削減控制系統反饋量中周期性擾動的系統的製作方法

2023-11-07 16:00:07 1

削減控制系統反饋量中周期性擾動的系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種削減控制系統反饋量中周期性擾動的系統，包括控制系統及與所述控制系統相連的諧波控制器，所述諧波控制器用於向所述控制系統提供諧波控制信號，以削減所述控制系統的反饋量中的周期性擾動；所述削減控制系統反饋量中周期性擾動的系統擁有多個控制迴路，每個控制迴路的諧波控制器包含連接至所述控制系統的幅值計算器，連接至所述幅值計算器的積分器，諧波發生器，連接至所述積分器和所述諧波發生器的倍增器，其中，所述諧波控制器被設置為對生成的諧波分量進行累加，以產生諧波控制信號，並且將得到的諧波控制信號施加給所述控制系統，來削減反饋量中的周期性擾動。
【專利說明】削減控制系統反饋量中周期性擾動的系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種用於削減控制系統反饋量中周期性擾動的系統及方法。
【背景技術】
[0002]目前已有多種系統和方法可用於控制周期性擾動，例如，美國專利7952308公開了一種用於減小永磁電機系統中轉矩波動的方法和設備。這種方法和設備在發出轉矩命令後，會產生轉矩波動減小信號，繼而使操作控制信號發生變動，並產生波動減小的操作控制信號，隨之將該信號供給控制永磁電機的逆變器。轉矩波動減小信號包括一個或多個根據電機的預定轉矩波動特性確定的電機電流信號的預定諧波。歐洲專利1182771公開了一種適用於電子整流電機的控制器，該控制器接收指明需要被最大程度地減小的參數(如轉矩波動、電流、電壓、振動或噪聲)的反饋信號。接著，控制器計算參數中一組諧波的振幅和相位，並依次注入具有正確振幅和相位的諧波，以最大程度地減小所述參數。通過對該組諧波進行優化的常規迭代，以進一步減小所述參數。
[0003]在機械系統控制期間更有必要這麼做，因為機械系統所具有的兩項特性，即周期性擾動隨時間變動與具有可削減周期性擾動的自適應控制器，能夠有效地跟蹤周期性擾動的變化規律。
實用新型內容
[0004]本實用新型提供了一種由控制系統及與之相連的諧波控制器組成的系統，諧波控制器用於向控制系統提供諧波控制信號，以削減控制系統反饋量中的周期性擾動。另一方面，本實用新型提供了一種用於削減控制系統反饋量中周期性擾動的方法。
[0005]在一個實施例中，本實用新型提供了一種系統，由控制系統及與之相連的、為該控制系統提供諧波控制信號的諧波控制器組成。諧波控制信號用以削減控制系統反饋量中的周期性擾動。該系統擁有多個控制迴路或者信號路徑，其中每一個控制迴路或者信號路徑都包含幅值計算器、積分器、諧波發生器和倍增器。幅值計算器連接至控制系統，以接收代表反饋量的反饋信號，同時將幅值計算器配置為重複計算反饋信號各次諧波分量的幅值。積分器連接至幅值計算器，以接收重複計算得出的值，同時將積分器配置為對所接收的值進行求和以得出一個累積值。將諧波發生器配置為產生與各次諧波分量頻率相同的諧波信號，以及與各次諧波分量相應的相位，以補償所述控制系統產生的諧波控制信號與各次諧波分量頻率相同的反饋信號之間的估計相移。倍增器連接至積分器和諧波發生器，以使累積值和諧波信號倍增，繼而生成一個諧波分量。諧波控制器被設置為對生成的諧波分量進行累加，以產生諧波控制信號並將所產生的諧波控制信號施加給控制系統，來削減控制系統反饋量中的周期性擾動。
[0006]實際上，諧波控制器將各次諧波分量幅值視為集成式誤差信號，並分別對每個諧波分量實施控制，以減小反饋控制產生的幅值。這樣，諧波控制器就能夠通過收斂到穩定狀態來實現自適應，屆時，生成的諧波分量會對反饋信號的各次諧波分量進行補償。如果控制系統或其工作條件隨之發生變化，則各次諧波分量幅值也將發生變化(但不會變為零)，繼而引起累積值和生成的諧波分量變動，直至各次諧波分量再次得到補償。通過設定生成的分量相位來補償控制系統帶來的、注入到控制系統中的諧波控制信號與反饋信號在各次頻率上的相移，繼而避免以一個或多個各次頻率出現正反饋和相應的不穩定狀態，從而增進了系統穩定性。
[0007]可將諧波控制器配置為按比例調節每個控制迴路生成的諧波分量，以補償與生成的諧波分量頻率無關的控制迴路的增益。如此一來，通過設定單增益就能以不同控制迴路的各次頻率調整控制迴路的時間常數，且單增益無需隨頻率變動而變動，例如控制系統的角速度發生變化時，單增益無需發生任何變動(見下文)。
[0008]可將幅值計算器配置為使各次諧波分量(如各次諧波頻率的正弦函數或餘弦函數)隨反饋信號倍增，並對各次諧波分量的一個或多個周期的結果進行積分。這便給出了一種高效的計算幅值的方法，由此計算得出的幅值實際上與連續計算得出的傅立葉係數相差無幾。
[0009]諧波控制器的各次諧波分量可包含兩個基頻正交諧波分量，以及一對或多對頻率為基頻的整數倍的其它正交諧波分量。例如，諧波分量可以是每個頻率的正弦函數和餘弦函數的組合。通過提供一組每個諧波頻率的正交函數，即可用正弦分量和餘弦分量的相對幅值來表示任意相位關係(請注意，任何能夠產生90度相移的正弦函數或餘弦函數都能實現相同的效果，具體可視情況選用)。為完整表示截止諧波，以整數倍增的頻率應呈連續狀態。
[0010]控制系統可包含一個用於移動與靜止部件相對的可活動部件的電機。請注意，本實用新型公開內容不限於電機和實際的機械控制系統，其同樣適用於其它控制信號可為電壓和反饋量電流的控制系統(如電流源)。
[0011]諧波分量可以是與靜止部件相對的可活動部件的位置函數。例如，諧波分量可以是與靜止部件相對的可活動部件的內部周期位置的函數。如果電機為旋轉電機，該函數則為簡單的轉子角；如果電機為線性電機，該函數則為其一個或多個極內的相對線性位置。實際上，系統隨後將以在頻率域內運轉的類似方式在周期域內運轉，且頻率域內的基頻分量隨系統轉動而變動(如果電機為旋轉電機)。但與頻率域內的分量不同的是，周期域內每個分量的頻率都將隨電機速度而自動變動。同樣地，諧波分量也具有周期域內分量的特點，因此，系統在頻率域內運轉時，尤其在控制系統不是電機的情況下，周期性擾動並非由電機或其負載特性引起。如上所述，可活動部件可以是與靜止部件相對的可轉動轉子，位置可以是與靜止部件相對的轉子的角位置。電機通常由電機控制器控制，具體取決於電機控制器所需的輸入。諧波控制信號可代表電機轉矩、力、電流或磁通量。
[0012]控制系統可包含一個反饋控制器，該反饋控制器可配置為根據可活動部件的期望位置或速度與實際位置或速度之間的對比情況產生一個誤差信號，繼而產生一個與該誤差信號對應的反饋誤差控制信號。隨後便可將控制系統配置為結合反饋誤差控制信號和諧波控制信號來控制電機。或者，電機也可由任何其它適當的控制算法控制，例如，在前饋控制中，可將其算法的輸出與諧波控制信號進行結合，以控制電機。諧波控制器所用的反饋信號可以是反饋控制器產生的誤差信號(或反饋控制器所用的誤差信號之一)，如位置或速度誤差。反饋信號也可以是代表可活動部件的速度的信號。儘管需具備一定的信號條件，但任何包含因施加給控制系統的控制信號引起的周期性擾動的信號均可被使用。例如，如果將內部周期電機位置用作一項輸入，則需處理由鋸齒和以恆速運轉的轉子角的剖面產生的諧波。另外，如果使用電機位置信號記錄電機運轉多圈後的位置，則需處理因測量恆速運轉電機位置而呈現的連續斜坡所產生的諧波。
[0013]可將諧波控制器配置為，檢測每個估計相移一旦超過閾值就將一個或多個生成的諧波分量的幅值減小到零。例如，可通過減緩積分器或其它方式來實現這一目的。如此一來，就可以通過抑制高相移分量(通常極易導致誤差或正反饋)來提高系統穩定性。
[0014]系統可包含存儲器，同時諧波控制器可配置為在系統斷電時將每個控制迴路的累積值存儲在該存儲器中。系統在斷電之後重新啟動時，每個控制迴路的累積值均可通過所存儲的值實現初始化，以確保先前的整合不會丟失。
[0015]請注意，「幅值計算器」、「積分器」、「諧波發生器」、「倍增器」、「諧波控制器」等術語均表示物理分量和邏輯組織計算單位，但不具有必定在獨立的邏輯模塊中執行相應的函數這一涵義。例如，如上所述的諧波控制器可被作為軟硬體的單一功能或多個相互關聯的功能模塊來實施，其中功能模塊並非一定要與如上所述的邏輯功能一一映射，同時也並非一定要與系統的其它方面結合。在不違背本實用新型公開內容的情況下，可視情況單獨或結合使用所述各個邏輯模塊的功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]參考附圖，現在將採用示例的方式來描述一個特定的實施例來說明上述概念和原理,其中:
[0017]圖1示出了包含速度內環的位置控制器，適用於連接到機械系統的電機；
[0018]圖2示出了圖1增加了諧波控制器的系統；
[0019]圖3示出了圖2的諧波控制器的詳細信息；
[0020]圖4示出了為諧波控制器選擇不同輸入信號時的注意事項；
[0021]圖5示出了說明諧波控制器如何運作的試驗裝置；
[0022]圖6a和6b示出了通過圖5的試驗裝置獲取的結果。
【具體實施方式】
[0023]參考圖1，在電流控制器6的控制下，電機4驅動了機械系統2，且電流控制器6將其輸入視為所需的轉矩。所需的轉矩信號由速度控制器8產生，而該控制器接收機械系統的角速度反饋以及位置控制器10的所需速度信號輸入。位置控制器10根據所需的位置輸入信號和實際位置的反饋(例如結合角速度)產生所需的速度信號。除圖1所示的控制系統夕卜，還有其它類似的系統。此類系統包括其它分量，如位置或速度前饋信號以提高系統的響應能力，而本實用新型公開內容同樣適用於此類系統。
[0024]圖2是一個說明圖1所示的系統的方塊圖，其中，位置控制器10以比較器12和增益模塊14 (增益為Kv)表示；速度控制器8以一個比較器和比例和積分增益模塊16 (比例增益為Kp、積分增益為Ki)表示；而轉矩控制器、電機和機械系統以集總模型18 (分別對應電流增益Kc的轉矩需求，轉矩增益Kt的電流和機械系統的慣性J)表示。此外，還有連接至系統的諧波控制器。[0025]諧波控制器20將比較器12輸出的位置誤差視為輸入，並輸出一個轉矩需求Th，該輸出與速度控制器8 (增益模塊16)提供的輸出轉矩需求相加以向電流控制器6 (集總模型18)提供輸入，從而抑制電機4和/或機械系統2引起的周期性擾動。有關此類周期性擾動，會因諸如電機4中的齒槽轉矩或驅動機械系統2的轉矩而引發。從諧波控制器20的角度來看，圖1的系統(控制模塊12、14、16和圖2的模型18)與一個控制系統22對應，該控制系統可提供包含針對諧波控制器的周期性擾動的反饋信號(即位置誤差)，並接收轉矩需求或來自諧波控制器20的輸入，從而使周期性擾動得以在閉環運作中進行補償。
[0026]參考圖3，現在對諧波控制器20的詳細信息進行說明。諧波控制器20與控制系統22結合可提供多個控制迴路，其中每個迴路均包含接收控制系統22提供的位置誤差信號以作為反饋信號的倍增器24。倍增器24與可復位積分器26連接，如此即與兩個增益模塊28和30以及另一個積分器32實現了串聯。而積分器32反過來又連接至另一個倍增器34。
[0027]—個內部周期角計算模塊36接收位置基準或控制系統22提供的所需位置，然後將其轉換為內部周期角Θ。例如，如果電機包含一個旋轉機器且位置基準是一個旋轉機器的轉子會進行多次旋轉的位置，則內部周期角Θ將成為位置基準模2 π (或者在實施時，以會使轉子全旋轉的數位化位置的增量數為模)。此外，也會向復位模塊38提供位置基準(或內部周期角)。該模塊會在每個位置基準周期，即在轉子的每次全旋轉或每次將內部周期角Θ復位為O後，為積分器26提供一個中斷。接著，倍增器24使用諧波函數，內部周期角Θ的正弦函數或餘弦函數使位置誤差倍增。
[0028]如圖3從上到下所示，第一個控制迴路使用正弦函數(Θ )使位置誤差倍增，第二個迴路使用餘弦函數(Θ )使位置誤差倍增，第三個迴路使用正弦函數(2 Θ )使位置誤差倍增，第四個迴路使用餘弦函數(2 Θ )使位置誤差倍增，以此類推。倒數第二個迴路使用正弦函數(m Θ )使位置誤差倍增，而最後一個迴路使用餘弦函數(m Θ )使位置誤差倍增，以分析其周期內容(直至第m次諧波)的位置誤差(請注意沒有直流項，且迴路均為隨機編排)。倍增器24的輸出通過積分器26對一個周期內的內部周期角Θ作積分。在Θ周期內，積分器26僅整合其輸入且不會生成輸出，直至其接收到復位模塊38在每個周期結束時發出的中斷信號。為響應此中斷信號，積分器26將輸出其值並復位為O。增益模塊28接收積分器26的輸出並按2/N的比例進行倍增，其中N是積分器26整合的樣本數。增益模塊28的輸出對應於每個迴路的位置誤差信號中各次諧波分量的幅值。
[0029]增益模塊28的輸出會乘以增益模塊30提供的可調整增益K，然後由積分器32求總以生成在其輸出時的累積幅值。積分器32提供的累積幅值將輸入到另一個倍增器34，該倍增器以與倍增器24使用諧波函數進行倍增相同的次數，使用一個諧波函數對累積幅值進行倍增，但倍增幅度為增益Gm且含有一個與初始諧波函數相關的相移βπι。此增益和相移與環路的諧波函數的頻率相關，即與諧波次數m相關。下面將討論如何計算增益Gm以及相移β m。
[0030]由於各次諧波分量(至少在一個線性控制系統的理想狀態下)屬於獨立項，因此諧波控制器20需結合控制系統22以實施多個相互獨立的控制迴路，其中可將每個迴路視為以其各次諧波分量的幅值的形式產生誤差信號，接著信號將累積以生成與其它迴路的輸出疊加的輸出，從而導致向控制系統22提供負反饋控制信號(請注意，反饋迴路因用於推導位置誤差的位置反饋反轉而變成負)。
[0031]在控制系統22中，從諧波控制器20的轉矩需求輸出到諧波控制器20的位置誤差輸入的相移取決於信號頻率。因此，有必要補償這一相移以確保一個或多個控制迴路不會累積一個超過360°的相移，繼而導致出現不穩定的正反饋迴路。理想情況下，TH與控制系統22中的反饋信號之間的相移會由相移βπι (相應控制迴路產生的轉矩需求TH與倍增器24的諧波函數之間)完全補償。詳情請參見圖4。此外，圖4還說明了如果將反饋信號(而不是誤差信號)用作諧波控制器20的輸入，則應用於反饋比較器的反轉就必須應用於其它位置，例如應用在結合來自於速度控制器8/16的轉矩需求以及基準諧波轉矩TH的加法器上，從而確保獲取穩定的負反饋迴路。而上述的反饋信號的例子可能是電機位置α，內部周期位置，或者是角度Θ，或者是速度。
[0032]如上所述，在時域中重建轉矩前，每個分量必須進行相移，以便在位置誤差中出現注入轉矩效應時，頻率分量具有正確的相。如果不是這種情況，則特定分量的反饋控制迴路可以包含正反饋。如下所示，從注入轉矩到位置反饋之間的相移是控制系統22的轉矩擾動特性的相移(a (s)/TH(s))。
[0033]通過以下等式可得出轉矩擾動特性的位置:
【權利要求】
1.一種削減控制系統反饋量中周期性擾動的系統，包括控制系統及與所述控制系統相連的諧波控制器，所述諧波控制器用於向所述控制系統提供諧波控制信號，以削減所述控制系統的反饋量中的周期性擾動；所述削減控制系統反饋量中周期性擾動的系統擁有多個控制迴路，每個控制迴路的諧波控制器包含: 連接至所述控制系統的幅值計算器，所述幅值計算器用於接收代表反饋量的反饋信號，並且所述幅值計算器被配置為重複計算反饋信號各次諧波分量的幅值； 連接至所述幅值計算器的積分器，所述積分器用於接收所述重複計算出的幅值，並且所述積分器被配置為對所述接收到的幅值進行求和以得出一個累積值； 諧波發生器，所述諧波發生器被配置為產生與各次諧波分量頻率相同的諧波信號，以及與各次諧波分量相應的相位，以補償所述控制系統產生的諧波控制信號與各次諧波分量頻率相同的反饋信號之間的估計相移； 連接至所述積分器和所述諧波發生器的倍增器，所述倍增器用於將所述累積值和所述諧波信號倍增，從而得到一個生成的諧波分量； 其中，所述諧波控制器被設置為對生成的諧波分量進行累加，以產生諧波控制信號，並且將得到的諧波控制信號施加給所述控制系統，來削減反饋量中的周期性擾動。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述控制器被配置為按比例調節每個控制迴路中的所述生成的諧波分量，以補償與生成的諧波分量頻率無關的控制迴路的增益。
3.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述幅值計算器被配置為使各次諧波分量隨反饋信號倍增，並對各次諧波分量一個或多個周期的結果進行積分。
4.如權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述各次諧波分量包含兩個基頻正交諧波分量，以及一對或多對頻率為基頻的整數倍的其它正交諧波分量，其中優選整數倍是連續的。
5.如權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述控制系統包含用於移動與靜止部件相對的可活動部件的電機。
6.如權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述諧波分量是與所述靜止部件相對的所述可活動部件的位置函數。
7.如權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述可活動部件是與所述靜止部件相對旋轉的轉子，所述位置是與所述靜止部件相對的轉子的角位置。
8.如權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述諧波控制信號代表電機轉矩、力、電流或磁通量。
9.如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述控制系統包含反饋控制器，該反饋控制器被配置為根據所述可活動部件的期望位置或速度與實際位置或速度之間的對比情況產生一個誤差信號，繼而產生一個與該誤差信號對應的反饋誤差控制信號；其中，所述控制系統被配置為結合所述反饋誤差控制信號和所述諧波控制信號去控制所述電機。
10.如權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述反饋信號是所述誤差信號或者是代表所述可活動部件的速度的信號。
11.如權利要求10所述的系統，其特徵在於，所述諧波控制器被配置為一旦檢測到各個估計相移超過閾值，就將一個或多個生成的諧波分量的幅值減小到零。
12.如權利要求11所述的系統，其特徵在於，所述系統包含存儲器，同時諧波控制器被配置為在系統斷電時將每個控制迴路的累積值存儲在該存儲器中，並在系統重新啟動後通過所述存儲的 累積值初始化每個控制迴路的累積值。
【文檔編號】H02P21/05GK203617951SQ201320693847
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年11月5日 優先權日:2012年11月15日
【發明者】麥可·凱德 申請人:控制技術有限公司