[發明專利]最優化的運動控制部件和能量效率的估量和調節方法

有效

• 申請號: 201410433160.5
• 申請日: 2014-08-28
• 公開（公告）號: CN104423303B
• 公開（公告）日: 2017-03-15
• 發明（設計）人: 羅伯特·H·施米特;格里·M·納格爾;羅伯特·J·米克洛紹維奇
• 申請（專利權）人: 洛克威爾自動控制技術股份有限公司
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 王萍,李春暉

技術領域

本發明涉及運動控制系統的領域，具體地，涉及用于實現運動控制系統的估量和調節方法。

背景技術

自動化領域中的運動控制通常指的是使用某種類型的裝置，諸如電磁電機或致動器，來控制機器或負載的位置、速度或轉矩/加速度。典型地，使用具有閉環反饋的伺服機械裝置(伺服機構)或驅動器，其提供誤差感測負反饋以補償電機的實際運動的偏差，同時試圖跟隨運動輪廓。在操作中，驅動器可以根據運動輪廓向電機供電，其轉而驅動負載。隨后，定期地或連續地從電機向驅動器返回反饋，其允許驅動器補償電機的實際運動中的誤差。

通常，諸如駐留在運動規劃器中的運動規劃器、可編程邏輯控制器(PLC)、具有集成運動規劃器的PLC(PLC+)、自動化控制器、工業PC(用于工業應用的基于x86PC的計算平臺)或其他裝置被用于向驅動器提供電子運動輪廓或命令軌跡。運動規劃器經由通用工業協議(CIP)控制網絡向驅動器發送電子運動輪廓，該CIP控制網絡是適于高度可靠的和可用的實時通信的網絡。通常使用的控制網絡包括例如ControlNet、DeviceNet、EtherNet/IP、SERCOS、EtherCAT、Profibus和CIP?Motion，它們的規范被公布并且它們的協議被許多制造商和供應商廣泛使用。運動規劃器還可以經由諸如+/-10V的模擬接口或者諸如步進和方向接口(Step?and?Direction?Interface)的數字脈沖序列來發送命令。當然，運動控制部件的劃分可以諸如依工業而變化。事實上，一些實現方案可以在單個封裝中提供PLC、驅動器和電機。

典型地，使用分立的軟件工具用于估量(sizing)和選擇電機/驅動器部件，并且用于配置、編程和執行運動控制應用。運動控制系統中的位置和速度控制環路可以經由比例-積分-微分(PID)控制器和前饋增益(Feed-forward?Gain)通過工業環境而被設定，這可能級大地影響系統的增益和相位響應并且因而影響功率/能量效率。運動分析器，例如來自羅克韋爾自動化公司(Rockwell?Automation,Inc.)的軟件工具，可用于協助估量和選擇機器部件，并且例如RSLogix5000可用于配置、編程和執行運動控制應用。

通常執行估量計算作為“后向開環計算”，意味著不同于使環封閉以計算輸出和所有其他內部信號，假設輸出完美地跟隨輸入。隨后，從輸出進行反向計算以計算其他信號，諸如所需的電流和能量。

然而，這沒有充分考慮調節參數的影響，諸如用于PID控制器的增益值以及運動輪廓，并且可能沒有解決由于這些值引起的系統中的損失。例如，較低的增益值使能量效率增加但是使性能降低，而較高的增益值使能量效率降低但是使性能提高。再者，系統中的外部干擾，諸如摩擦、根據溫度的變化和制造部件的變化，常常導致未被充分考慮的變化。

因此，驅動器和電機可能需要比必要情況大的電流(和功率或能量)以克服這些變化和外部干擾。這轉而導致過度的功率/能量消耗、過度的熱和低效。需要估計和提高功率/能量效率同時維持性能的運動控制軟件工具。此外，需要使用戶能夠進一步限定他們的運動控制應用以允許以最小成本和機器占地(footprint)來實現最大功率效率的運動控制軟件工具。

發明內容

發明人認識到，通過針對給定配置對運動控制系統的性能進行仿真以實現性能目標和最小功率(或能量)消耗，可以實現更準確和高效的運動控制系統。仿真分析考慮運動輪廓以及一個或更多個相應的性能參數，并且得到的配置提供了關于諸如驅動器和電機的硬件元件的估量以及關于這些元件的設定或調節。性能參數可以諸如通過建立相應的性能或誤差的可接受的水平來描述電子運動輪廓和/或機械負載傳動的特征。性能參數可以包括例如，最大位置誤差、最大速度誤差、關于電子運動輪廓的區域或區間的最大誤差、就位時間(position?settling?time)、位置可重復性、位置精度、位置帶寬、速度帶寬、加速度時間、電機熱容量、電機溫度和驅動器溫度。仿真允許最優化以提高效率，包括能量效率、降低的功率消耗、電機/驅動器部件的成本以及電機/驅動器部件的尺寸。

因此，根據本發明的實施例的估量和調節軟件工具利用以最小功率使用來滿足一個或更多個性能參數所需的調節參數，對運動規劃器和驅動器的選擇和配置進行仿真并顯示。用戶可以進行迭代以實現期望的能量/功率使用，相對于包括驅動器、電機、線纜、接觸器、電磁兼容(EMC)濾波器等的硬件的物料清單(BOM)成本，這可以影響總體擁有成本(TCO)。