削减控制系统反馈量中周期性扰动的系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种削减控制系统反馈量中周期性扰动的系统，包括控制系统及与所述控制系统相连的谐波控制器，所述谐波控制器用于向所述控制系统提供谐波控制信号，以削减所述控制系统的反馈量中的周期性扰动；所述削减控制系统反馈量中周期性扰动的系统拥有多个控制回路，每个控制回路的谐波控制器包含连接至所述控制系统的幅值计算器，连接至所述幅值计算器的积分器，谐波发生器，连接至所述积分器和所述谐波发生器的倍增器，其中，所述谐波控制器被设置为对生成的谐波分量进行累加，以产生谐波控制信号，并且将得到的谐波控制信号施加给所述控制系统，来削减反馈量中的周期性扰动。
【专利说明】削减控制系统反馈量中周期性扰动的系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种用于削减控制系统反馈量中周期性扰动的系统及方法。
【背景技术】
[0002]目前已有多种系统和方法可用于控制周期性扰动，例如，美国专利7952308公开了一种用于减小永磁电机系统中转矩波动的方法和设备。这种方法和设备在发出转矩命令后，会产生转矩波动减小信号，继而使操作控制信号发生变动，并产生波动减小的操作控制信号，随之将该信号供给控制永磁电机的逆变器。转矩波动减小信号包括一个或多个根据电机的预定转矩波动特性确定的电机电流信号的预定谐波。欧洲专利1182771公开了一种适用于电子整流电机的控制器，该控制器接收指明需要被最大程度地减小的参数(如转矩波动、电流、电压、振动或噪声)的反馈信号。接着，控制器计算参数中一组谐波的振幅和相位，并依次注入具有正确振幅和相位的谐波，以最大程度地减小所述参数。通过对该组谐波进行优化的常规迭代，以进一步减小所述参数。
[0003]在机械系统控制期间更有必要这么做，因为机械系统所具有的两项特性，即周期性扰动随时间变动与具有可削减周期性扰动的自适应控制器，能够有效地跟踪周期性扰动的变化规律。
实用新型内容
[0004]本实用新型提供了一种由控制系统及与之相连的谐波控制器组成的系统，谐波控制器用于向控制系统提供谐波控制信号，以削减控制系统反馈量中的周期性扰动。另一方面，本实用新型提供了一种用于削减控制系统反馈量中周期性扰动的方法。
[0005]在一个实施例中，本实用新型提供了一种系统，由控制系统及与之相连的、为该控制系统提供谐波控制信号的谐波控制器组成。谐波控制信号用以削减控制系统反馈量中的周期性扰动。该系统拥有多个控制回路或者信号路径，其中每一个控制回路或者信号路径都包含幅值计算器、积分器、谐波发生器和倍增器。幅值计算器连接至控制系统，以接收代表反馈量的反馈信号，同时将幅值计算器配置为重复计算反馈信号各次谐波分量的幅值。积分器连接至幅值计算器，以接收重复计算得出的值，同时将积分器配置为对所接收的值进行求和以得出一个累积值。将谐波发生器配置为产生与各次谐波分量频率相同的谐波信号，以及与各次谐波分量相应的相位，以补偿所述控制系统产生的谐波控制信号与各次谐波分量频率相同的反馈信号之间的估计相移。倍增器连接至积分器和谐波发生器，以使累积值和谐波信号倍增，继而生成一个谐波分量。谐波控制器被设置为对生成的谐波分量进行累加，以产生谐波控制信号并将所产生的谐波控制信号施加给控制系统，来削减控制系统反馈量中的周期性扰动。
[0006]实际上，谐波控制器将各次谐波分量幅值视为集成式误差信号，并分别对每个谐波分量实施控制，以减小反馈控制产生的幅值。这样，谐波控制器就能够通过收敛到稳定状态来实现自适应，届时，生成的谐波分量会对反馈信号的各次谐波分量进行补偿。如果控制系统或其工作条件随之发生变化，则各次谐波分量幅值也将发生变化(但不会变为零)，继而引起累积值和生成的谐波分量变动，直至各次谐波分量再次得到补偿。通过设定生成的分量相位来补偿控制系统带来的、注入到控制系统中的谐波控制信号与反馈信号在各次频率上的相移，继而避免以一个或多个各次频率出现正反馈和相应的不稳定状态，从而增进了系统稳定性。
[0007]可将谐波控制器配置为按比例调节每个控制回路生成的谐波分量，以补偿与生成的谐波分量频率无关的控制回路的增益。如此一来，通过设定单增益就能以不同控制回路的各次频率调整控制回路的时间常数，且单增益无需随频率变动而变动，例如控制系统的角速度发生变化时，单增益无需发生任何变动(见下文)。
[0008]可将幅值计算器配置为使各次谐波分量(如各次谐波频率的正弦函数或余弦函数)随反馈信号倍增，并对各次谐波分量的一个或多个周期的结果进行积分。这便给出了一种高效的计算幅值的方法，由此计算得出的幅值实际上与连续计算得出的傅里叶系数相差无几。
[0009]谐波控制器的各次谐波分量可包含两个基频正交谐波分量，以及一对或多对频率为基频的整数倍的其它正交谐波分量。例如，谐波分量可以是每个频率的正弦函数和余弦函数的组合。通过提供一组每个谐波频率的正交函数，即可用正弦分量和余弦分量的相对幅值来表示任意相位关系(请注意，任何能够产生90度相移的正弦函数或余弦函数都能实现相同的效果，具体可视情况选用)。为完整表示截止谐波，以整数倍增的频率应呈连续状态。
[0010]控制系统可包含一个用于移动与静止部件相对的可活动部件的电机。请注意，本实用新型公开内容不限于电机和实际的机械控制系统，其同样适用于其它控制信号可为电压和反馈量电流的控制系统(如电流源)。
[0011]谐波分量可以是与静止部件相对的可活动部件的位置函数。例如，谐波分量可以是与静止部件相对的可活动部件的内部周期位置的函数。如果电机为旋转电机，该函数则为简单的转子角；如果电机为线性电机，该函数则为其一个或多个极内的相对线性位置。实际上，系统随后将以在频率域内运转的类似方式在周期域内运转，且频率域内的基频分量随系统转动而变动(如果电机为旋转电机)。但与频率域内的分量不同的是，周期域内每个分量的频率都将随电机速度而自动变动。同样地，谐波分量也具有周期域内分量的特点，因此，系统在频率域内运转时，尤其在控制系统不是电机的情况下，周期性扰动并非由电机或其负载特性引起。如上所述，可活动部件可以是与静止部件相对的可转动转子，位置可以是与静止部件相对的转子的角位置。电机通常由电机控制器控制，具体取决于电机控制器所需的输入。谐波控制信号可代表电机转矩、力、电流或磁通量。
[0012]控制系统可包含一个反馈控制器，该反馈控制器可配置为根据可活动部件的期望位置或速度与实际位置或速度之间的对比情况产生一个误差信号，继而产生一个与该误差信号对应的反馈误差控制信号。随后便可将控制系统配置为结合反馈误差控制信号和谐波控制信号来控制电机。或者，电机也可由任何其它适当的控制算法控制，例如，在前馈控制中，可将其算法的输出与谐波控制信号进行结合，以控制电机。谐波控制器所用的反馈信号可以是反馈控制器产生的误差信号(或反馈控制器所用的误差信号之一)，如位置或速度误差。反馈信号也可以是代表可活动部件的速度的信号。尽管需具备一定的信号条件，但任何包含因施加给控制系统的控制信号引起的周期性扰动的信号均可被使用。例如，如果将内部周期电机位置用作一项输入，则需处理由锯齿和以恒速运转的转子角的剖面产生的谐波。另外，如果使用电机位置信号记录电机运转多圈后的位置，则需处理因测量恒速运转电机位置而呈现的连续斜坡所产生的谐波。
[0013]可将谐波控制器配置为，检测每个估计相移一旦超过阈值就将一个或多个生成的谐波分量的幅值减小到零。例如，可通过减缓积分器或其它方式来实现这一目的。如此一来，就可以通过抑制高相移分量(通常极易导致误差或正反馈)来提高系统稳定性。
[0014]系统可包含存储器，同时谐波控制器可配置为在系统断电时将每个控制回路的累积值存储在该存储器中。系统在断电之后重新启动时，每个控制回路的累积值均可通过所存储的值实现初始化，以确保先前的整合不会丢失。
[0015]请注意，“幅值计算器”、“积分器”、“谐波发生器”、“倍增器”、“谐波控制器”等术语均表示物理分量和逻辑组织计算单位，但不具有必定在独立的逻辑模块中执行相应的函数这一涵义。例如，如上所述的谐波控制器可被作为软硬件的单一功能或多个相互关联的功能模块来实施，其中功能模块并非一定要与如上所述的逻辑功能一一映射，同时也并非一定要与系统的其它方面结合。在不违背本实用新型公开内容的情况下，可视情况单独或结合使用所述各个逻辑模块的功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]参考附图，现在将采用示例的方式来描述一个特定的实施例来说明上述概念和原理,其中:
[0017]图1示出了包含速度内环的位置控制器，适用于连接到机械系统的电机；
[0018]图2示出了图1增加了谐波控制器的系统；
[0019]图3示出了图2的谐波控制器的详细信息；
[0020]图4示出了为谐波控制器选择不同输入信号时的注意事项；
[0021]图5示出了说明谐波控制器如何运作的试验装置；
[0022]图6a和6b示出了通过图5的试验装置获取的结果。
【具体实施方式】
[0023]参考图1，在电流控制器6的控制下，电机4驱动了机械系统2，且电流控制器6将其输入视为所需的转矩。所需的转矩信号由速度控制器8产生，而该控制器接收机械系统的角速度反馈以及位置控制器10的所需速度信号输入。位置控制器10根据所需的位置输入信号和实际位置的反馈(例如结合角速度)产生所需的速度信号。除图1所示的控制系统夕卜，还有其它类似的系统。此类系统包括其它分量，如位置或速度前馈信号以提高系统的响应能力，而本实用新型公开内容同样适用于此类系统。
[0024]图2是一个说明图1所示的系统的方块图，其中，位置控制器10以比较器12和增益模块14 (增益为Kv)表示；速度控制器8以一个比较器和比例和积分增益模块16 (比例增益为Kp、积分增益为Ki)表示；而转矩控制器、电机和机械系统以集总模型18 (分别对应电流增益Kc的转矩需求，转矩增益Kt的电流和机械系统的惯性J)表示。此外，还有连接至系统的谐波控制器。[0025]谐波控制器20将比较器12输出的位置误差视为输入，并输出一个转矩需求Th，该输出与速度控制器8 (增益模块16)提供的输出转矩需求相加以向电流控制器6 (集总模型18)提供输入，从而抑制电机4和/或机械系统2引起的周期性扰动。有关此类周期性扰动，会因诸如电机4中的齿槽转矩或驱动机械系统2的转矩而引发。从谐波控制器20的角度来看，图1的系统(控制模块12、14、16和图2的模型18)与一个控制系统22对应，该控制系统可提供包含针对谐波控制器的周期性扰动的反馈信号(即位置误差)，并接收转矩需求或来自谐波控制器20的输入，从而使周期性扰动得以在闭环运作中进行补偿。
[0026]参考图3，现在对谐波控制器20的详细信息进行说明。谐波控制器20与控制系统22结合可提供多个控制回路，其中每个回路均包含接收控制系统22提供的位置误差信号以作为反馈信号的倍增器24。倍增器24与可复位积分器26连接，如此即与两个增益模块28和30以及另一个积分器32实现了串联。而积分器32反过来又连接至另一个倍增器34。
[0027]—个内部周期角计算模块36接收位置基准或控制系统22提供的所需位置，然后将其转换为内部周期角Θ。例如，如果电机包含一个旋转机器且位置基准是一个旋转机器的转子会进行多次旋转的位置，则内部周期角Θ将成为位置基准模2 π (或者在实施时，以会使转子全旋转的数字化位置的增量数为模)。此外，也会向复位模块38提供位置基准(或内部周期角)。该模块会在每个位置基准周期，即在转子的每次全旋转或每次将内部周期角Θ复位为O后，为积分器26提供一个中断。接着，倍增器24使用谐波函数，内部周期角Θ的正弦函数或余弦函数使位置误差倍增。
[0028]如图3从上到下所示，第一个控制回路使用正弦函数(Θ )使位置误差倍增，第二个回路使用余弦函数(Θ )使位置误差倍增，第三个回路使用正弦函数(2 Θ )使位置误差倍增，第四个回路使用余弦函数(2 Θ )使位置误差倍增，以此类推。倒数第二个回路使用正弦函数(m Θ )使位置误差倍增，而最后一个回路使用余弦函数(m Θ )使位置误差倍增，以分析其周期内容(直至第m次谐波)的位置误差(请注意没有直流项，且回路均为随机编排)。倍增器24的输出通过积分器26对一个周期内的内部周期角Θ作积分。在Θ周期内，积分器26仅整合其输入且不会生成输出，直至其接收到复位模块38在每个周期结束时发出的中断信号。为响应此中断信号，积分器26将输出其值并复位为O。增益模块28接收积分器26的输出并按2/N的比例进行倍增，其中N是积分器26整合的样本数。增益模块28的输出对应于每个回路的位置误差信号中各次谐波分量的幅值。
[0029]增益模块28的输出会乘以增益模块30提供的可调整增益K，然后由积分器32求总以生成在其输出时的累积幅值。积分器32提供的累积幅值将输入到另一个倍增器34，该倍增器以与倍增器24使用谐波函数进行倍增相同的次数，使用一个谐波函数对累积幅值进行倍增，但倍增幅度为增益Gm且含有一个与初始谐波函数相关的相移βπι。此增益和相移与环路的谐波函数的频率相关，即与谐波次数m相关。下面将讨论如何计算增益Gm以及相移β m。
[0030]由于各次谐波分量(至少在一个线性控制系统的理想状态下)属于独立项，因此谐波控制器20需结合控制系统22以实施多个相互独立的控制回路，其中可将每个回路视为以其各次谐波分量的幅值的形式产生误差信号，接着信号将累积以生成与其它回路的输出叠加的输出，从而导致向控制系统22提供负反馈控制信号(请注意，反馈回路因用于推导位置误差的位置反馈反转而变成负)。
[0031]在控制系统22中，从谐波控制器20的转矩需求输出到谐波控制器20的位置误差输入的相移取决于信号频率。因此，有必要补偿这一相移以确保一个或多个控制回路不会累积一个超过360°的相移，继而导致出现不稳定的正反馈回路。理想情况下，TH与控制系统22中的反馈信号之间的相移会由相移βπι (相应控制回路产生的转矩需求TH与倍增器24的谐波函数之间)完全补偿。详情请参见图4。此外，图4还说明了如果将反馈信号(而不是误差信号)用作谐波控制器20的输入，则应用于反馈比较器的反转就必须应用于其它位置，例如应用在结合来自于速度控制器8/16的转矩需求以及基准谐波转矩TH的加法器上，从而确保获取稳定的负反馈回路。而上述的反馈信号的例子可能是电机位置α，内部周期位置，或者是角度Θ，或者是速度。
[0032]如上所述，在时域中重建转矩前，每个分量必须进行相移，以便在位置误差中出现注入转矩效应时，频率分量具有正确的相。如果不是这种情况，则特定分量的反馈控制回路可以包含正反馈。如下所示，从注入转矩到位置反馈之间的相移是控制系统22的转矩扰动特性的相移(a (s)/TH(s))。
[0033]通过以下等式可得出转矩扰动特性的位置:
【权利要求】
1.一种削减控制系统反馈量中周期性扰动的系统，包括控制系统及与所述控制系统相连的谐波控制器，所述谐波控制器用于向所述控制系统提供谐波控制信号，以削减所述控制系统的反馈量中的周期性扰动；所述削减控制系统反馈量中周期性扰动的系统拥有多个控制回路，每个控制回路的谐波控制器包含: 连接至所述控制系统的幅值计算器，所述幅值计算器用于接收代表反馈量的反馈信号，并且所述幅值计算器被配置为重复计算反馈信号各次谐波分量的幅值； 连接至所述幅值计算器的积分器，所述积分器用于接收所述重复计算出的幅值，并且所述积分器被配置为对所述接收到的幅值进行求和以得出一个累积值； 谐波发生器，所述谐波发生器被配置为产生与各次谐波分量频率相同的谐波信号，以及与各次谐波分量相应的相位，以补偿所述控制系统产生的谐波控制信号与各次谐波分量频率相同的反馈信号之间的估计相移； 连接至所述积分器和所述谐波发生器的倍增器，所述倍增器用于将所述累积值和所述谐波信号倍增，从而得到一个生成的谐波分量； 其中，所述谐波控制器被设置为对生成的谐波分量进行累加，以产生谐波控制信号，并且将得到的谐波控制信号施加给所述控制系统，来削减反馈量中的周期性扰动。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器被配置为按比例调节每个控制回路中的所述生成的谐波分量，以补偿与生成的谐波分量频率无关的控制回路的增益。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述幅值计算器被配置为使各次谐波分量随反馈信号倍增，并对各次谐波分量一个或多个周期的结果进行积分。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述各次谐波分量包含两个基频正交谐波分量，以及一对或多对频率为基频的整数倍的其它正交谐波分量，其中优选整数倍是连续的。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制系统包含用于移动与静止部件相对的可活动部件的电机。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述谐波分量是与所述静止部件相对的所述可活动部件的位置函数。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述可活动部件是与所述静止部件相对旋转的转子，所述位置是与所述静止部件相对的转子的角位置。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述谐波控制信号代表电机转矩、力、电流或磁通量。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制系统包含反馈控制器，该反馈控制器被配置为根据所述可活动部件的期望位置或速度与实际位置或速度之间的对比情况产生一个误差信号，继而产生一个与该误差信号对应的反馈误差控制信号；其中，所述控制系统被配置为结合所述反馈误差控制信号和所述谐波控制信号去控制所述电机。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述反馈信号是所述误差信号或者是代表所述可活动部件的速度的信号。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述谐波控制器被配置为一旦检测到各个估计相移超过阈值，就将一个或多个生成的谐波分量的幅值减小到零。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述系统包含存储器，同时谐波控制器被配置为在系统断电时将每个控制回路的累积值存储在该存储器中，并在系统重新启动后通过所述存储的 累积值初始化每个控制回路的累积值。
【文档编号】H02P21/05GK203617951SQ201320693847
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年11月5日 优先权日:2012年11月15日
【发明者】迈克尔·凯德 申请人:控制技术有限公司