一种基于频域分析的伺服自调谐方法技术

本发明专利技术涉及数控伺服系统技术领域，尤其涉及一种基于频域分析的伺服自调谐方法，通过扫频获取机械频率特性曲线，获得负载惯量，分别将扫频信号输入到伺服系统中的速度环入口和位置环入口，通过扫频获取不同增益下的频率特性曲线，找到最优PM、GM对应的增益参数，确定该组参数为伺服系统参数。本发明专利技术通过频域分析方法获取系统惯量，避免了在时域中需要来回频繁运动的问题，通过频域分析方法搜寻最优控制参数，解决了在时域中搜寻最优参数时间长的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于频域分析的伺服自调谐方法


[0001]本专利技术涉及数控伺服系统
，尤其涉及一种基于频域分析的伺服自调谐方法。

技术介绍

[0002]现代工业技术的飞速进步推动了数控机床加工技术朝着高速度高精度化的方向不断发展。伺服系统是数控机床的重要组成部分，伺服控制性能的优化对于提高加工精度和生产效率起着至关重要的作用。
[0003]目前国外、国内的相关企业推出了具有控制自动调谐的伺服驱动器产品，但是这些产品的调谐流程基本是在时域中进行的，这样的话，在整个调谐过程中，伺服系统需要不停地进行往返运动，来确定最优控制参数。这种调谐方法有以下缺点：
[0004]①
需要伺服系统来回往返运动，耗时比较长；
[0005]②
在行程有限，或者在机械结构不允许伺服系统来回频繁运动的场合，局限性很大。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于频域分析的伺服自调谐方法，以解决上述
技术介绍
中遇到的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种基于频域分析的伺服自调谐方法，包括以下步骤：
[0009]S1、通过扫频获取机械频率特性曲线，获得负载惯量，分别将扫频信号输入到伺服系统中的速度环入口和位置环入口；
[0010]S2、通过扫频获取不同增益下的频率特性曲线，找到最优PM、GM对应的增益参数，确定该组参数为伺服系统参数。
[0011]进一步的，采用的扫频信号为chirp信号。
[0012]进一步的，首先列出电动机旋转转矩传递方程：
[0013][0014][0015]其中，T
m
为电动机的转矩，Nm；CT为扭转弹性系数，Nm/rad；为电动机旋转角度，rad；为负载旋转角度，rad；Damp为机械阻尼系数，Nm/rad；ω
m
为电动机的转速，rad/s；ω
L
为负载的转速，rad/s；J
m
为电动机的转动惯量，kgm2；α
m
为电动机的角加速度，rad/s2；
[0016]其次，根据式(1)和式(2)，忽略负载转矩的影响，列出负载惯量旋转转矩方程：
[0017][0018][0019]其中，T
L
为负载的转矩，Nm；J
L
为负载的转动惯量，kgm2；α
L
为负载的角加速度，rad/s2；其余参数同式(1)和式(2)所示；
[0020]再次，根据式(3)和式(4)，对负载惯量旋转转矩方程做拉普拉斯变换后得到负载位置和电动机位置的机械传递函数：
[0021][0022][0023]然后，参考电动机旋转转矩方程可以得到电动机转矩和电动机转矩的传递函数：
[0024][0025]最后，根据式(7)分析传递函数G
Tω
(s)的频率特性，令s＝jω，进行频率特性分析，获取机械频率特性曲线。
[0026]进一步的，所述机械频率特性曲线为机械特性波特图，其中，波特图的振幅量在低频段为通过机械特性波特图获取不同增益下的幅频特性。
[0027]进一步的，在进入扫频流程后，根据chirp信号的公式生成指令曲线，然后将指令曲线加入到G
Tω
(s)信号输入口，同时采样保存G
Tω
(s)输出口的变量；
[0028]最后，通过FFT分析输入信号即输出信号的数据，即可获取G
Tω
(s)的频率特性；
[0029]假设输入输出信号分别用X(N)，Y(N)表示，则频率特性可用如下公式表示：
[0030][0031]上述方案中，通过实验获取伺服系统的机械特性的波特图，即可获取负载惯量。
[0032]上述方案中，采用仿真参数J
m
+J
L
＝0.0008kgm2，通过波特图上幅频特性中的频率点373rad/s的振幅(10.5dB)来计算系统总的惯量，总负载惯量的方程式为：
[0033][0034]上述方案中，开环系统的相位响应特性曲线中闭环在增益穿越点大于
‑
180
°
，幅值响应特性曲线在相位到达
‑
180
°
的频率点原理0dB线时，获取相位裕量和增益裕量。
[0035]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：通过频域分析方法获取系统惯量，避免了在时域中需要来回频繁运动的问题，通过频域分析方法搜寻最优控制参数，解决了在时域中搜寻最优参数时间长的问题。
附图说明
[0036]参照附图来说明本专利技术的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本专利技术的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：
[0037]图1为本专利技术的工作流程示意图；
[0038]图2为本专利技术在实施时的伺服系统框图；
[0039]图3位本专利技术在实施时的伺服系统机械特性波特图；
[0040]图4位本专利技术在实施时的速度环开环频域特性波特图；
具体实施方式
[0041]为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示本专利技术有关的构成。
[0042]根据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限定或限制。
[0043]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明。
[0044]如图1所示，一种基于频域分析的伺服自调谐方法，包括以下步骤：
[0045]S1、通过扫频获取机械频率特性曲线，获得负载惯量，分别将扫频信号输入到伺服系统中的速度环入口和位置环入口；
[0046]S2、通过扫频获取不同增益下的频率特性曲线，找到最优PM、GM对应的增益参数，确定该组参数为伺服系统参数。
[0047]总体来说：步骤S2是将步骤S1中获取的负载惯量填入伺服系统中，然后将扫频信号先后分别接入到速度环、位置环，分别获取速度环、位置环的PM，GM，来搜索最优的调节参数，从而达到自动调谐的目的。整个步骤S1和步骤S2加起来为整个自调谐的过程。
[0048]上述方案中，采用的扫频信号为chirp信号。为了充分激励系统在带宽内所有频率处的响应，尽可能多的包含系统的内在信息。理论上，测试信号必须覆盖系统的带宽，包含足够多的频率点。常用的扫频信号有：正弦扫频信号，Multitone信号、白噪声、chirp信号等。
[0049]其中，正弦扫频信号是系统输入不同频率的正弦给定信号时，根据输出响应与给定信号的幅值比和相位差画出的曲线。所以选择幅值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于频域分析的伺服自调谐方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过扫频获取机械频率特性曲线，获得负载惯量，分别将扫频信号输入到伺服系统中的速度环入口和位置环入口；S2、通过扫频获取不同增益下的频率特性曲线，找到最优PM、GM对应的增益参数，确定该组参数为伺服系统参数。2.根据权利要求1所述的一种基于频域分析的伺服自调谐方法，其特征在于：在步骤S1和步骤S2中，采用的扫频信号为chirp信号。3.根据权利要求2所述的一种基于频域分析的伺服自调谐方法，其特征在于：在步骤S1中，首先列出电动机旋转转矩传递方程：先列出电动机旋转转矩传递方程：其中，T
m
为电动机的转矩，Nm；CT为扭转弹性系数，Nm/rad；为电动机旋转角度，rad；为负载旋转角度，rad；Damp为机械阻尼系数，Nm/rad；ω
m
为电动机的转速，rad/s；ω
L
为负载的转速，rad/s；J
m
为电动机的转动惯量，kgm2；α
m
为电动机的角加速度，rad/s2；其次，根据式(1)和式(2)，忽略负载转矩的影响，列出负载惯量旋转转矩方程：其次，根据式(1)和式(2)，忽略负载转矩的影响，列出负载惯量旋转转矩方程：其中，T
L
为负载的转矩，Nm；J
L
为负载的转动惯量，kgm2；α
L
为负载的角加速度，rad/s2；其余参数同式(1)和式(2)所示；再次，根据式(3)和式(4)，对负载惯量旋转转矩方程做拉普拉斯变换后得到负载位置和电动机位置的机械传递函数：和电动机位置的机械传递函数：然后，参考电动机旋转转矩方程可以得到电动机转矩和电动机转矩的传递...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈小波，
申请(专利权)人：南京达风数控技术有限公司，
类型：发明
国别省市：