CN101639667A

CN101639667A - 一种伺服***的设计方法

Info

Publication number: CN101639667A
Application number: CN200810142566A
Authority: CN
Inventors: 高云峰; 方强; 宋福民; 肖永山; 雷群
Original assignee: Shenzhen Hans Laser Technology Co Ltd; Shenzhen Hans CNC Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Hans Laser Technology Co Ltd; Shenzhen Hans CNC Technology Co Ltd
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2010-02-03

Abstract

本发明涉及虚拟设计领域，公开一种伺服***的设计方法，该方法包括：建立所设计伺服***的机械模块与控制模块的协同仿真模型；加载激励信号，驱动所述协同仿真模型；采集所述伺服***仿真模型的辨识数据；根据所采集的辨识数据辨识所述伺服***仿真模型的数学模型；根据所述数学模型分析所述伺服***仿真模型的控制性能参数。本发明实施例能够基于所设计伺服***的仿真模型的内在特性进行伺服***的设计。

Description

一种伺服***的设计方法

技术领域

本发明涉及虚拟设计领域，尤其涉及伺服***的设计方法。

背景技术

目前高速高精机械中广泛应用到伺服控制***，然而国内伺服控制***的设计和应用还停留在较低的水平，难以满足对高速高精机械的实际需求。伺服控制***设计水平的滞后是其中最主要的因素。

传统的设计方法一般是根据设计人员的经验进行伺服控制***的设计，制造出样机进行试验，测试其实际性能，如果性能符合要求再进行批量生产，如果不符合要求则重新进行设计，再次制造样机进行试验。显然传统的设计方法要花费大量的时间、人力和资金。

计算机仿真学的兴起，为提高伺服***的设计提供了新的手段。现有技术中，可以将所设计的伺服***的机械模型与控制模型相结合构建伺服***的机电联合仿真模型来模拟真实的伺服***。由于机械模型包含了一定的非线性环节，因此所建立的仿真模型仍然是非线性***，在衡量所设计伺服***的性能优劣时，通常是根据所测量到的仿真模型的响应(如稳态误差、跟随误差、超调量、调节时间等)来进行评价。然而，由于伺服***仿真模型的响应不足以揭示其内在特性，因此根据其响应评价所设计的伺服***也具有一定的局限性。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种伺服***的设计方法，能够基于所设计伺服***的仿真模型的内在特性进行伺服***的设计。

一种伺服***的设计方法，包括：

A、建立所设计伺服***的机械模块与控制模块的协同仿真模型；

B、加载激励信号，驱动所述协同仿真模型；

C、采集所述伺服***仿真模型的辨识数据；

D、根据所采集的辨识数据辨识所述伺服***仿真模型的数学模型；

E、根据所述数学模型分析所述伺服***仿真模型的控制性能参数。

其中，根据所述数学模型分析所述伺服***仿真模型的控制性能参数后还包括：

判断所述控制性能参数是否符合设计要求，若是，则完成设计，若否，调整协同仿真模型的参数，重新执行B-E。

其中，根据所采集的辨识数据辨识所述伺服***仿真模型的数学模型前还包括：对所采集的辨识数据进行滤波处理、重构处理、和/或去除趋势项处理。

其中，通过以下方式实现激励信号的加载：

利用信号编辑器模块编辑正负方波信号后连接到所述协同仿真模型的输入端上；或者，

通过信号输入模块与产生正负方波信号的外部变量关联后输入到所述协同仿真模型上。

其中，所述伺服***仿真模型所辨识出的数学模型具体是伺服***的闭环传递函数；

根据所述数学模型分析所述伺服***仿真模型的控制性能参数具体包括：

根据辨识出的闭环传递函数，计算所述伺服***仿真模型的开环传递函数；

根据所述闭环传递函数和开环传递函数，计算所述伺服***仿真模型的频率响应；

根据所述频率响应计算所述伺服***仿真模型的频率性能参数。

本发明实施例中，通过伺服***的仿真模型来模拟真实的伺服***，并采用***辨识和控制理论相结合的方法，根据采集的伺服***仿真模型的辨识数据辨识出伺服***仿真模型的数学模型，然后基于该数学模型分析出伺服***的控制性能参数，从而使得本发明实施例能够基于所设计的仿真模型的内在特性进行伺服***的设计。

附图说明

图1是本发明伺服***的设计方法实施例的流程图；

图2是本发明实施例中伺服***的示例图；

图3是本发明实施例中正负方波激励信号的示意图；

图4是本发明实施例中伺服***仿真模型的示例图；

图5是本发明实施例中伺服***仿真模型的基本控制框图；

图6是本发明实施例中六头数控钻机动态精度分析虚拟样机模型图；

图7是本发明实施例中建立的协同仿真虚拟样机模型图；

图8是本发明实施例中在Signal Builder模块中绘制的正负方波曲线示意图；

图9是本发明实施例中辨识伺服***仿真模型的闭环传递函数的流程图；

图10是本发明实施例中计算伺服***仿真模型的频率特性的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例采用的理论方法包括经典控制理论、***辨识理论等。***辨识理论用于辨识出伺服***的数学模型(如传递函数)；使用经典控制理论基于辨识出的数学模型分析出伺服***的内在固有性能(如稳定裕度、抗干扰性能、响应性能等)。

请参阅图1，为本发明伺服***的设计方法的实施例的流程图。本实施例方法包括：

A1、建立所设计伺服***的机械模块与控制模块的协同仿真模型。

在本实施例中，建立伺服控制***的仿真模型来模拟真实的伺服***。如图2所示，伺服***可以分为控制模块和机械模块两部分，机械模块包括床身、工作台、动力传动机构(可以采用伺服电机一丝杆螺母副一滑块导轨移动部件的方式)、电机等，控制模块包括运动控制器、伺服驱动器、伺服电机、位置检测元件等。仿真模型的建立可以包括以下几个部分：

(1)机械模块虚拟建模：基于多体动力学理论，利用机械多体动力学软件工具建立起伺服***机械部分的虚拟样机。多体动力学的研究方法有Newton-Euler方程法、Langrage方程法、图论(R-W)方法、Kane-Houston方法、变分方法等。机械模块的几何建模可在三维软件(如SolidWorks)中完成，通过接口模块输入到机械多体动力学软件(如ADAMS)中，再在机械多体动力学软件中建立各构件的约束、柔性连接及驱动。

(2)控制模块虚拟建模：控制模块主要包括运动控制器、伺服驱动器、伺服电机及位置检测元件等，当这些环节的控制结构和参数已知时很容易在控制仿真软件(如MATLAB)中建立起相应的仿真模型，而当它们的控制结构和参数未知时，则可由近似数学模型或辨识模型来替代。

(3)协同建模：在构建机械模型与控制模型的基础上，利用仿真软件提供的基于接口的协同仿真功能，实现不同模型之间的协同仿真。这两个模型可以分别利用各自的求解器进行求解，在仿真离散时间点上通过进程通信，完成协同仿真模型的运行。

A2、加载激励信号，驱动所述协同仿真模型。

为了使辨识出的数学模型充分体现出伺服***的动态特性，尽可能使激励信号包含各种频率成分。由于正负方波具有涵盖的频率成分宽、幅值变换频率低等优点，本实施例中可以采用如图3所示的对称正负方波作为激励信号。其中，在设置正负方波的幅值、每拍时长和总时长时需要注意：

正负方波的幅值不能过大，若其幅值过大，则可能导致中间控制量(如速度、电流等)超出伺服放大器线性区，带来饱和非线性影响，降低辨识精度。

正负方波的幅值不能过小，若其幅值过小，则机械模型中摩擦滞环等非线性因素的影响较大，同样不利于提高辨识精度。

正负方波每拍时长设置方法：使正负方波的有效频带能覆盖***的工作频率(可参考实际伺服***的工作频率)，通常取50～100ms。

正负方波的总时长T＝Ts*N，其中Ts为数据采样周期，N为数据采样点总数。

对于伺服***的仿真模型，激励信号的产生与加载可通过以下方式来实现：

方式一：利用信号编辑器模块(Signal Builder)编辑正负方波信号后连接到伺服***仿真模型的输入端上。

方式二：通过信号输入模块(From Workspace)与产生正负方波信号的外部变量关联后输入到伺服***仿真模型上。

值得注意的，在辨识伺服***的数学模型时，需要加载高信噪比的激励信号，激励出***的各阶模态，以获得较好的辨识效果。完整的伺服控制***通常包含许多附加环节，例如轨迹生成器、速度前馈环节、加速度前馈环节、摩擦前馈环节、位置补偿表，将激励信号加载到包括上述环节的仿真模型上难以激励出该***的各阶模态，不利于提高***辨识精度，因此，本实施例中对伺服***建模时，可以从完整的伺服***中去除轨迹生成器、速度前馈环节、加速度前馈环节、摩擦前馈环节、和位置补偿表输入端。图4示出本发明实施例中伺服***仿真模型的一个实例，该伺服***的仿真模型包括比较器、运动控制器简化模型(如纯比例模型)、伺服驱动器及电机模型、机械传动机构模型和位置传感器模型，其工作原理是：运动控制器在激励信号(指令位移)的作用下控制驱动器驱动伺服电机工作，从而使机械传动机构产生相应的运动，位置传感器对机械传动机构的运动进行检测，将所检测的机械传动机构的实际位移反馈给比较器，比较器对指令位移和实际位移进行比较后输出比较结果，运动控制器根据比较结果对输出的控制信号进行调整。

A3：采集所述伺服***仿真模型的辨识数据。

本实施例中，可以采集伺服***仿真模型的输入和输出动态数据作为辨识数据。在控制***仿真软件中通常提供了采集动态数据的模块(如ToWorkSpace模块)，只需将其与所要采集的信号线相连，仿真过程中采集到的动态数据将自动保存到存储变量中。可以通过以下的设置实现仿真过程中的数据采集：

将两个数据采集模块(To WorkSpace)分别与伺服***仿真模型的输入、输出端相连；

设置与数据采集模块关联的存储变量；并且规定数据采样周期。

采样周期应是伺服控制周期的整数倍，采样周期不能过小，以避免辨识出的数学模型阶次偏高，采样周期不能过大，以避免辨识出的数学模型难以反映出***的高频特性，通常取伺服控制周期的1～10倍。

另外，由于干扰信号的存在以及传感器或者变送器的暂时失效，可能会造成个别信号严重编离实际值，甚至丢失。当发生这种情况时，可以对采集的辨识数据进行预处理，如重构采样时丢失和异常的数据、去掉采样数据中的趋势项、数字滤波等。

A4：根据所采集的辨识数据辨识所述伺服***仿真模型的数学模型。

根据预处理后的所采集的辨识数据辨识伺服***仿真模型的数学模型。线性***的辨识方法主要有非参数辨识和参数辨识两种。其中非参数辨识中最常用的两种模型是脉冲传递函数模型和频域模型，其辨识过程简单，但辨识精度不高；参数辨识中常用的模型是arx模型和状态空间模型，具有辨识精度高等优点。

以arx模型为例，其表达式为y(t)+a₁*y(t-1)+……+a_na*y(t-na)＝b₁*u(t-nk)+b₂*u(t-nk-1)+……+b_nb*u(t-nk-nb+1)+e(t)，其中y为输出数据，u为输入数据，na、nb分别为多项式的阶数，nk表示从输入到输出有nk个采样周期的延时。对于该模型，辨识的目的就是要获得其系数。本发明实施例中可以采用离线辨识法(具有辨识精度高的特点)中最小二乘法辨识出机床伺服***的闭环传递函数。

A5：根据所述数学模型分析所述伺服***仿真模型的控制性能参数。

本实施例中主要针对伺服***控制性能中的频率特性进行分析。在此之前需要根据辨识出的闭环传递函数，计算出伺服***仿真模型的开环传递函数Gk。下面是由仿真模型的闭环传递函数Gservo直接推导出开环传递函数的方法：

参考图5，由伺服***的基本控制框图和梅逊增益公式可知Gk＝Gc*Gplant*K，Gservo＝K*Gc*Gplant/(1+Gc*Gplant*K)＝Gk/(1+Gk)，进而推导出Gk＝Gservo/(1-Gservo)，其中，Gc表示控制器的传递函数，Gplant表示控制对象的传递函数，K表示位置通道比例因子。

根据古典控制理论，若***的闭环和开环传递函数已知，很容易求出***的频率响应G(jw)，根据频域响应就可以计算出***的频率性能参数，如***带宽频率、剪切频率、幅值稳定裕度、相位稳定裕度等。

在分析出伺服***仿真模型的控制性能参数后，可以进一步判断所述控制性能参数是否符合设计要求，若是，则所设计的伺服***符合设计要求，完成设计，若否，则可以对协同仿真模型的参数进行调整，并重新执行A2至A5。

下面以六头PCB数控钻机工作台伺服***为例，提供本发明更详细的实施例，该实施例包括：

B1、伺服***建模

六头PCB数控钻机工作台伺服***建模，主要是机械传动部分和电气传动部分的建模，对机械传动部分的建模可以利用SolidWorks和ADAMS软件来完成；对电气传动部分的建模可以在MATLAB软件平台上实现。

(1)机械部分建模

机械模块的几何建模在三维软件SolidWorks中完成，通过接口模块输入到ADAMS软件中，再在ADAMS中建立各构件的约束、柔性连接及驱动。

建立的六头数控钻机动态精度分析虚拟样机模型如附图6所示。

下表1是机械模块主要构件的质量属性，表2是机械模块主要构件的拓扑结构。

表1

构件

工作台

工作台盖板

气夹

床身

材料	铸铝	铝合金	普碳钢模拟实际重量	花岗石
材料	铸铝	铝合金	普碳钢模拟实际重量	花岗石	质量M/Kg	51	26.4	30	2969
x转动惯量Ixx/(kg-mm**2)	7.74E6	3.08E5	1.38E6	8.76E8	质量M/Kg	51	26.4	30	2969
x转动惯量Ixx/(kg-mm**2)	7.74E6	3.08E5	1.38E6	8.76E8	y转动惯量Iyy/(kg-mm**2)	5.28E6	2.87E5	1.33E6	5.60E8
z转动惯量Izz/(kg-mm**2)	2.50E6	2.09E4	6.24E4	3.40E8	y转动惯量Iyy/(kg-mm**2)	5.28E6	2.87E5	1.33E6	5.60E8

表2 (1-固定副；2-平面副；3-棱柱副；4-旋转副；5-轴套力；6-螺旋副；7-圆柱副)

(2)电气传动部分建模

电气传动部分主要由位置控制器、伺服驱动器、伺服电机及位置检测元件等几个部分构成。

1)交流永磁同步电机建模

在PCB板数控钻床工作台伺服***中使用了交流永磁同步电机(PMSM-Permanent Magnet Synchronous Machine)，MATLAB/SIMULINK元件库中提供了该电机的仿真模型。为了方便像控制直流电机那样控制永磁同步电机，通常采用空间矢量变换将永磁同步电机模型等效为dq模型，该模型的电机方程如下：

\{\begin{matrix} \frac{d}{dt} i_{d} = \frac{1}{L_{d}} v_{d} - \frac{R}{L_{d}} i_{d} + \frac{L_{q}}{L_{d}} p ω_{r} i_{p} \\ \frac{d}{dt} i_{q} = \frac{1}{L_{q}} v_{q} - \frac{R}{L_{q}} i_{q} - \frac{L_{d}}{L_{q}} p ω_{r} i_{d} - \frac{λp ω_{r}}{L_{q}} \\ T_{e} = 1.5 p [{λi}_{q} + (L_{d} - L_{q}) i_{d} i_{q}] \end{matrix}

式中：

L_q，L_d--交轴和直轴电感

R--定子电阻

i_q，i_d--交轴和直轴电流

v_q，v_d--交轴和直轴电压

ω_r--转子角速度

λ--定子与转子耦合磁通量幅值

p--极对数

T_e--电机输出的电磁力矩

2)伺服驱动器建模

伺服驱动器有三种工作模式，即：位置模式、速度模式和力矩模式。位置模式下伺服驱动器包含了完整的位置环、速度环和电流环；速度模式下伺服驱动器上没有位置环；力矩模式下伺服驱动器只包含了电流环。MATLAB/SIMULINK元件库中提供了永磁同步电机的驱动器模型，该模型主要包含了VECT Controller(电流控制器)、Speed Controller(速度控制器)、Three-phase diode rectifier、Braking chopper和Three-phase Inverter等环节。使用时只需依据实际驱动器的电气参数配置好模型中各个环节的参数既可。

3)位置控制器建模

位置控制器对位置误差信号(指令位置与光栅反馈位置的差值)进行调节后加载到速度伺服环上。目前大部分控制器还是采用PID控制算法，根据本发明专利方法在协同仿真模型中，采用了纯比例位置控制器。主要基于以下几点考虑：

去掉积分环节可以更好的仿真机械敏感参数对***稳态误差的影响；去掉微分环节可以避免对***超调的抑制作用，避免增加***的稳定性；去掉前馈环节不影响***的频域特性，还可以避免***在阶跃信号作用下产生剧烈振动。

4)电气传动部分参数配置

PMSM模型参数：R＝0.38ohm；Ld＝Lq＝0.0031H；λ＝0.1Wb；p＝5；J＝0.00495kg*m^2；B＝0.001N-m-s

伺服驱动器参数：Vdc＝640V；Speed ramps＝[-1000 1000]rpm/s；Tscurrent＝20e-6s；Tsspeed＝7*20e-6s；Torque output limits＝[-4343]N-m；KPv＝1；KIv＝100位置控制器参数：KPp＝38；KIp＝0；KDp＝0

(3)协同建模

根据本发明专利的方法，利用ADAMS/Controls模块，实现多体动力学与控制的多学科协同建模：导出机械多体动力学模型；机械多体模型(adams sub模块)加入控制仿真环境；构建多体动力学与控制集成模型，根据电机传动方程：Te＝J*(dw/dt)+TL建立伺服驱动与机械模型之间的信号连接，式中J*(dw/dt)为电机轴连同机械传动模型运动部分的动态转矩；TL为机械传动部分的负载力矩，主要体现为运动导轨上的摩擦力矩。特别注意伺服驱动模型输出给机械传动模型的控制量为电机转速(单位为rad/s)；机械传动模型输出的负载力矩TL的单位为N-mm应转化为标准单位N-m；机械传动模型输出的位移distance的单位为mm。

建立的协同仿真虚拟样机模型如附图7所示。

2、伺服辨识***组建

为了辨识出上述协同仿真虚拟样机模型的数学模型，组建伺服辨识***如图7所示。伺服辨识***组建的几点说明：

设置激励信号加载接口模块：从MATLAB/SIMULINK元件库中选取Signal Builder模块连接到仿真模型的输入端上，在其绘图窗口中绘制如图8所示的正负方波曲线。

在伺服***仿真模型上设置辨识数据采集模块：从MATLAB/SIMULINK元件库中选取两个To Workspace模块分别连接到指令位移和实际位移信号线上，在属性页的Variable name栏中分别输入u和z，在Sample time栏中输入数据采样周期880us，在Save format栏中选择Array。

3、仿真实验及数据预处理

在进行仿真实验之前需要导入机械传动部分的模型(ADAMS模型)，此时adams sys*窗口被打开。用户依据以下操作既可完成仿真实验：

将adams sys*窗口中的adams sub模块复制到仿真实验窗口中，并连接到协同仿真模型中；

在adams sub模块下的ADAMS Plant子模块属性页的communicationinterval栏中输入伺服控制周期值，440us；

点击仿真实验窗口上Simulation菜单项下的Configuration Parameters子菜单项设置仿真实验条件：仿真起始时间设置为0、终止时间设置为1s、最大仿真步长设置为440us、仿真求解器为discrete；

点击工具栏上的启动按钮或Simulation菜单项下的Start子菜单项开始仿真实验，实验完毕关闭仿真实验窗口。

数据预处理可以由一些工具软件来处理。下表是用MATLAB工具软件对辨识数据进行预处理的函数。

表3、MATLAB数据预处理函数

辨识u、z转化为iddata数据对象	Data＝iddata(z，u，Ts)
辨识u、z转化为iddata数据对象	Data＝iddata(z，u，Ts)	重构采样时丢失的数据	Data＝misdata(Data)
去掉数据中的趋势项或偏移量	Data＝detrend(Data)	重构采样时丢失的数据	Data＝misdata(Data)

4、六头PCB数控钻机工作台伺服***仿真模型闭环传递函数辨识

图9示出使用MATLAB辨识工具箱辨识伺服***的闭环传递函数的程序流程图。

5、六头PCB数控钻机工作台伺服***仿真模型控制性能分析

图10示出是利用MATLAB控制工具箱计算六头PCB数控钻机工作台伺服***仿真模型频率特性的程序流程图。

以上对本发明实施例所提供的伺服***的设计方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1、一种伺服***的设计方法，其特征在于，包括：

B、加载激励信号，驱动所述协同仿真模型；

C、采集所述伺服***仿真模型的辨识数据；

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述数学模型分析所述伺服***仿真模型的控制性能参数后还包括：

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所采集的辨识数据辨识所述伺服***仿真模型的数学模型前还包括：对所采集的辨识数据进行滤波处理、重构处理、和/或去除趋势项处理。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下方式实现激励信号的加载：

5、如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于：

所述伺服***仿真模型所辨识出的数学模型具体是伺服***的闭环传递函数；