实现的期望性能，所以可以迭代地执行这三个步骤。

接下来参照图8，本发明的所示实施方式通过执行第一调节步骤140开始调节例程，以确定陷波滤波器进行操作的频率F_N。在调节例程期间，对系统施加已知参考信号。已知参考信号可以是例如以已知速率变化的位置参考信号(θ*)、速度参考信号(ω*)或者转矩参考信号(T*)。根据所示实施方式，控制器50生成开关信号128，使得开关127将第二转矩参考信号126连接至控制模块55的输出。第二转矩参考信号126是根据与电机40和受控负载42对应的参数设置而生成的已知参考信号，或者可选地，第二转矩参考信号126的值可以是存储于存储器装置45中的参数设置。如步骤150所示，将与系统的响应对应的数据存储在存储器装置45中。数据优选地对应于施加已知参考信号时与输出至电机40的转矩和/或电流相关的内部计算信号或测量反馈信号。根据本发明的一个实施方式，来自在逆变器部30的输出处的电流传感器54之一的反馈信号用于响应数据。在电机40进行操作时电流反馈信号的一系列值被采样并存储在存储器装置中。在获取期望数目的样本时，可以去除已知参考信号，并且在电机40不运行的情况下可以发生另外的处理。可以对控制器增益和/或滤波器设置进行调节，并且可以再施加第一已知参考信号或第二已知参考信号以确定所调节的控制器增益和/或滤波器设置的效果。可选地，在可发生控制器增益和/或滤波器设置的计算和后续调节期间，电机40可以继续操作。

在步骤152处，获得所存储的数据的频率响应。频率响应是根据频率提供信号的幅值及相位的信号的测量。为了确定信号的频率响应，可以确定限定信号的连续函数，并且执行连续函数的傅立叶变换。傅立叶变换将该函数表示为在无限频率间隔上的频率的函数。然而，确定连续函数的傅立叶变换是计算密集型的。为了将对信号频率分析的计算要求降低到合适水平以用于实时控制，在定义的采样间隔上以采样频率对信号进行采样，并且将采样数据存储在存储器中。该采样数据可以是例如在步骤150处所存储的数据。

传统上，对采样数据进行离散傅立叶变换(DFT)，以将所存储的信号表示为在有限频率间隔上具有信号的幅值和相位信息的一组离散的复矢量。在下面的等式1中给出常见的DFT算法。

其中：

X(k)＝针对“K”个均匀间隔频率仓(bin)具有幅值和相位信息的矢量

N＝最大样本数目

n＝样本数目

x(n)＝采样数据阵列

k＝从1到K的范围选择的整数索引值

K＝在零赫兹与采样频率之间的均匀间隔频率仓数，通常等于最大样本数目的一半。

然而，等式1的DFT算法具有一些缺点。在X(k)矢量中的频率仓的间隔是采样频率的函数，并且是所存储的数据的样本数目的函数。如果存在于信号中的特定频率分量不对应于均匀间隔的频率仓中的一个，则在除频率分量的频率以外的频率仓中观察该频率分量的部分。例如，可以在与频率分量的实际频率最接近的频率仓中观测最大幅值信息；然而，相邻的频率仓尽管在降低频率处也会包括频率分量。从最接近频率仓的仓延伸离开的后续频率仓也将包括在依次降低的幅值处的实际频率分量的幅值信息。相比之下，如果要测量的实际频率分量与频率仓之一对准，则该频率分量的整个幅值信息将驻留在单个频率仓中，并且对来自测量频率分量的其余仓的幅值信息的贡献将为零。为了改进DFT的准确度，需要增加所存储的样本的数目并且/或者需要增加采样频率。然而，这两种选择会引起计算要求和存储要求增加。

因此，可以实现确定所存储的信号的幅值和相位信息的改进方法。参照等式2，等式1的指数中的(k-1)/N项可以用fT代替，并且可以针对特定频率f来评估DFT。

其中：

X(f)＝针对特定频率f具有幅值和相位信息的矢量

N＝最大样本数目

n＝样本数目

x_nom(n)＝根据采样数据的阵列确定的标称值

T＝采样周期。

还设想到，可以在频率阵列上评估等式2。可以限定频率阵列，以确定在一组期望频率处而不是在所得到的等式1的均匀间隔仓处的幅值和频率信息。该组期望频率可以是例如一组非均匀间隔的频率、一组带限频率或者对数尺度的频率。设想到该组频率可以由用户定义并且存储在存储器装置45中。可选地，可以通过操作受控系统的特性来确定该组频率。因此，如在步骤152处确定的频率响应优选地利用公式2以及频率阵列(其幅值和相位信息期望被获知)来确定所存储的信号的频率响应。在步骤154处，对频率响应进行分析以识别具有最大幅值信息或最大值的一个或多个频率分量。在不稳定系统中，该最大值通常对应于谐振频率或反谐振频率，并且期望从所存储的数据中滤除该分量。

因此图8中的其余步骤设置陷波滤波器频率F_N，以滤除由谐振引起的响应分量。在步骤156处，调节模块70确定是否初次经过陷波频率选择过程140。如果是，则将当前频率窗口W_c和过去的频率窗口W_p设置为默认值，如步骤158所示。如果不是，则将当前频率窗口W_c设置为当前频率F_c与过去频率F_p之间的差的绝对值，该当前频率在步骤154中确定具有最大幅值信息，该过去频率在经过陷波频率选择程序140之前具有最大幅值信息。在步骤162处，调节模块70确定与在步骤154中识别的最大幅值信息的值对应的当前幅值的值MAG_c是否小于预定义最大幅值的值MAG_lim。如果当前幅值的值MAG_c小于预定义最大幅值的值MAG_lim，则受控系统的频率响应在期望限制内，并且不需要修改陷波滤波器频率F_N。因此，调节模块70将陷波滤波器频率F_N保留为过去频率F_p，如步骤164所示。如果当前幅值的值MAG_c大于预定义最大幅值的值MAG_lim，则调节模块70移动至步骤166以确定当前频率窗口W_c是否小于频率窗口值的预定义最大值W_lim。检查频率值之间的最大差有助于迫使收敛以识别谐振频率。如果当前频率窗口W_c小于频率窗口的最大值W_lim，则这提供了如下指示：调节模块70已经收敛到期望的陷波频率F_N，以使受控系统的不稳定性衰减。然而，如果当前频率窗口W_c大于频率窗口的最大值W_lim，则这提供了如下指示：调节模块70仍在收敛到期望的陷波频率F_N，并且陷波频率选择过程140移动至步骤168以确定当前频率窗口W_c是否大于先前频率窗口W_p。如果当前频率窗口W_c小于频率窗口W_p的先前值，则如步骤170所示，将陷波频率F_N设置为当前频率F_c，将变量的当前值移动到变量的过去值，并且调节模块70将返回至陷波频率选择过程140的顶部以进行另一次循环。然而，如果当前频率窗口W_c大于频率窗口W_p的先前值，则这表明在系统中可能存在多于一个谐振频率。如果控制模块55包括多个陷波滤波器，则第一陷波滤波器的陷波频率F_N可以保持频率F_p的先前值，并且调节模块70可以基于当前频率F_c被执行以确定第二陷波滤波器的陷波频率F_N。因此，陷波频率选择过程140迭代地更新陷波频率F_N，直到所检测的谐振频率衰减为最大值以下(例如步骤162)或者不再显著偏离先前测量的值。然后将陷波频率F_N设置为从当前频率F_c和过去频率F_p中选择的较小频率值，如步骤172所示。在步骤164、170或172处设置陷波频率值F_N之后，调节例程进行至步骤142以设置低通滤波器带宽，如图6所示。

接下来参照图7，再次对系统施加已知参考信号。已知参考信号可以是用于确定陷波频率N_F所施加的相同信号，或者可以是不同的参考信号。如先前所示，已知参考信号可以是例如以已知速率变化的位置参考信号(θ*)、速度参考信号(ω*)或者转矩参考信号(T*)。将已知参考信号施加于控制模块55，并且监视转矩信号。转矩信号可以是例如向转矩增益块124输入的信号或者从转矩增益块124输出的信号。根据所示实施方式，可以再次对装置施加第二转矩参考信号126，并且如步骤180所示，来自电流传感器54的反馈被存储为与电机40中的转矩对应的信号。可选地，存储高峰值和低峰值，并且在步骤182处，确定转矩信号上出现的波动的幅值。

接下来，低通滤波器带宽调节步骤142检查低通滤波器是否已被预先设置，如图步骤183所示。如果低通滤波器尚未设置，则低通滤波器带宽调节步骤142继续进行以检查转矩波动的幅值是否大于最大允许转矩波动，如步骤184所示。设想到最大允许转矩波动是存储于存储器装置45中的参数设置，该参数设置可由操作者进行配置以实现受控负载42的期望操作。如果转矩波动小于最大允许转矩波动，则不需要低通滤波器滤除不期望的谐波含量，并且低通滤波器带宽调节步骤142完成。然而，如果转矩波动大于最大允许转矩波动，则需要低通滤波器来帮助滤除不期望的谐波含量，并且低通滤波器带宽调节步骤142移动至步骤185。如果在步骤183处低通滤波器已被预先设置，则低通滤波器带宽调节步骤142继续进行以检查转矩波动的幅值是否在最大允许转矩波动的可接受容差带内，如步骤185所示。如果转矩波动在容差带内，则低通滤波器的带宽的当前值被认为是可接受的并且不做进一步的调节。如果转矩波动在最大允许转矩波动的容差带之外，则如步骤186所示调节例程调节低通滤波器的带宽，并且返回至低通滤波器调节步骤142的顶部。迭代地重复这些步骤序列，直到低通滤波器使转矩波动衰减为期望的最大容许转矩波动以下。

在设置陷波频率和低通滤波器带宽之后，第三调节步骤144设置控制模块55的控制回路增益。参照图9和图10，根据取决于控制器50被配置成是在速度模式下操作还是在位置模式下操作的两个所示的方法之一来调节控制回路增益，以实现期望的性能。在图9中，控制器50被配置成在位置模式下执行，这意味着到控制器50的参考信号47是位置参考信号(θ*)。因此，需要确定位置回路控制器104和速度回路控制器108二者的控制器增益。根据图9所示的实施方式，位置回路调节开始设置陷波频率140和设置低通滤波器带宽142。如果这是初次经过位置调节回路，则如图6所示仅确定陷波频率和低通滤波器带宽，并且可以绕过这两个步骤。

根据期望的相位裕度以及期望的增益裕度来设置控制回路增益。期望的相位裕度和增益裕度作为设置被存储在存储器装置45中。根据本发明的一个实施方式，期望的相位裕度为至少四十五度，期望的增益裕度为至少8dB。可选地，期望的相位裕度和增益裕度是可配置的，并且作为参数存储在存储器装置45中。为了测量相位裕度和增益裕度，控制器50获得系统的波特图(Bode plot)。波特图测量系统对输入信号的响应。向系统输入的信号以及从系统输出的信号二者均被测量。使用例如上面所描述的方法来获得输入信号和输出信号二者的频率响应。波特图提供了描述系统的在输入信号与输出信号之间的传递函数的幅值和相位。传递函数的幅值可以通过将每个频率处的输出信号的频率响应的幅值除以输入信号的频率响应的幅值来确定。传递函数的相位可以通过从每个频率处的输出信号的相位中减去输入信号的相位来确定。于是，相位裕度被确定为一百八十加上该波特图的幅值跨越零分贝的相位。于是，增益裕度被确定为频率跨越负一百八十度的波特图上的幅值。

位置调节回路在步骤198处通过以下操作继续：根据包括速度回路控制器108、滤波器122和装置130的第一开环波特图来测量相位裕度。在步骤200处，位置调节回路确定相位裕度是否等于四十五度。如果相位裕度不是四十五度，则控制器50调节速度回路比例增益(Kvp)，如步骤202所示。因为速度回路比例增益(Kvp)的调节影响整个系统的动态特性，所以位置调节回路再次设置陷波频率140和低通滤波器带宽142。迭代地重复所述一系列的测量相位裕度、调节速度回路比例增益、以及调节滤波器设置的步骤，直到相位裕度为四十五度的推荐值或者用户定义的相位裕度。

当第一波特图的相位裕度是四十五度时，如步骤204所示位置调节回路从第二开环波特图测量增益裕度，其中第二开环波特图包括位置回路控制器104、速度回路控制器108、滤波器122以及装置130。在步骤206处，位置调节回路确定增益裕度是否等于九分贝。如果增益裕度不是九分贝，则控制器50调节位置回路比例增益(Kpp)，如步骤208所示。位置回路调节迭代地获得第二开环波特图以测量增益裕度，并且调节位置回路比例增益(Kpp)直到增益裕度为九分贝。当第二波特图的增益裕度为九分贝时，位置回路调节确定第二波特图的相位裕度是否大于五十度，如步骤210所示。如果相位裕度不是至少五十度，则如步骤212所示，位置回路调节暂停，因为在前调节应当已经产生至少五十度的相位裕度。如果相位裕度为至少五十度，则位置回路调节将位置回路积分增益(Kpi)初始化。位置调节回路再次测量第二开环波特图的相位裕度，如步骤216所示。在步骤218处，位置调节回路确定相位裕度是否被设置为四十五度。如果相位裕度不是四十五度，则控制器50调节位置回路积分增益(Kpi)，如步骤220所示。位置回路调节迭代地获得第二开环波特图以测量相位裕度，并且调节位置回路积分增益(Kpi)直到相位裕度为四十五度。

在获得四十五度的相位裕度之后，位置回路调节验证仍然满足其他性能指标。在步骤222处，位置回路调节确定增益裕度是否为八分贝。如果增益裕度不是八分贝，则位置回路调节对位置回路比例增益(Kpp)和位置回路积分增益(Kpi)进行微调以实现四十五度的相位裕度以及八分贝的增益裕度的最终期望性能。位置回路调节迭代地获得第二开环波特图，并且确定相位裕度和增益裕度，直到实现期望性能。步骤140和142的最后执行被示为可选的。然而，由于控制器增益影响整个系统性能，所以可能期望的是，使位置回路调节再次设置陷波频率140和低通滤波器带宽142。

在图10中，控制器50被配置成在速度模式下执行，这意味着到控制器50的参考信号47是速度参考信号(ω*)。当控制器50被配置成在速度模式下执行时，速度参考信号(ω*)可以直接提供至第二求和结点106，而绕过位置回路控制器104。因此，仅需要确定速度回路控制器108的控制器增益。当在速度模式下进行操作时，控制器50仅利用相位裕度来确定控制回路增益。

为了开始速度回路调节，将速度回路比例增益(Kvp)初始化，如步骤230所示。如步骤142所示，设置低通滤波器带宽。然后，速度调节回路根据开环波特图测量相位裕度，该开环波特图包括速度回路控制器108、滤波器122和装置130。在步骤234处，速度调节回路确定相位裕度是否等于五十度。如果相位裕度不是五十度，则控制器50调节速度回路比例增益(Kvp)，如步骤236所示。迭代地重复所述一系列的调节速度回路比例增益(Kvp)、设置陷波频率F_N以及低通滤波器带宽并且测量相位裕度的步骤，直到相位裕度为五十度。

在最初将相位裕度设置为五十度之后，速度调节开始调节速度回路积分增益(Kvi)。在步骤238处，速度调节将速度回路积分增益(Kvi)初始化。如图步骤240所示，获得开环波特图以测量相位裕度，其中速度回路中包含比例增益和积分增益二者。在步骤242处，速度调节回路确定相位裕度是否被设置为四十五度。如果相位裕度不是四十五度，则控制器50调节速度回路积分增益(Kvi)，如步骤244所示。速度回路调节迭代地获得开环波特图以测量相位裕度，并且调节速度回路积分增益(Kvi)直到相位裕度为四十五度。

在获得四十五度的相位裕度之后，位置回路调节可以验证仍然满足其他性能指标。步骤140和142的最后执行被示为可选的。然而，由于控制器增益影响整个系统性能，所以可能期望的是，使位置回路调节再次设置陷波频率140和低通滤波器带宽142。

虽然调节例程确定控制模块55的用以提供期望性能的滤波器设置和控制器增益，但是可能需要在操作期间调节这些设置以保持期望的性能。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能会引起受控系统的动态特性改变。此外，在控制模块55的初始调节期间没有观测到的谐振工作点还可能在受控系统的操作期间表现。因此，调节模块70还可以包括自适应调节例程，用以在电机40的操作期间调节陷波滤波器设置、低通滤波器设置以及控制器增益中的一个或更多个。

在操作中，自适应调节例程监视在电机40运行时受控系统内的一个或更多个信号的频率响应，所述信号包括例如来自电机驱动器10的输出的运动分布、转矩参考和/或电流反馈。根据本发明的一个实施方式，自适应调节例程监视受控系统内的两个信号。第一监视信号对应于命令信号，第二监视信号对应于响应信号。参照图4，所监视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之后以及到工厂130的输出之前获取所监视的响应信号。优选地，所监视的响应信号是在滤波器122之后以及在转矩增益块之前。

自适应调节例程继续在电机驱动器10操作时定期地将监视信号的值存储在存储器装置45中。优选地，在存储器装置45中定义了具有固定长度的缓冲器，并且以先入先出(FIFO)方式将数据存储在缓冲器中。控制器50获得所监视的命令信号以及所监视的响应信号二者的所存储数据的频率响应，同时还控制电机40的操作。为了减少对控制器50的计算要求，优选地对如等式2中所描述的DFT进行评价以用于频率阵列，以确定所存储的信号的频率响应。自适应调节例程生成命令频谱和响应频谱，命令频谱和响应频谱分别基于所监视的命令信号和所监视的响应信号来识别具有最大幅值信息的一个或更多个频率。在频率响应中，具有最大幅值信息的一个或多个频率是由控制系统最多激发的频率，并且可能需要降低这些频率处的响应。然后，自适应调节例程评价频率以确定如何最好地响应所识别的频率。

作为初始步骤，自适应调节例程将响应频谱中具有最大幅值的频率与存在于命令频谱中的频率进行比较。如果例如控制器50被命令执行重复操作，则所识别的频率可以是所期望的操作，并且因此调节控制器50以减少响应频谱中的该频率的幅值将会使期望响应失谐(detune)。然而，如果在响应频谱中识别的具有最大幅值信息的频率不在命令频谱中，则自适应调节例程确定是否以及如何最好地减轻在该频率处的响应。

识别如何减轻在所识别的频率处的响应的第一步骤是要确定所识别的频率落在哪个频率范围内。该频率的初始划分产生低频、中频和高频范围。根据本发明的一个实施方式，低频范围是从零赫兹至约三百赫兹(0Hz至300Hz)，中频范围为约三百赫兹至约两千赫兹(300Hz至2000Hz)，高频范围大于约两千赫兹(>2000Hz)。自适应调节例程然后根据所识别的频率落入的频率范围来调节各个控制器增益和/或滤波频率。

根据图11所示的实施方式，自适应调节例程被配置为状态机250。每个状态可以对应于自适应调节例程的期望动作中的一个动作。例如，状态1设置陷波滤波器频率，状态4设置低通滤波器频率，并且状态5用于调节控制增益。状态中的一种状态的选择取决于所识别的频率落入的频率范围。在空状态252(状态0)期间，电机驱动器10控制电机40的操作，并且关于滤波器设置或控制器增益没有识别出问题。自适应调节例程使用监视信号的频率响应来确定是否需要转变换至另一状态。如果自适应调节例程检测到具有超过预定阈值的幅值的新谐振，则自适应调节识别该频率是在低频范围、中频范围、还是在高频范围内。如果该频率在中频范围内，则可以最佳地通过陷波滤波器使所识别的频率衰减。因此，自适应调节例程可以转变为设置陷波滤波器状态254(状态1)。在设置陷波滤波器状态254期间，自适应调节例程可以如上所述执行设置陷波频率步骤140。设想到自适应调节例程可能需要保留在设置陷波滤波器状态254中，并且迭代地执行设置陷波频率步骤140，以使新检测到的谐振频率衰减到可接受的水平。

改变陷波滤波器频率可以引起先前衰减的谐振再次存在于控制系统中。自适应调节例程可以转变至再次设置陷波频率状态256(状态2)。如果存在于控制模块55中，则自适应调节例程可以识别第二谐振频率并且设置第二陷波滤波器频率以使两个谐振频率衰减。可选地，自适应调节例程可以确定哪个谐振频率具有较高的幅值，并且将陷波滤波器频率设置为具有较高幅值的谐振频率，并且允许低通滤波器使第二谐振频率衰减。在设置或重置陷波滤波器频率之后，自适应调节例程确定是否存在任何另外的谐振频率。如果不存在任何另外的谐振频率，则自适应调节例程可以返回至空状态252或者移动至等待状态258。

如果最初或随后设置陷波滤波器频率的自适应调节例程确定在高频范围内存在谐振频率，则可以最佳地通过低通滤波器使所识别的频率衰减。因此，自适应调节例程可以移动至调节低通滤波器状态260(状态4)。如果控制模块55无法使多个谐振频率衰减，则在高频范围内识别新谐振可能需要低通滤波器使先前所识别的谐振或者新识别的谐振衰减。低通滤波器状态260执行如以上所讨论的设置低通滤波器带宽142步骤。设想到，自适应调节例程可能需要保持在低通滤波器状态260，并且迭代地执行该设置低通滤波器带宽142步骤以验证转矩波动小于最大可接受水平。另外，自适应调节例程可以迭代地在设置陷波滤波器状态254与调节低通滤波器状态260之间移动，以根据控制模块55中的滤波器来实现期望性能水平。作为前面所描述的自适应调节步骤的结果，自适应调节例程可以有效地跟随在受控系统中变化的谐振频率。

如果最初或随后设置陷波或低通波滤波器频率的自适应调节例程确定在低频范围内存在谐振频率，则可以最佳地通过调节控制器增益使所识别的频率衰减。因此，自适应调节例程然后可以转变至调节增益状态262(状态5)以调节控制器增益。在调节增益状态262下，自适应调节例程可以调节存在于控制模块55中的控制回路中的任一个。根据图4所示的实施方式，自适应调节例程可以如以上描述的那样根据电机驱动器10的配置来执行位置回路调节或速度回路调节。还设想到，自适应调节例程可以迭代地在调节增益状态262与用于调节陷波滤波器254和/或低通滤波器带宽260的状态之间移动，直到获得合适的工作点。

自适应调节例程还包括等待状态258(状态3)。设想到，可以从自适应调节例程中的任何其他状态进入等待状态258。例如在初始检测问题时，自适应调节例程可以进入等待状态258以验证问题存在，而不是识别异常和/或伪操作状况。类似地，在已经调节了控制器增益和/或滤波器设置中的任一个之后，相应的调节状态可以转变至等待状态258以验证已经实现期望操作或者继续。在等待状态258期间，调节模块70可以继续监视受控信号的频率响应。等待状态258可以转变至控制器和/或滤波器调节状态中的任一个，以响应于所监视的受控信号的频率响应来对控制系统进行必要的调节。

调节增益状态262(状态5)的操作取决于所识别的谐振的幅值。接下来参照图12至图14，示出了通过自适应调节例程识别的几个示例性低频率谐振的图形说明。由第一阈值280和第二阈值290来限定滞后带，第一阈值280设置高幅值阈值，第二阈值290设置低幅值阈值。如果在特定频率处的频率响应的幅值落在滞后带内，则自适应调节例程不采取任何行动。如果频率响应的幅值落在滞后带之外，则自适应调节例程将调节控制器增益和/或滤波器设置以使幅值落入滞后带内。首先参照图12，示出了第一谐振305。第一谐振305的幅值在低幅值阈值290处。因此，自适应调节例程检测没有问题，并且适当地停留在空状态252或等待状态258。

接下来参照图13，示出了第二谐振315。第二谐振的幅值大于高幅值阈值280。该幅值表明不可接受水平的不稳定性已进入受控系统。新产生的不稳定性可能是由于以下情况导致的：例如操作的改变(例如运动分布或速度增加)，或者由于操作条件(例如环境温度或湿度)的改变，或者另外由于部件的磨损，从而产生新谐振。不管不稳定性的原因如何，自适应调节例程可以如上所述执行位置回路调节或速度回路调节以调节控制器增益，直到第二谐振315的幅值在由高幅值阈值280和低幅值阈值290限定的滞后带内。

现在参照图14，示出了第三谐振325。第三谐振325的幅值小于低幅值阈值290。因此，控制系统可以以劣于最佳性能进行操作，这会引起效率降低。性能的改变可能又是由于以下情况导致的：操作的改变例如运动分布或速度的降低，或者由于操作条件(例如回路境温度或湿度)的改变，或者另外由于部件的磨损，从而产生较小的阻力。不管第三谐振325的幅值降低的原因，可以期望使控制器在不造成不稳定性的情况下生成更积极的响应。自适应调节例程可以如上文所述执行位置回路调节或速度回路调节，以调节控制器增益，从而产生一组更加响应性的控制器增益。使控制器增益增加也会需要自适应调节例程来再次调节滤波器频率。因此，自适应调节例程可以移动到设置陷波频率状态254、调节低通滤波器状态260、它们的组合，或者反复地在状态之间移动，直到第三谐振325的幅值在由高幅值阈值280和低幅值阈值290限定的滞后带内。因此，自适应调节例程可以用于根据所观测的监视信号的频率响应来减小或增加控制器增益，以收敛于所期望的性能水平。

应当理解，本发明在其应用上不局限于本文中的提出的部件的构造和布置的细节。本发明能够包括其他实施方式并且能够以各种方式实践或者实施。前述实施方式的变型和修改在本发明的范围内。还应当理解，本文中所公开和限定的本发明延伸到所提及的或者根据正文和/或附图明显的各个特征中的两个或更多个特征的所有替选组合。所有这些不同的组合构成本发明的各种替选方面。本文中描述的实施方式说明了对于实践本发明已知的最佳方式并且将会使本领域技术人员能够利用本发明。

部件列表