一种伺服系统控制回路增益的整定方法技术方案

一种伺服系统控制回路增益的整定方法，伺服系统在往复运动中自动整定伺服控制回路增益参数，分为位置环控制回路与速度环控制回路的增益参数整定；在整定开始前，首先确定简化的负载模型参数，即确定负载的转动惯量J，然后进行末端低频抖动检测与抑制，再进行速度环控制回路增益参数整定，最终进行位置环控制回路增益参数整定。本发明专利技术方法使得伺服系统能够在往复运动中自动整定伺服控制回路增益参数，包括位置环比例增益Kp、速度环比例增益Kv、速度环积分时间常数Ti和转矩滤波时间常数Tf；并且完成负载末端的低频抖动抑制以及机械谐振的抑振，有效简化了伺服系统的调谐过程，提高了自动化与智能化水平。

【技术实现步骤摘要】
一种伺服系统控制回路增益的整定方法
本专利技术属于伺服系统控制
，为一种伺服系统控制回路增益的整定方法。
技术介绍
在实际应用中，受伺服电机与负载的联接机构、负载转动惯量、机械谐振等因素的影响,需要经常调整伺服系统控制回路的增益参数，以满足系统稳定性、静态及动态的性能要求。由于伺服系统控制增益参数众多，且参数之间互相关联，这大大增加了现场应用调试的难度，不利于生产效率的提升。在此背景下，研究伺服系统增益参数的整定技术，并在伺服产品中实施相应的功能，可以大大降低伺服系统应用的技术门槛，提升自动化及智能化程度，创造良好的用户体验。经对现有的技术文献的检索，发现三篇可供对比的专利文献。对比文件1：上海交通大学的专利技术名称为《基于继电反馈的交流伺服系统自整定方法》的专利，授权公告号为CN101552589B。对比文件2：上海新时达电器股份有限公司的专利技术名称为《电机伺服驱动器控制器参数自动调整装置及其方法》的专利，授权公告号为CN101895252B。对比文件3：苏州汇川技术有限公司的专利技术名称为《伺服电机系统增益参数自调整方法及系统》的专利，申请公布号为CN104617845A。对比文件1利用继电反馈法辨识出扭矩环和速度环的模型参数，然后使用速度环和位置环的PID参数整定准则计算公式，直接获得速度环比例增益参数、速度环积分增益参数和位置环比例增益参数。其中PID参数的整定结果完全取决于扭矩环及速度环的模型参数，对于模型参数辨识的精度要求高；另一方面，由于缺乏参数的评价机制，当辨识参数与实际参数有偏差时，无法实现控制器PID参数的校正。对比文件2引入了参数优化器与参数检验器两个环节，利用参数优化器中的计算公式进行速度环控制器和位置环控制器的参数调整，通过参数检验器对整定后参数进行校正；专利中参数的优化准则较依赖于经验参数，面对各种不同的工况，经验参数的通用性有待商榷；另一方面专利未考虑机械谐振的抑制处理。对比文件3在软件中预先设置了刚性等级表，该表由位置环比例增益、速度环比例增益、速度环积分增益和低通滤波器时间四组参数构成。逐步提高刚性等级，与此同时进行振动检测，若过程中遇到机械共振，则开启陷波滤波器抑振，确定最高的刚性等级。当在采用所述最高刚性等级的参数运行时，若系统出现超调或者抖动等情况，专利仅对速度环积分增益参数进行微调处理，而不对位置环增益参数进行调整；另一方面，对于负载柔性引起的末端抖动，专利亦未作针对性的处理。
技术实现思路
针对现有伺服系统控制回路增益整定机制的上述缺陷，本专利技术提出一种改进方法，使得经过整定后控制增益参数更加适用于实际的工况。本专利技术的技术方案为：一种伺服系统控制回路增益的整定方法，伺服系统在往复运动中自动整定伺服控制回路增益参数，分为位置环控制回路与速度环控制回路的增益参数整定；在整定开始前，首先确定简化的负载模型参数，即确定负载的转动惯量J，用于匹配速度环控制回路中的负载转动惯量比Jt；然后进行末端低频抖动检测与抑制，用于获得更好的定位效果；再进行速度环控制回路增益参数整定，与此同时实现机械谐振的抑制；最终进行位置环控制回路增益参数整定。具体步骤如下：1)检测负载的转动惯量J；2)末端低频抖动检测及抑制：对伺服电机侧的位置偏差信号进行低频抖动的频率检测，如位置偏差信号在定位阶段出现低频抖动波形，在下一个运动开始前，设置低频抖动频率并开启低频抖动抑制；如果未检测到低频抖动，则直接进入步骤3)；3)速度环控制回路增益参数整定：速度环增益参数包括速度环比例增益Kv、速度环积分时间常数Ti和转矩滤波时间常数Tf，Kv与Ti、Kv与Tf近似成反比例关系，Kv从出厂值开始递增，相应的Ti和Tf自动递减，在首次检测到机械谐振后设置陷波滤波器，将陷波滤波器的中心频率设置为检测出的谐振频率进行抑振，并确认抑振效果，如果无效则降低Kv直到振动消除，并进入步骤4)；如果有效则Kv继续递增，直到再次产生机械谐振时，降低Kv直到振动消除，完成步骤3)，进入步骤4)；4)位置环控制回路增益参数整定：位置环比例增益Kp采用递减的方式进行增益搜索，以位置偏差进入定位完成幅宽范围后是否再超出该区间作为定位动作评价标准，当Kp偏大时，位置偏差超出定位完成幅宽区间，形成反复调节；随着Kp减小，位置偏差逐渐进入定位完成幅宽区间内，反复调节的次数也随之减少；当Kp调整到合适值时，位置偏差进入定位完成幅宽区间后，便不再超出定位完成幅宽区间，整定完成。步骤2)中，如再低频抖动抑制后仍然能检测到低频抖动频率，则整定失败，不再进行后续的步骤。步骤3)中，通过对速度偏差信号进行傅里叶分析来判断系统是否产生了机械谐振，如果检测到机械谐振，则同时获得谐振频率值。本专利技术方法使得伺服系统能够在往复运动中自动整定伺服控制回路增益参数，包括位置环比例增益Kp、速度环比例增益Kv、速度环积分时间常数Ti和转矩滤波时间常数Tf；并且完成负载末端的低频抖动抑制以及机械谐振的抑振。有效简化了伺服系统的调谐过程，提高了自动化与智能化水平。本专利技术具有如下优点1)只涉及简化的负载模型参数辨识，仅需要作负载转动惯量J的检测；2)以机械振动作为速度环控制回路增益参数整定的评价依据，以定位完成幅宽区间作为位置环控制回路增益参数整定的评价依据，评价机制直接与运行状态以及定位性能相关，能更好地适应各种实际工况；3)为了获得更高的伺服刚性，在检测到机械谐振后，通过陷波滤波器抑振后，能设置更高的速度环增益；4)对于负载柔性引起的末端低频抖动，通过检测抖动频率并抑制，可以有效改善定位效果，从而能设置更高的位置环比例增益；5)伺服系统在增益参数自整定过程中无需上位机参与，依据实际应用工况，可在伺服系统内部生成距离、速度、加速度可设置的运动曲线。附图说明图1为本专利技术的流程示意图。图2为本专利技术实施例的伺服系统运动轨迹。图3为本专利技术实施例给出的一种位置指令速度形式。图4为本专利技术这在正向定位阶段进行低频抖动的频率检测示意图。图5为末端低频抖动检测及抑制的流程图。图6为速度环控制回路增益参数整定流程图。图7为本专利技术中位置环控制回路增益参数整定流程图。图8为本专利技术中位置环比例增益与位置偏差的关系图。图9为本专利技术方法的整体原理示意图。具体实施方式以附图为基础对本专利技术的具体实施方式进行说明。如图1，本专利技术整定方法，主要为四个步骤：1)检测负载的转动惯量J；2)末端低频抖动检测及抑制；3)速度环控制回路增益参数整定；4)位置环控制回路增益参数整定。总体实施原理如图9所示，分为位置环控制回路与速度环控制回路的增益参数整定；在整定开始前，首先确定简化的负载模型参数，即负载的转动惯量J，用于匹配速度环控制回路中的参数Jt，即负载转动惯量比；为了获得更好的定位效果，需要进行末端低频抖动检测与抑制；然后进行速度环控制回路增益参数整定，与此同时实现机械谐振的抑制；最终进行位置环控制回路增益参数整定。伺服系统的运动轨迹由内部自动生成，运动距离、速度、加速度都可以设置。所述步骤1)的实施参考文献《永磁交流伺服系统的惯量辨识》(机床与液压，2008,36(8)：299-300)，使伺服系统按照预设的对称曲线运行，依据运动方程可以计算出负载的转动惯量J，用于速度环控制回路的控制。步骤2)流程图如图5所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种伺服系统控制回路增益的整定方法，其特征是伺服系统在往复运动中自动整定伺服控制回路增益参数，分为位置环控制回路与速度环控制回路的增益参数整定；在整定开始前，首先确定简化的负载模型参数，即确定负载的转动惯量J，用于匹配速度环控制回路中的负载转动惯量比Jt；然后进行末端低频抖动检测与抑制，用于获得更好的定位效果；再进行速度环控制回路增益参数整定，与此同时实现机械谐振的抑制；最终进行位置环控制回路增益参数整定。

【技术特征摘要】
1.一种伺服系统控制回路增益的整定方法，其特征是伺服系统在往复运动中自动整定伺服控制回路增益参数，分为位置环控制回路与速度环控制回路的增益参数整定；在整定开始前，首先确定简化的负载模型参数，即确定负载的转动惯量J，用于匹配速度环控制回路中的负载转动惯量比Jt；然后进行末端低频抖动检测与抑制，用于获得更好的定位效果；再进行速度环控制回路增益参数整定，与此同时实现机械谐振的抑制；最终进行位置环控制回路增益参数整定。2.根据权利要求1所述的一种伺服系统控制回路增益的整定方法，其特征是具体步骤如下：1)检测负载的转动惯量J；2)末端低频抖动检测及抑制：对伺服电机侧的位置偏差信号进行低频抖动的频率检测，如位置偏差信号在定位阶段出现低频抖动波形，在下一个运动开始前，设置低频抖动频率并开启低频抖动抑制；如果未检测到低频抖动，则直接进入步骤3)；3)速度环控制回路增益参数整定：速度环增益参数包括速度环比例增益Kv、速度环积分时间常数Ti和转矩滤波时间常数Tf，Kv与Ti、Kv与Tf近似成反比例关系，Kv从出厂值开始递增，相应的Ti和Tf自动递减，在首次检测到...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨凯峰，李军良，齐丹丹，
申请(专利权)人：南京埃斯顿自动控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32