切割机伺服系统机械谐振的抑制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种切割机伺服系统机械谐振的抑制方法，玻璃切割机伺服系统在线机械谐振自动抑制功能启动后，速度控制回路对X轴伺服电机的交轴电流信号进行采样，当采样点数和预定的点数相等时，开始进行数据运算处理，主要包括信号频谱的计算、按倒序存储频谱、频谱幅值计算、陷波滤波器参数配置；系统根据在线检测的谐振频率自动配置陷波滤波器参数后，系统保持了高增益和高刚度控制的同时，能够有效的抑制机械谐振，确保在伺服系统发生谐振时对交轴电流反馈信号做频谱分析，以实时的检测到系统的谐振频谱特性，根据谐振频谱特性的检测结果设计自适应陷波滤波器，自动整定陷波滤波器的参数，对切割机伺服系统的机械谐振进行了较好的抑制。

Suppression Method of Mechanical Resonance in Cutting Machine Servo System

【技术实现步骤摘要】
切割机伺服系统机械谐振的抑制方法
本专利技术属于玻璃切割领域，特别设计一种切割机伺服系统机械谐振的抑制方法。
技术介绍
在玻璃深加工中，玻璃切割机的高精度、高性能是后续玻璃加工及成品质量的重要保证。玻璃切割机系统主要由机架、输送系统、定位系统、刀路切割系统四大部分组成。如图1所示，刀路切割系统是运动机构，由三轴伺服系统组成：X轴伺服电机通过同步带机构驱动横梁运动，Y轴伺服电机通过减速器驱动切割刀盒运动，Z轴伺服电机通过减速器驱动刀轮运动。在玻璃切割过程中，要求控制系统具有良好的动态特性，以满足高速运行和精准定位。由于切割系统的传动机构存在一定的弹性，系统在运行中容易产生机械谐振，机械谐振对切割系统的性能和精度会产生很大影响。伺服系统的机械谐振抑制通常可采用改变机械设计或改变控制策略来实现。为提高系统的动态性能，减弱机械谐振对玻璃切割机系统的影响，部分玻璃切割机采用优化机械结构，在零件加工和装配工艺方面进行了改进。但在实际应用中抑制谐振的效果并不理想，因此实际应用中可通过伺服控制系统抑制机械谐振。目前伺服系统抑制机械谐振主要有三种方式：智能控制算法、状态反馈控制法和陷波滤波器法。智能控制算法有模糊控制算法、滑模变结构控制算法、自适应控制算法、遗传算法及神经网络算法等先进算法。这些算法设计复杂，运算量大，需要较高的硬件支持，在工业应用中尚未成熟。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种切割机伺服系统机械谐振的抑制方法，确保在伺服系统发生谐振时对交轴电流反馈信号做频谱分析，以实时的检测到系统的谐振频谱特性，根据谐振频谱特性的检测结果设计自适应陷波滤波器，自动整定陷波滤波器的参数，对切割机伺服系统的机械谐振进行了较好的抑制。为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种切割机伺服系统机械谐振的抑制方法，包括如下步骤：A、对X轴伺服电机的电流反馈信号进行频谱特性分析，通过坐标变换，电机电流的转矩分量和励磁分量分别由交轴电流iq和直轴电流id表示，将电机电流分解为转子旋转轴系下的交轴电流iq和直轴电流id，采用id＝0的控制方式，电机的输出转矩与交轴电流iq呈线性关系，电机转速振荡以及转矩的振荡皆由机械谐振引发，通过直接分析电机的交轴电流，则电机转矩的频率特性即可分析，进而分析伺服系统的频谱特性，对X轴伺服电机的交轴电流iq反馈信号进行频谱特性分析；B、得出谐振频谱曲线图，频谱值中得到幅值最大值Hm，将幅值最大值Hm与设定的阈值Hp进行比较，判断Hm是否大于阈值Hp，如果Hm大于阈值，则该幅值最大值Hm，对应的频率为谐振频率f0，该幅值为谐振幅值，转入步骤C；若否，则转入步骤A；C、将双T型陷波滤波器串接在X轴伺服电机的速度环回路中，对X轴伺服电机的控制系统中的谐振干扰信号进行抑制，双T型陷波滤波器的传递函数的形式为：其中s表示是复变量；伺服电机与执行机构通过传动轴联接，传动轴的阻尼系数和传动刚度分别为C和K，当伺服电机拖动执行机构转动时，伺服电机的电磁转矩为TM，传动轴的扭转转矩为TS，执行机构的转矩为TL，伺服电机的转动惯量、角速度和旋转角度分别为JI、ωI和θI，电机轴与伺服电机、执行机构联接部分的阻尼系数为CI和CO，执行机构的转动惯量、角速度和旋转角度分别为JO、ωO、θO；利用机械系统的动力学原理建立相应的微分方程组；对微分方程组进行转换得出从伺服电机的电磁转矩到电机转速的传递函数为：其中s表示是复变量，ωα、ωβ表示谐振频率、反谐振频率；在式(2)的传递函数中引入一对共轭的零极点，共轭零点为抗谐振频率点fβ，共轭极点为自然振动频率点fα；零极点的存在使得伺服电机系统在特定频率下的响应会比较强烈，从而形成机械谐振现象；通过式(2)得到两个谐振点具体频率：谐振频率反谐振频率玻璃切割机电机伺服系统的谐振频率主要由伺服电机的转动惯量JI、执行机构转动惯量JO和传动机构的扭转刚度系数K共同决定；其中f0为陷波中心频率，k为陷波带宽参数，ζ为陷波深度参数，根据转动惯量JI、执行机构转动惯量JO、传动机构的扭转刚度系数K对陷波滤波器中k、ζ进行设置。所述的步骤A中频谱特性分析包括如下内容：频率采样方式为均匀采样，采样序列y(m)为交轴电流iq反馈信号的有限长非周期序列，Y(r)为y(m)的离散傅里叶频谱，将点数为M的离散信号序列y(m)分解为基波信号和各次谐波信号之和，可表示为：推出y(m)的离散傅里叶变换式为：其中m为时域，r为频域，y(m)为时域信号时域采集点的值，Y(r)为信号变换后的频谱值，j为虚数；在实际的数字信号处理系统中，为保证系统的频谱分析过程中不会出现频谱混叠，若信号的最高频率为fm，采样频率fc应满足，fc≥2fm；变换后的离散傅里叶频谱Y(r)点数为M，则频率区间[0，fc/2]内的信号频谱由Y(0)至Y(M/2)序列表示。所述的步骤B包括如下内容：经过快速傅里叶变换之后的交轴电流iq反馈信号，得到各个频率点处的幅值大小，经过频率检测算法来提取导致系统发生谐振的频率谐波分量，首先设定一个阈值Hp，当某个频率点处的幅值大于阈值Hp且大于周围其他幅值时，可以将该频率点及其幅值保存下来，直到所有采样的频率点完成比较，即认为幅值最大的频率点为X轴伺服电机驱动系统的谐振频率Hm。所述的步骤C中伺服电机的电磁转矩到电机转速的传递函数经过如下方式计算：利用机械系统的动力学原理建立相应的微分方程组：在玻璃切割机系统中，由于伺服电机转轴阻尼系数和执行机构阻尼系数很小，可以忽略，但传动机构采用同步带方式，其阻尼系数不可忽略；对方程组(5)建立伺服电机传动系统闭环结构，由方程组(5)与闭环结构得出从伺服电机的电磁转矩到电机转速的传递函数为：式(6)中存在一组共轭的零极点，其产生机械谐振，将式(6)进行简化得出式(2)；令式(2)分母为零，可得出系统谐振频率，即为式(3)；令式(7)分子为零，可得出系统反谐振频率，即为式(4)。所述的步骤C还包括如下内容：由步骤B中的谐振频谱曲线中得出谐振幅值最大时所对应的频率点即为陷波滤波器的中心频率点f0，该点能够提供最大的陷波幅值，用来抑制谐振幅值；取Hp＝-3dB，其所对应的两个频率点f1和f2是需要进行谐振抑制的频率点的下限值和上限值，且在谐振频率f0处，阻尼系数C的变化对谐振幅值增益产生影响，为分析简便，令C＝0时，式(2)谐振环节的幅频表达式可写成：为了使系统的谐振频谱曲线经过陷波滤波器调节之后尽可能平滑，取G0(j2πf)＝-3dB，则有：G0(j2πf)＝-3dB的含义是在谐振环节的幅频特性中，当幅值下降到原幅值的时值。对于f1，f2为式(8)的两个解，则陷波滤波器宽度参数k可表示为：为取得良好的谐振抑制效果，通常使陷波滤波器提供的幅值衰减和由谐振产生的幅值增益相匹配，同时满足陷波滤波器带来尽量小的相位延迟，将s＝j2πf0带入式(2)中，可得到谐振频率处的幅值增益为：由于K在数量级上远大于C，则式(10)可简化为：因此，陷波滤波器的陷波深度满足如下关系式：式(12)中，R为系统设定的补偿裕度，其作用是系统完成谐振抑制后，仍然能保持较大的幅值裕度，由式(12)可得陷波深度参数ζ为：上述技术方案中：玻璃切割机伺服系统在线机械谐振自动抑制功能启动后，速度控制回路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种切割机伺服系统机械谐振的抑制方法，包括如下步骤：A、对X轴伺服电机的电流反馈信号进行频谱特性分析，通过坐标变换，电机电流的转矩分量和励磁分量分别由交轴电流iq和直轴电流id表示，将电机电流分解为转子旋转轴系下的交轴电流iq和直轴电流id，采用id＝0的控制方式，电机的输出转矩与交轴电流iq呈线性关系，电机转速振荡以及转矩的振荡皆由机械谐振引发，通过直接分析电机的交轴电流，则电机转矩的频率特性即可分析，进而分析伺服系统的频谱特性，对X轴伺服电机的交轴电流iq反馈信号进行频谱特性分析；B、得出谐振频谱曲线图，频谱值中得到幅值最大值Hm，将幅值最大值Hm与设定的阈值Hp进行比较，判断Hm是否大于阈值Hp，如果Hm大于阈值，则该幅值最大值Hm，对应的频率为谐振频率f0，该幅值为谐振幅值，转入步骤C；若否，则转入步骤A；C、将双T型陷波滤波器串接在X轴伺服电机的速度环回路中，对X轴伺服电机的控制系统中的谐振干扰信号进行抑制，双T型陷波滤波器的传递函数的形式为：

【技术特征摘要】
1.一种切割机伺服系统机械谐振的抑制方法，包括如下步骤：A、对X轴伺服电机的电流反馈信号进行频谱特性分析，通过坐标变换，电机电流的转矩分量和励磁分量分别由交轴电流iq和直轴电流id表示，将电机电流分解为转子旋转轴系下的交轴电流iq和直轴电流id，采用id＝0的控制方式，电机的输出转矩与交轴电流iq呈线性关系，电机转速振荡以及转矩的振荡皆由机械谐振引发，通过直接分析电机的交轴电流，则电机转矩的频率特性即可分析，进而分析伺服系统的频谱特性，对X轴伺服电机的交轴电流iq反馈信号进行频谱特性分析；B、得出谐振频谱曲线图，频谱值中得到幅值最大值Hm，将幅值最大值Hm与设定的阈值Hp进行比较，判断Hm是否大于阈值Hp，如果Hm大于阈值，则该幅值最大值Hm，对应的频率为谐振频率f0，该幅值为谐振幅值，转入步骤C；若否，则转入步骤A；C、将双T型陷波滤波器串接在X轴伺服电机的速度环回路中，对X轴伺服电机的控制系统中的谐振干扰信号进行抑制，双T型陷波滤波器的传递函数的形式为：其中s表示是复变量；伺服电机与执行机构通过传动轴联接，传动轴的阻尼系数和传动刚度分别为C和K，当伺服电机拖动执行机构转动时，伺服电机的电磁转矩为TM，传动轴的扭转转矩为TS，执行机构的转矩为TL，伺服电机的转动惯量、角速度和旋转角度分别为JI、ωI和θI，电机轴与伺服电机、执行机构联接部分的阻尼系数为CI和CO，执行机构的转动惯量、角速度和旋转角度分别为JO、ωO、θO；利用机械系统的动力学原理建立相应的微分方程组；对微分方程组进行转换得出从伺服电机的电磁转矩到电机转速的传递函数为：其中s表示是复变量，ωα、ωβ表示谐振频率、反谐振频率；在式(2)的传递函数中引入一对共轭的零极点，共轭零点为抗谐振频率点fβ，共轭极点为自然振动频率点fα；零极点的存在使得伺服电机系统在特定频率下的响应会比较强烈，从而形成机械谐振现象；通过式(2)得到两个谐振点具体频率：谐振频率反谐振频率玻璃切割机电机伺服系统的谐振频率主要由伺服电机的转动惯量JI、执行机构转动惯量JO和传动机构的扭转刚度系数K共同决定；其中f0为陷波中心频率，k为陷波带宽参数，ζ为陷波深度参数，根据转动惯量JI、执行机构转动惯量JO、传动机构的扭转刚度系数K对陷波滤波器中k、ζ进行设置。2.根据权利要求1所述的切割机伺服系统机械谐振的抑制方法，其特征在于：所述的步骤A中频谱特性分析包括如下内容：频率采样方式为均匀采样，采样序列y(m)为交轴电流iq反馈信号的有限长非周期序列，Y(r)为y(m)的离散傅里叶频谱，将点数为M的离散信号序列y(m)分解为基波信号和各次谐波信号之和，可表示为：推出y(m)的离散傅里叶变换式为：其中m为时域，r为频域，y(m)为时域信号时域采集点的值，Y(r)为信号变换后的频谱值，j为虚数；在实际的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄迎辉，邓运生，荆建立，田娟，
申请(专利权)人：蚌埠学院，
类型：发明
国别省市：安徽,34