用于非刚性负载振动控制的系统及方法和计算机可读介质

摘要

本申请公开了一种用于非刚性负载振动控制的系统及方法和计算机可读介质，其中该系统包括：电机，其被配置成耦接至非刚性负载；以及设置在驱动系统内或通信地耦接至驱动系统的控制系统，其被配置成控制电机的操作。控制系统包括处理器和能够由处理器访问的存储器。存储器存储指令，这些指令当由处理器执行时使处理器执行下述操作：基于对电机的期望操作进行指定的输入来生成平滑移动输入分布图，以控制电机的操作；将具有陷波滤波器频率的陷波滤波器应用于平滑移动输入分布图，以产生滤波后的平滑移动输入分布图；以及基于滤波后的平滑移动输入分布图向驱动系统发送命令，其中，该命令被配置成调整电机的操作。

说明书

技术领域

本公开内容总体上涉及电机控制。更具体地，本公开内容涉及控制耦接至非刚性负载的电机。

背景技术

本部分旨在向读者介绍本领域的可能与本技术的各个方面有关的各个方面，下面将对本技术的各个方面进行描述和/或对本技术的各个方面要求保护。该讨论被认为有助于向读者提供背景信息，以促进更好地理解本公开内容的各个方面。因此，应当理解，应当从该角度来解读这些陈述，而不是将这些陈述作为对现有技术的承认。

电机或其他致动器用于许多不同的应用中以移动非刚性负载。这些非刚性负载可以包括例如由缆线(例如起重机(crane)和吊车(hoist))悬挂的质量块、由皮带或长轴耦接的负载、悬臂负载、罐或承载液体的其他容器、机器人的端部执行器、或者易受振动、谐振或响应于电机的移动而发生的其他移动影响的其他柔性物体。即使严格控制的电机也可能导致负载以不期望的方式移动。因此，需要用于减少非刚性负载的移动的改进技术。

发明内容

在一个实施方式中，一种系统，包括：电机，其被配置成耦接至非刚性负载；以及通信地耦接至驱动系统的控制系统，其被配置成控制电机的操作。控制系统包括处理器和能够由处理器访问的存储器。存储器存储指令，这些指令当由处理器执行时使处理器：基于指定电机的期望操作的输入来生成平滑移动输入分布图(profile)，以控制电机的操作；将具有陷波滤波器频率的陷波滤波器应用于平滑移动输入分布图，以产生滤波后的平滑移动输入分布图；以及基于滤波后的平滑移动输入分布图向驱动系统发送命令，其中，该命令被配置成调整电机的操作。

在另一实施方式中，一种非暂态有形计算机可读介质包括指令，这些指令当由处理器执行时使处理器：接收指定电机的期望操作的输入，其中，该电机通信地耦接至驱动器并且被配置成耦接至非刚性负载；基于指定电机的期望操作的输入来生成平滑移动输入分布图，以控制电机的操作；将具有陷波滤波器频率的陷波滤波器应用于平滑移动输入分布图，以产生滤波后的平滑移动输入分布图；以及基于滤波后的平滑移动输入分布图向驱动系统发送命令，其中，该命令被配置成调整电机的操作。

在又一实施方式中，一种方法，包括下述步骤：经由控制系统基于指定电机的期望操作的输入来生成平滑移动输入分布图，以控制耦接至非刚性负载的电机的致动；经由控制系统，将具有陷波滤波器频率的陷波滤波器应用于平滑移动输入分布图，以产生滤波后的平滑移动输入分布图；以及经由控制系统，基于滤波后的平滑移动输入分布图向驱动系统发送命令，其中，该命令被配置成调整电机的操作。

附图说明

当参照附图解读以下详细描述时，本实施方式的这些特征、方面和优点以及其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中在整个附图中相同的附图标记表示相同的部件，在附图中：

图1示出了根据本文提出的实施方式的工业系统的高级概述的框图；

图2是根据本文提出的实施方式的可以用于对图1所示的系统进行建模的顺应式两质量块系统的示意图；

图3示出了根据本文提出的实施方式的用于图1所示的系统的利用图2所示的顺应式两质量块系统对图1所示的系统中的电机侧谐振和负载侧谐振进行建模的速度控制环路；

图4是根据本文提出的实施方式的示出用于减少闭环系统中的谐振的开环方法的控制环路图；

图5示出了根据本文提出的实施方式的针对几种不同输入函数的一阶导数、二阶导数和三阶导数；

图6示出了根据本文提出的实施方式的离散二阶陷波滤波器的实施方式的示意图；

图7是根据本文提出的实施方式的示出用于减少图4所示的闭环系统中的谐振的闭环方法的控制环路图；以及

图8是根据本文提出的实施方式的用于减少非刚性负载的谐振的过程的流程图。

具体实施方式

以下将描述一个或更多个特定实施方式。为了提供对这些实施方式的简要描述，说明书中并未描述实际实现方式的所有特征。应当理解，在任何这样的实际实现方式的开发中，如在任何工程或设计项目中那样，都必须做出许多特定于实现方式的决策，以实现开发人员的特定目标例如遵守与系统有关和与业务有关的约束，这些特定目标从一个实现方式到另一个实现方式可能有所不同。此外，应当理解，这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开内容的普通技术人员而言，这仍将是设计、制造和生产的例行任务。

当介绍本公开内容的各种实施方式的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在意味着存在一个或更多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着可能还存在除了所列元件以外的另外的元件。

电机通常用于移动非刚性负载。这些配置可以包括但不限于由缆线(例如起重机和吊车)悬挂的质量块、由皮带或长轴耦接至另一物体的负载、悬臂负载、罐或承载一定体积的液体的其他容器、机器人的端部执行器或者其他柔性物体。由电机和/或输入端在负载的谐振频率下引起的急剧移动可能导致负载摇摆、晃动、谐振、振动或以不期望的方式移动的其他移动。即使严格控制的电机也可能在谐振频率下激励负载，从而导致负载发生不期望的移动。作为响应，一些操作者可能会使电机失谐以降低谐振频率下的振动。例如，操作者可以减少比例积分(PI)控制器的增益设置，以产生较低的带宽控制信号，从而以较慢的速率控制电机，并且因此避免了在系统的谐振频率下的激励。然而，使电机失谐会损害电机的性能。

所公开的技术包括利用“平滑移动”输入分布图和陷波滤波器来控制电机的致动。平滑移动输入分布图——也被称为命令分布图和/或参考分布图——是具有分段连续的至少二阶导数的输入分布图。在一些实施方式中，平滑移动输入分布图可以具有分段连续的三阶导数、四阶导数、五阶导数等。例如，平滑移动输入分布图可以包括三次函数、5阶多项式函数、7阶多项式函数、正弦函数、修改后的正弦函数、正弦平方函数等。通过实现平滑移动输入分布图，电机可以根据平滑且稳定的函数移动。分段连续性避免了生成谐波而激励电机谐振和负载谐振的步骤。陷波滤波器去除指定范围的频率内的输入信号的分量。陷波滤波器由陷波频率、陷波宽度、陷波深度和增益限定。陷波频率限定了陷波滤波器去除的中心频率。陷波宽度限定了由陷波滤波器去除的一定范围的频率，该一定范围的频率以陷波频率为中心。陷波深度限定了在由陷波频率和陷波宽度限定的一定范围的频率内去除的幅度。增益是滤波器的输出与滤波器的输入之比。通过将陷波频率设置为负载的谐振频率，陷波滤波器去除输入信号中的可能以谐振频率激励负载并引起负载的移动的部分。在一些情况下，非刚性负载振动控制系统可以在开环配置下操作，仅具有平滑移动输入分布图和陷波滤波器，而没有来自负载的反馈环路。然而，在其他实施方式中，非刚性负载振动控制系统可以在电机的致动期间使用传感器来收集与负载相对应的数据而以闭环配置操作。在这样的实施方式中，控制系统可以基于所收集的数据经由辅助反馈环路和/或通过可调整的积分增益来生成补充输入信号。在一些实施方式中，补充输入信号可以由比例积分(PI)过程块来调节。

平滑移动输入分布图和陷波滤波器彼此结合使用可以减少电机的剧烈移动以及减少谐振频率下负载的激励。电机的平滑移动(例如基于具有分段连续的至少二阶导数的输入分布图的移动)和具有在负载的谐振频率下的减小的幅度的输入分布图减少了负载的不期望的不可预测的移动、振动和谐振，从而在电机的致动期间实现了平滑且可预测的负载行为。

通过介绍的方式，图1是系统10的透视图，该系统10包括：电源12；电机驱动系统13，其包括控制系统14和电力转换器15；电机16；以及顺应式非刚性负载18。在本实施方式中，系统10是具有耦接至一个或更多个电机16的一个或更多个电机驱动系统13的工业自动化系统10，所述一个或更多个电机16然后耦接至一个或更多个顺应式负载18。在这样的实施方式中，电机驱动器包括控制系统14和电力转换器15。可以用于控制电机驱动系统13的控制系统14可以包括各种子部件例如非暂态存储器M 22、处理器P 24、用户接口等。电力转换器15可以被配置成调节由控制系统14输出的电力信号。例如，电力转换器15可以被配置成将信号从交流(AC)转换为直流(DC)、将信号从DC转换为AC、将信号阶跃上升、将信号阶跃下降等。电机驱动系统13还可以包括可以用于控制电机16的操作的各种子部件例如整流器、逆变器、驱动器电路、一个或更多个开关等。电源12可以供应由公用电网(例如标准电源插座)、电池、电容器、发电机或一些其他交流电源或直流(DC)电源提供的规则电压或高压交流(AC)信号。然而，应当理解，设想了许多可能的实施方式。例如，控制系统14可以是被配置成将控制信号(直接或间接地)输出至电机16或致动器以使致动器移动的任意部件。因此，电机16可以具有机械部件和/或电气部件，并且可以包括线性电机、伺服电机、旋转电机、内燃发动机、空中吊运车、原动机(mover)或被配置成响应于控制信号而移动的任意其他部件。负载18可以是任意顺应式负载，这意味着负载本身可以是顺应式的，可以经由顺应式连杆20耦接至电机，或者可以以其他方式沿一个或更多个方向移动。例如，负载18可以是由缆线(例如起重机和吊车)悬挂的质量块、由皮带或长轴耦接的负载、悬臂负载、承载液体的罐、机器人的端部执行器或者易受响应于电机16的移动而发生的移动影响的其他柔性物体。在一些实施方式中，系统10可以包括设置在电机上的传感器S 26(例如编码器)、设置在负载18上的传感器26或者设置在电机和负载18两者上的传感器26。传感器26可以与控制系统14通信并且向控制系统14提供测量结果，控制系统14可以利用所述测量结果来生成控制信号。

在一些情况下，由于负载18的顺应性，电机16的受控移动可能导致负载18的摇摆、振荡、振动、晃动或其他不期望的移动。因此，系统10通常可以建模为顺应式两质量块系统。图2是顺应式两质量块系统100的示意图，该顺应式两质量块系统可以作为旋转机用来对图1所示的系统10中的电机16和负载18的机械方面进行建模。然而，应当理解，用于起重机和吊车配置、液体晃动、机器人端部执行器等的模型是类似的。如所示出的，两质量块系统100包括通过弹簧106彼此耦接的第一质量块102和第二质量块104。电机16经由轴108和由第一质量块102、第二质量块104和弹簧106表示的负载18提供输入。如图2所示，电机16提供电机转矩T

图3示出了用于图1所示的系统10的利用图2所示的顺应式两质量块系统100来对系统10中的电机侧谐振和负载侧谐振进行建模的速度控制环路200。如所示出的，PI控制器202将控制信号输出至电力转换器204，该电力转换器204转换和/或调节该控制信号并将修改后的控制信号输出至电机16。可以通过转换函数确定在电机侧谐振波德图206中绘制的电机侧谐振：

其中，J

类似地，可以通过转换函数来确定在负载侧谐振波德图208中绘制的负载侧谐振：

如图3所示出的，可以(例如经由编码器)测量电机速度V

图4是示出用于减少闭环系统302中的谐振的开环方法的控制环路图300。如所示出的，闭环系统302可以包括一个或更多个反馈环路sF 304，在一个或更多个反馈环路304中，通过一个或更多个控制块C

除了陷波滤波器312以外，可以使用“平滑移动”输入分布图314替代传统的线性或其他形式的不连续的输入分布图。平滑移动分布图314可以包括用于电机的输入分布图，该输入分布图不包括阶跃、跳跃或在电机或致动器的加速度中的其他不连续性。换句话说，平滑移动分布图314是如下分布图，其分段地连续到输入分布图的n阶导数。例如，平滑移动输入分布图314可以包括例如三次函数、5阶多项式函数、7阶多项式函数、正弦函数、修改后的正弦函数、调整后的正弦函数、正弦平方函数、摆线(cyclosoidal)函数、正弦恒定余弦(sine-constant-cosine，SCCA)函数、简谐运动等。平滑移动输入分布图314的使用可以进一步减少系统302内的不期望的振动、谐振和/或移动。

图5示出了针对几种不同输入函数的一阶导数、二阶导数和三阶导数。第一行400从左到右包括梯形输入函数的一阶导数、二阶导数和三阶导数。梯形输入函数的一阶导数表示电机和/或负载的速度。如图5所示，梯形输入函数的一阶导数在一阶导数中是分段连续的，这是因为一阶导数的图形不包括任意阶跃或跳跃(例如，此时在给定时刻的位移、速度、加速度等的瞬时变化)。阶跃产生谐波(例如方波的傅立叶变换)，这激励电机和负载谐振。然而，如图5所示，梯形输入函数的二阶导数和三阶导数的图形确实包括阶跃，因此梯形输入函数在二阶导数或三阶导数中不是分段连续的。因此，梯形输入函数被认为是“C1连续的”(即，仅一阶导数是连续的)，而不被认为是平滑移动输入分布图。然而，第二行402中所示的5阶多项式输入函数的各种导数的图形不包括任意阶跃或跳跃，因此5阶多项式输入函数在一阶导数、二阶导数和三阶导数中是分段连续的。类似地，第三行404中所示的正弦平方输入函数的各种导数的图形不包括任意阶跃或跳跃，因此正弦平方输入函数在一阶导数、二阶导数和三阶导数中是分段连续的。因此，将5阶多项式输入函数和正弦平方输入函数视为平滑移动输入函数。然而，应当理解，这些示例并非旨在进行限制并且分段连续到指定导数的其他输入分布图可以被认为是平滑移动分布图。

图6是陷波滤波器312的实施方式的示意图，示出为离散的二阶陷波滤波器312。然而，应当理解，图6所示的离散的二阶陷波滤波器312仅是示例并且还设想了其他陷波滤波器的使用。如所示出的，陷波滤波器312包括第一延迟元件500和第二延迟元件500。陷波滤波器312的连续时间转换函数由以下等式表示：

其中，s是角位移，f是以Hz为单位的陷波频率，ζ

返回至图4的控制环路图300。应当理解，所示的闭环系统302仅是示例以及可以应用所公开的技术的任意开环系统或闭环系统的占位符。也就是说，陷波滤波器312和平滑移动输入分布图314可以应用于许多其他控制系统。此外，图4所示的控制环路图300表示开环方法，这是因为不存在基于在负载处获得的测量结果的反馈环路。对于大多数客户而言，图4所示的开环方法将充分执行，使得开环方法的简单性比闭环方法虽改进性能但增加复杂性有价值。然而，在一些实施方式中，尽管增加了复杂性，但是外部干扰(例如，风或装载偏离中心，创建非零初始条件)可以使应用更适合于闭环方法的改进性能。

图7是示出用于减少闭环系统302中的谐振的闭环方法的控制环路图600。如所示出的，干扰602(例如，风或一些其他外力，图2中示出为用于使负载旋转的T

图8是用于减少非刚性负载18的谐振的过程700的流程图。在块702处，基于电机16的期望移动来生成平滑移动输入分布图314。如前面所描述的，平滑移动分布图314是分段连续到输入分布图的n阶导数的分布图。例如，如果n的值设置为2，则平滑移动分布图314是如下输入分布图，该输入分布图不包括阶跃、跳跃或在电机16或致动器的加速度(即，位置的二阶导数)中的其他不连续性。平滑移动分布图314可以包括例如三次函数、5阶多项式函数、7阶多项式函数、正弦函数、修改后的正弦函数、调整后的正弦函数、正弦平方函数、摆线函数、正弦恒定余弦(SCCA)函数、简谐运动等。

在块704处，将陷波滤波器312应用于所生成的平滑移动分布图314。陷波滤波器312从平滑移动分布图314去除一定范围的频率。陷波滤波器312可以由多个参数限定，多个参数可以包括例如陷波频率、陷波宽度、陷波深度和增益。陷波频率限定了陷波滤波器312去除的中心频率。陷波宽度限定了由陷波滤波器312去除的一定范围的频率，该一定范围的频率以陷波频率为中心。陷波深度限定了在由陷波频率和陷波宽度限定的一定范围的频率内去除的幅度。增益是滤波器的输出与陷波滤波器312的输入之比。尽管每个参数都可以由用户调整，但是陷波滤波器312可以被提供有用于一些参数的默认值以便于安装和设置。例如，用于陷波宽度的默认值可以是0.707，用于陷波深度的默认值可以是0，并且用于增益的默认值可以是1。

在块706处，将滤波后的输入分布图314提供至系统302。在一些实施方式中，将滤波后的输入分布图314提供至系统的控制系统13，其可以在将信号提供至电机16之前进一步调节信号。然而，在其他实施方式中，可以将滤波后的输入分布图314直接提供至电机16。然后，电机16可以基于滤波后的输入分布图314延伸、收缩、旋转或以其他方式致动。

在块708处，如果正在实现闭环非刚性负载振动控制配置，则传感器26可以收集来自负载18的数据。例如，传感器26可以收集与负载、轴、电机的一部分等的位置、速度、加速度、振动、振荡等有关的数据。然而，如果正在实现开环负载振动控制配置，则可能无法收集来自负载18的测量结果并且块708可以被省略。

在块710处，可以经由用户接口部件从用户接收对积分增益610的调整。如关于图7所讨论的，非刚性负载振动控制系统的一些实施方式可以包括积分增益610，而非刚性负载振动控制系统的其他实施方式可以省略积分增益610。例如，非刚性负载振动控制系统的闭环实施方式可以包括积分增益610，并且非刚性负载振动控制系统的开环实施方式可以省略积分增益610。因此，如果非刚性负载振动控制系统不具有积分增益控制610，则块710可以被省略。对于非刚性负载振动控制系统的包括积分增益610的实施方式，积分增益可以是允许用户控制增益的单个用户接口元素(例如旋钮、滑块等)。

在块712处，基于在块708处收集的测量结果和/或在块710处接收的增益调整来将补充输入信号612提供至系统302。如所示出的并且关于图7所描述的，在一些实施方式中，反馈信号604可以在作为补充输入信号612被提供至系统302之前运行通过过程块608(例如PI过程块)。在一些实施方式中，可以在系统302中的相同点处将补充输入信号612连同滤波后的输入分布图信号314一起提供。在一些实施方式中，如图7所示，可以将补充输入信号612提供至系统302中与滤波后的输入分布图信号314不同的点。然后，系统302可以基于补充输入信号612和滤波后的输入分布图信号314继续运行。

在块714处，可以接收调整一个或更多个陷波滤波器参数的输入以微调陷波滤波器312。如前面所描述的，陷波滤波器参数可以包括陷波频率、陷波宽度、陷波深度和增益。陷波滤波器312可以带有针对一个或更多个参数的各种默认设置。然而，如果用户期望通过对现有参数进行调整来微调陷波滤波器312，则用户可以提供用于对一个或更多个陷波滤波器参数进行调整的输入。然后，系统可以返回至块704，并且实现用于陷波滤波器参数的调整并且继续利用调整后的陷波滤波器参数进行操作。

所公开的技术包括利用“平滑移动”输入分布图和陷波滤波器来控制耦接至非刚性负载的电机的致动。平滑移动输入分布图是具有分段连续的至少二阶导数的输入分布图。例如，平滑移动输入分布图可以包括三次函数、5阶多项式函数、7阶多项式函数、正弦函数、修改后的正弦函数、正弦平方函数等。平滑移动输入分布图的结果是电机的平滑、稳定移动。陷波滤波器去除一定范围的频率内的输入信号的分量。陷波滤波器由陷波频率、陷波宽度、陷波深度和增益限定。陷波频率限定了陷波滤波器去除的中心频率。陷波宽度限定了由陷波滤波器去除的一定范围的频率，该一定范围的频率以陷波频率为中心。陷波深度限定了在由陷波频率和陷波宽度限定的一定范围的频率内去除的幅度。增益是由滤波器输出的电压与输入至滤波器的电压之比。通过将陷波频率设置为负载的谐振频率，陷波滤波器去除输入信号中的可能以谐振频率激励负载并引起负载的移动的部分。在一些情况下，非刚性负载振动控制系统可以在开环配置下操作，仅具有平滑移动输入分布图和陷波滤波器，而没有来自负载的反馈环路。然而，在其他实施方式中，非刚性负载振动控制系统可以在电机的致动期间使用传感器来收集与负载相对应的数据而以闭环配置操作。在这样的实施方式中，控制系统可以基于所收集的数据经由反馈环路和/或可调整的积分增益输入来生成补充输入信号。在一些实施方式中，补充输入信号可以由比例积分(PI)过程块来调节。

平滑移动输入分布图和陷波滤波器彼此结合使用可以减少电机的剧烈移动以及减少谐振频率下负载的激励。电机的平滑移动和具有在负载的谐振频率下的减小的幅度的输入分布图减少了负载的不期望的不可预期移动、振动和谐振，从而在电机的致动期间实现了平滑且可预测的负载行为。

尽管本文仅示出和描述了本公开内容的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，应当理解，所附权利要求书旨在涵盖落入本文所描述的实施方式的真实精神内的所有这样的修改和改变。