电机驱动器载波频率调节方法及装置

1.本发明涉及伺服电机控制器技术领域，特别是涉及一种电机驱动器载波频 率调节方法及装置。


背景技术：

2.伺服电机驱动器是现在运动控制的重要组成部分，被广泛应用于数控机床、 工业机器人等自动化设备中。当前伺服电机驱动器普遍采用基于矢量控制的电 流、速度、位置三闭环的算法来对伺服电机进行控制，电流环在控制结构的最 内环，电流环的设计是否合理，对整个伺服控制系统控制性能起到决定作用， 而在电流闭环设计中，控制信号通过空间矢量脉宽调制方式输出调制波形的电 压，调制波形的频率即载波频率高低直接影响伺服电机驱动器的动态控制性能。
3.传统的伺服电机驱动器的载波频率固定不变，一台机器一般采用固定的某 一个频率运行，较高的载波频率可以提供伺服电机驱动器较高的电流环刷新频 率，有利于提高整个伺服系统的带宽，使得系统输出更为平滑的电流波形，但 对硬件的散热提出了更高的要求，对系统的干扰也更敏感，同时也会影响电机 的寿命；而较低的载波频率，则整个系统的稳定性和可靠性会增强，但动态性 能会降低。
4.如何获取适合不同场景的载波频率，提高系统的动态控制性能，成为需要 解决的问题。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述问题，提供一种可提高伺服电机驱动器的动态控 制性能，同时还可适应多种载波频率需要的电机驱动器载波频率调节方法及装 置。
6.一种电机驱动器载波频率调节方法，包括步骤：
7.实时采集伺服电机驱动器的运行参数；
8.根据所述运行参数获取温度系数、扰动系数及死区时间系数；
9.根据所述温度系数、所述扰动系数及所述死区时间系数获取载波频率调整 系数；
10.根据所述载波频率调整系数调节所述伺服电机驱动器的载波频率。
11.在其中一些实施例中，所述运行参数包括伺服电机驱动器周围的环境温度、 伺服电机驱动器的最大承受温度、伺服电机驱动器运行过程中的温升、伺服电 机驱动器运行过程中的扰动电压、伺服电机驱动器运行过程中的扰动频率、伺 服电机驱动器运行电压信号阈值、伺服电机驱动器运行电压信号频率及伺服电 机驱动器的实时载波频率。
12.在其中一些实施例中，根据实时采集的所述运行参数获取温度系数、扰动 系数及死区时间系数的步骤，包括步骤：
13.根据所述伺服电机驱动器周围的环境温度、所述伺服电机驱动器最大承受 温度及所述伺服电机驱动器运行过程中的温升计算所述温度系数；
14.根据所述伺服电机驱动器运行过程中的扰动电压、所述伺服电机驱动器运 行过
程中的扰动频率、所述伺服电机驱动器运行电压信号阈值及所述伺服电机 驱动器运行电压信号频率计算所述扰动系数；
15.根据所述伺服电机驱动器的实时载波频率计算所述死区时间系数。
16.在其中一些实施例中，所述根据所述伺服电机驱动器周围的环境温度、所 述伺服电机驱动器最大承受温度及所述伺服电机驱动器运行过程温升计算所述 温度系数的步骤，包括：
17.若ta+tc≤tb，则确定k1为1.0；
18.若60℃≤ta+tc≤tb，则确定k1为0.8；
19.若70℃≤ta+tc≤tb，则确定k1为0.5；
20.若80℃≤ta+tc≤tb，则确定k1为0.3；
21.若90℃≤ta+tc≤tb，则确定k1为0.1；
22.若100℃≤ta+tc≤tb，则确定k1为0；
23.其中，k1为温度系数，ta为伺服电机驱动器周围的环境温度，tb为伺服电 机驱动器最大承受温度，tc为伺服电机驱动器运行过程中的温升。
24.在其中一些实施例中，所述根据所述伺服电机驱动器运行过程中的扰动电 压、所述伺服电机驱动器运行过程中的扰动频率、所述伺服电机驱动器运行电 压信号阈值及所述伺服电机驱动器运行电压信号频率计算所述扰动系数的步骤， 包括：
25.若vb
×
20％≤va,且fb
×
20％≤fa，则确定k2为1；
26.若vb
×
20％≤va≤vb
×
50％,且fb
×
10％≤fa，则确定k2为1；
27.其中，k2为扰动系数，va为伺服电机驱动器运行过程中的扰动电压，fa为 伺服电机驱动器运行过程中的扰动频率，vb为伺服电机驱动器运行电压信号阈 值，fb为伺服电机驱动器运行电压信号频率。
28.在其中一些实施例中，设定td为设置死区时间，fn为伺服电机驱动器的实 时载波频率，tm为死区时间阈值；
29.根据所述伺服电机驱动器的实时载波频率计算所述死区时间系数的步骤， 包括：
30.若则确定死区时间系数k3为0.5；
31.若则确定死区时间系数k3为1.0；
32.若tm≤td，则确定死区时间系数k3为1.0。
33.在其中一些实施例中，根据所述运行参数获取温度系数、扰动系数及死区 时间系数；根据所述温度系数、所述扰动系数及所述死区时间系数获取载波频 率调整系数的步骤，包括：
34.若tb≤ta+tc，则确定k为1；
35.若vb
×
50％＜va，则确定k为1；
36.其中，k为载波频率调整系数，ta为伺服电机驱动器周围的环境温度，tb 为伺服电机驱动器最大承受温度，tc为伺服电机驱动器运行过程中的温升，va 为伺服电机驱动器运行过程中的扰动电压，vb为伺服电机驱动器运行电压信号 阈值。
37.在其中一些实施例中，根据所述温度系数、所述扰动系数及所述死区时间 系数获
取载波频率调整系数的步骤为：
38.根据公式k＝k1
×
c1+k2
×
c2+k3
×
c3计算得到所述载波频率调整系数；
39.其中，k为载波频率调整系数，k1为温度系数，k2为扰动系数，k3为死区 时间系数，c1为温度权重，c2为扰动权重，c3为死区权重。
40.在其中一些实施例中，根据所述载波频率调整系数调节所述伺服电机驱动 器的载波频率的步骤为：
41.若k＝0，则f＝fn；
42.若k＝1，则f＝fmax或f＝fmin；
43.若0.1≤k≤0.9，则确定f＝fn
×
ka；其中，10％≤ka≤90％；
44.其中，k为载波频率调整系数，f为伺服电机驱动器的载波频率，fn为伺服 电机驱动器的实时载波频率，fmax为上限频率，fmin为下限频率，ka为载波 频率的调整幅度。
45.一种电机驱动器载波频率调节装置，包括采集模块、与所述采集模块通信 连接的数据处理模块及与所述数据处理模块通信连接的输出控制模块：
46.采集模块用于实时采集伺服电机驱动器的运行参数；
47.数据处理模块用于根据所述运行参数获取载波频率调整系数；
48.输出控制模块用于根据所述载波频率调整系数调整伺服电机驱动器的载波 频率。
49.上述电机驱动器载波频率调节方法及装置，通过实时采集的运行参数获取 温度系数、扰动系数及死区时间系数，然后再根据该温度系数、扰动系数及死 区时间系数获取载波频率调整系数，之后再根据载波频率调整系数计算伺服电 机驱动器的载波频率，从而实现对伺服电机驱动器的载波频率的实时调整，有 效地提高了伺服电机驱动器的动态控制性能，同时还满足一台伺服电机驱动器 可以适应多种载波频率的需要。
附图说明
50.图1为本发明一实施例提供的电机驱动器载波频率调节方法的应用环境图；
51.图2为本发明一个实施例中的电机驱动器载波频率调节方法的流程示意图；
52.图3为图2所示电机驱动器载波频率调节方法中步骤s20的流程示意图；
53.图4本发明一个实施例中电机驱动器载波频率调节装置的结构框图。
54.标号说明：100、电机驱动器载波频率调节装置；110、采集模块；120、数 据处理模块；130、输出控制模块。
具体实施方式
55.为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅 用于解释本申请，并不用于限定本申请。
56.本申请提供的电机驱动器载波频率调节方法，可以应用于如图1所示的应 用环境中。其中，终端102通过网络与服务器104进行通信。本申请实施例所 提供的电机驱动器载波频率调节方法可以通过终端或服务器单独执行，还可以 通过终端102和服务器104共同协作执行。其中，服务器104可以是独立的物 理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服
务器集群或者分布式系统，还可 以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务、云通信、 中间件服务、域名服务、安全服务、cdn、以及大数据和人工智能平台等基础云 计算服务的云服务器。终端可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计 算机、智能音箱、智能手表等，但并不局限于此。终端以及服务器可以通过有 线或无线通信方式进行直接或间接地连接，本申请在此不做限制。
57.在一个实施例中，如图2所示，提供了一种电机驱动器载波频率调节方法， 以该方法应用于图1所示的计算机设备(比如图1中的终端102或服务器104) 为例进行说明。该方法用于对伺服电机驱动器载波频率进行自适应调节，包括 步骤s10至步骤s40。
58.步骤s10，实时采集伺服电机驱动器的运行参数。
59.具体的，运行参数包括伺服电机驱动器周围的环境温度、伺服电机驱动器 的最大承受温度、伺服电机驱动器运行过程中的温升、伺服电机驱动器运行过 程中的扰动电压、伺服电机驱动器运行过程中的扰动频率、伺服电机驱动器运 行电压信号阈值、伺服电机驱动器运行电压信号频率及伺服电机驱动器的实时 载波频率。
60.更为具体的，利用温度传感器实时采集伺服电机驱动器周围的环境温度； 根据伺服系统的规格参数获取伺服电机驱动器的最大承受温度；利用置于伺服 电机驱动器上的温度传感器实时采集伺服电机驱动器运行过程中的温升；利用 外部供电电路中的电压检测模块实时采集伺服电机驱动器运行过程中的扰动电 压及扰动频率；利用置于外部电路的电压检测模块实时采集伺服电机驱动器运 行电压信号阈值及伺服电机驱动器运行电压信号频率；利用置于伺服电机驱动 器上的频率采集仪实时采集伺服电机驱动器的实时载波频率。
61.步骤s20，根据运行参数获取温度系数、扰动系数及死区时间系数。
62.如图3，其中，步骤s20包括步骤s21至步骤s22。
63.步骤s21，根据伺服电机驱动器周围的环境温度、伺服电机驱动器最大承受 温度及伺服电机驱动器运行过程中的温升计算温度系数。
64.具体的，步骤s21包括：
65.若ta+tc≤tb，则确定k1为1.0；
66.若60℃≤ta+tc≤tb，则确定k1为0.8；
67.若70℃≤ta+tc≤tb，则确定k1为0.5；
68.若80℃≤ta+tc≤tb，则确定k1为0.3；
69.若90℃≤ta+tc≤tb，则确定k1为0.1；
70.若100℃≤ta+tc≤tb，则确定k1为0。
71.其中，k1为温度系数，ta为伺服电机驱动器周围的环境温度，tb为伺服电 机驱动器最大承受温度，tc为伺服电机驱动器运行过程中的温升。
72.而步骤s21中的温度系数，可以利用上述公式通过人工手动的方式计算得 到，也可以利用可以运行上述公式的计算机软件进行自动运算得到。
73.步骤s22，根据伺服电机驱动器运行过程中的扰动电压、伺服电机驱动器运 行过程中的扰动频率、伺服电机驱动器运行电压信号阈值及伺服电机驱动器运 行电压信号频率计算扰动系数。
74.具体的，步骤s22包括：
75.若vb
×
20％≤va,且fb
×
20％≤fa，则确定k2为1；
76.若vb
×
20％≤va≤vb
×
50％,且fb
×
10％≤fa，则确定k2为1。
77.其中，k2为扰动系数，va为伺服电机驱动器运行过程中的扰动电压，fa为 伺服电机驱动器运行过程中的扰动频率，vb为伺服电机驱动器运行电压信号阈 值，fb为伺服电机驱动器运行电压信号频率。
78.而步骤s22中的扰动系数，可以利用上述公式通过人工手动的方式计算得 到，也可以利用可以运行上述公式的计算机软件进行自动运算得到。
79.需要说明的是，若存在上述步骤s22中的两种情况时，则被认为伺服电机 驱动器运行过程中存在较为严重的扰动情况，故将扰动系数k2直接设置为1， 以在后续步骤中进行载波频率的调整；而在其他情况下，则认为不存在调整载 波频率的必要，或者是发生了其他影响载波频率调整系数的因素，故不能讲扰 动系数k2设置为1。
80.步骤s23，根据伺服电机驱动器的实时载波频率计算死区时间系数。
81.具体的，设定td为设置死区时间，fn为伺服电机驱动器的实时载波频率， tm为死区时间阈值，步骤s23包括：
82.若则确定死区时间系数k3为0.5；其中，为伺服电机驱动 器的实时载波时间；
83.若则确定死区时间系数k3为1.0；其中，为伺服电机驱 动器的实时载波时间的一半。
84.若tm≤td，则确定死区时间系数k3为1.0。
85.而步骤s23中的死区时间系数，可以利用上述公式通过人工手动的方式计 算得到，也可以利用可以运行上述公式的计算机软件进行自动运算得到。
86.需要说明的是，在实际应用中，上述步骤s21至步骤s23的执行顺序可以 由前向后或者由后向前执行，也可以三个步骤同时执行，更可以以随机顺序执 行，在本发明的实施例中对上述步骤s21至步骤s23的执行顺序不作限定。
87.步骤s30，根据温度系数、扰动系数及死区时间系数获取载波频率调整系数。
88.具体的，步骤s30为：根据公式k＝k1
×
c1+k2
×
c2+k3
×
c3计算得到载波频 率调整系数。其中，k为载波频率调整系数，k1为温度系数，k2为扰动系数， k3为死区时间系数，c1为温度权重，c2为扰动权重，c3为死区权重。
89.更为具体的，温度权重c1为50％，扰动权重c2为30％，死区权重c3为20％。
90.当然，在本申请的其他的实施例中，温度权重c1还可以设置在46％至54％， 扰动权重c2还可以设置在28％至32％之间，死区权重c3还可以设置在16％至24％ 之间，只要能保证c1+c2+c3＝100％即可。
91.在一些实施例中，步骤s20及步骤s30包括：
92.若tb≤ta+tc，则确定k为1；
93.若vb
×
50％＜va，则确定k为1；
94.其中，k为载波频率调整系数，ta为伺服电机驱动器周围的环境温度，tb 为伺服电机驱动器最大承受温度，tc为伺服电机驱动器运行过程中的温升，va 为伺服电机驱动器运
行过程中的扰动电压，vb为伺服电机驱动器运行电压信号 阈值。
95.执行步骤s20及步骤s30，可根据实时采集的运行参数获得载波频率调整系 数。而当tb≤ta+tc，和/或vb
×
50％＜va时，将载波频率调整系数k直接设置 为1。
96.步骤s40，根据载波频率调整系数计算伺服电机驱动器的载波频率。
97.具体的，步骤s40包括：
98.若k＝0，则f＝fn；
99.若k＝1，则f＝fmax或f＝fmin；
100.若0.1≤k≤0.9，则f＝fn
×
ka,且10％≤ka≤90％；即，
101.其中，k为载波频率调整系数，f为伺服电机驱动器的载波频率，fn为伺服 电机驱动器的实时载波频率，fmax为上限频率，fmin为下限频率，ka为载波 频率的调整幅度。
102.也就是说，若载波频率调整系数k为0时，伺服电机驱动器的载波频率不 调整；若载波频率调整系数k为1时，伺服电机驱动器的载波频率向上调整至 上限频率或向下调整至下线频率；若0.1≤载波频率调整系数k≤0.9时，伺服 电机驱动器的载波频率向上调整或向下调整的幅度与载波频率调整系数k呈正 比例关系变化，即伺服电机驱动器的载波频率向上调整或向下调整的调整幅度 依次为10％至90％。故而，当，伺服电机驱动器载波频率的调整幅度相对于载波 频率调整系数呈正比例关系变化。
103.具体的，k＝0.1时，伺服电机驱动器的载波频率向上或向下调整10％；
104.k＝0.2时，伺服电机驱动器的载波频率向上或向下调整20％；
105.k＝0.3时，伺服电机驱动器的载波频率向上或向下调整30％；
106.k＝0.4时，伺服电机驱动器的载波频率向上或向下调整40％；
107.k＝0.5时，伺服电机驱动器的载波频率向上或向下调整50％；
108.k＝0.6时，伺服电机驱动器的载波频率向上或向下调整60％；
109.k＝0.7时，伺服电机驱动器的载波频率向上或向下调整70％；
110.k＝0.8时，伺服电机驱动器的载波频率向上或向下调整80％；
111.k＝0.9时，伺服电机驱动器的载波频率向上或向下调整90％。
112.进一步的，在一些实施例中，载波频率的上限频率为32khz，下限频率为 4khz。
113.当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需求或者要求的不同，载波频 率的上限频率还可以选择大于32khz的频率，下限频率还可以选择小于4khz的 频率。
114.通过执行上述步骤s10至s40，可以实现对伺服电机驱动器载波频率的实时 调整，即伺服电机驱动器载波频率的自适应调节，从而有有效地提高了伺服电 机驱动器的动态控制性能，同时还满足一台伺服电机驱动器可以适应多种载波 频率的需要，从而使得一台伺服电机驱动器可获得适合不同应用场景的载波频 率。
115.在一个实施例中，如图4所示，本发明还提供一种电机驱动器载波频率调 节装置100，包括采集模块110、数据处理模块120及输出控制模块130。
116.采集模块110用于实时采集伺服电机驱动器的运行参数。其中，运行参数 包括伺服电机驱动器周围的环境温度、伺服电机驱动器的最大承受温度、伺服 电机驱动器运行过程中的温升、伺服电机驱动器运行过程中的扰动电压、伺服 电机驱动器运行过程中的扰动频率、伺服电机驱动器运行电压信号阈值、伺服 电机驱动器运行电压信号频率及伺服电机驱动器的实时载波频率。
117.具体的，采集模块110包括用于实时采集伺服电机驱动器周围环境温度的 温度传感器、用于实时采集伺服电机启动器运行过程中的温升的温度传感器、 电压检测模块及用于实时采集伺服电机驱动器实时载波频率的频率采集仪。其 中，电压检测模块用于实时采集伺服电机驱动器运行过程中的扰动电压和扰动 频率的电压检测模块，还用于实时采集伺服电机驱动器运行电压信号阈值和伺 服电机驱动器运行电压信号频率。
118.数据处理模块120与采集模块110通信连接。数据处理模块120用于接收 运行参数，并根据运行参数获取载波频率调整系数。
119.具体的，数据处理模块120先根据运行参数获得温度系数、扰动系数和死 区时间系数，再根据温度系数、扰动系数和死区时间系数获得载波频率调整系 数。
120.更为具体的，当运行参数包括伺服电机驱动器周围的环境温度、伺服电机 驱动器的最大承受温度、伺服电机驱动器运行过程中的温升、伺服电机驱动器 运行过程中的扰动电压、伺服电机驱动器运行过程中的扰动频率、伺服电机驱 动器运行电压信号阈值、伺服电机驱动器运行电压信号频率及伺服电机驱动器 的实时载波频率时，数据处理模块120根据伺服电机驱动器周围的环境温度、 伺服电机驱动器最大承受温度及伺服电机驱动器运行过程中的温升计算获得温 度系数；数据处理模块120根据伺服电机驱动器运行过程中的扰动电压、伺服 电机驱动器运行过程中的扰动频率、伺服电机驱动器运行电压信号阈值及伺服 电机驱动器运行电压信号频率计算获得扰动系数；数据处理模块120根据伺服 电机驱动器的实时载波频率计算获得死区时间系数；之后，数据处理模块120 再根据温度系数、扰动系数和死区时间系数获得载波频率调整系数。
121.输出控制模块130与数据处理模块120通信连接。输出控制模块130用于 根据载波频率调整系数获得伺服电机驱动器的载波频率。
122.具体的，当载波频率调整系数为0时，输出控制模块130不对伺服电机驱 动器的载波频率进行调整；当载波频率调整系数为1时，输出控制模块130将 伺服电机驱动器的载波频率向上调整至上限频率或向下调整至下线频率；当0.1 ≤载波频率调整系数≤0.9时，输出控制模块130根据载波频率调整系数正比例 控制载波频率的调整幅度，对伺服电机驱动器的载波频率进行向上调整或向下 调整。
123.关于电机驱动器载波频率调节装置100的具体限定可以参见上文中对于电 机驱动器载波频率调节方法的限定，在此不再赘述。上述电机驱动器载波频率 调节装置100中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上 述各模块可以硬件形成内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软 件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块 对应的操作。
124.本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关 的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定， 具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件， 或者具有不同部件的布置。
125.在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器 中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述电机驱动器载波频 率调节方法的步骤。
126.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程， 是可
以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易 失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在实行时，可包括如上述各方法 的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、 数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失 性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、 电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram) 或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态 ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、 增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总 线动态ram(rdram)等。
127.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对 上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技 术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
128.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改 进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权 利要求为准。