CN105674935A - 基于继电反馈的伺服***间隙辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服***间隙大小的辨识方法，涉及伺服运动控制等领域，它是基于继电反馈技术实现的。本发明所述伺服***间隙大小辨识方法包括控制器、伺服***和数据处理单元。其中，控制器包含继电环节和延时环节，伺服***包含伺服电机，中间传动环节及负载。控制器将伺服电机的速度信号作为其输入信号，其输出信号用来驱动电机；控制器的输出信号及伺服电机的输出信号将被作为数据处理单元的输入信号，数据处理单元的输出信号用来调节继电环节的参数以提高辨识精度，两到三次工作循环就能够较好的辨识出伺服***间隙的大小。本发明可以离线或在线方式快速辨识出伺服***间隙的大小，从而为提高伺服***的运动性能和***可靠性提供依据。

Description

基于继电反馈的伺服***间隙辨识方法

技术领域

本发明涉及一种辨识伺服***间隙大小的方法，涉及伺服运动控制等领域，尤其涉及基于继电反馈的伺服***间隙辨识方法。

背景技术

在伺服***中，丝杠和齿轮箱不可避免的会引入间隙。间隙是一种带有记忆特性的硬非线性现象，它的出现会加速机械零件的磨损；在一些对精度要求比较高的场合，由它导致振动、延迟和误差往往会降低***的运动性能。从运动控制的精度以及伺服***的可靠性角度出发，辨识出伺服***间隙大小是十分有必要的。

经对现有文献检索发现，日本专利申请号为2008-210127，英文名称为“MOTORCONTROLDEVICEANDBACKLASHIDENTIFYINGMETHOD(电机控制装置及间隙辨识方法)”，该技术通过频域方法实现对间隙大小的辨识，能够获得很好的辨识效果，另外还可以获得***总惯量和共振频率的信息。但是频域方法需要用到傅立叶变换，计算量大。

又经检索发现，GEBLER等在文献“IDENTIFICATIONANDCOMPENSATIONOFGEARBACKLASHWITHOUTOUTPUTPOSITIONSENSORINHIGH-PRECISIONSERVOSYSTEMS(不含位置传感器的高精度伺服***齿隙辨识与补偿)”中使用发微小转矩脉冲的方法辨识出了间隙，但是该方法需要在辨识之前将含有间隙的零件配置到间隙的一侧，此外还要求非常大的负载惯量来吸收多发的转矩脉冲。

经检索还发现，VILLWOCK等在文献“TIME-DOMAINIDENTIFICATIONMETHODFORDETECTINGMECHANICALBACKLASHINELECTRICALDRIVES(伺服***间隙大小的时域辨识方法)”中利用电机和负载在穿过间隙时的速度差异辨识出了间隙的大小，但是该方法假设负载过间隙时速度保持不变，这在摩擦力比较大的场合显然是不合理的。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种辨识伺服***间隙大小的方法，完全实现自动化辨识。

发明内容

针对上存在的问题，本发明提供一种基于继电反馈的伺服***间隙大小辨识方法。本发明通过合理选择继电器和延时器参数让伺服***以几十倍间隙大小的振幅振荡起来，然后通过分析伺服电机的位置、速度信号以及控制器的输出信号就可以算出间隙的大小，本发明具有完全自动化，辨识效果优良的特点。

本发明所述的基于继电反馈的伺服***间隙辨识方法，包括以下步骤：

步骤一，伺服电机配置为力矩控制模式，先给定延时器的值d，预估足够大的间隙大小bl₀，根据电压到转矩的增益K_t，测算出电机转动惯量J_M和等效负载转动惯量J_L，并据此算出继电器值h，将d和h写入控制器，然后使电机运转起来；

步骤二，待伺服***稳定振荡起来后，取出控制器输出信号及对应的伺服电机的位置和速度信号，送到数据处理单元，可以初步估算出间隙大小bl₁；

步骤三，判断bl₁与bl₀的比值或者h已经取到h_min，则取bl₁为辨识的间隙值，否则重新取bl₀为bl₁，重复步骤一和步骤二。

进一步地，步骤一中继电器幅值确定公式为：

$h=max\{h_{\min },\frac{36\·{\mathrm{bl}}_0\·(J_M+J_L)}{K_t\·d^2}\},$

其中，h_min是能克服摩擦力的最小电压值，bl₀为初始估计的间隙大小，J_M是电机的转动惯量，J_L是折算到电机轴上的等效转动惯量，K_t是转矩指令电压到实际输出转矩的增益。

进一步地，在步骤二中，依据电机在控制器输出信号跳变时的速度V，速度为V时的时间与速度为零时的时间差Δt以及该Δt时间内电机转过的角度Δx计算出间隙大小为：

${\mathrm{bl}}_1=(\frac{1}{2}V\·\mathrm{\Δ}t-\mathrm{\Δ}x)(1+\frac{1}{\mathrm{\γ}}),$

其中，γ为负载惯量比，即

进一步地，步骤三中bl₁与bl₀的比值的值取值范围是0.8到1.2之间。

与现有技术相比，本发明的有益结果是：间隙辨识过程可以自动化实现，间隙辨识所需时间短，辨识效果良好，能够以在线或离线的方式进行间隙辨识。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的***框图；

图2是本发明一个较佳实施例的操作流程图；

图3是本发明一个较佳实施例的数据处理示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的第一次运行的电机速度信号；

图5是本发明的一个较佳实施例的第二次运行的电机速度信号。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的方法进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例的伺服***是安川SGMJV-04AAA61(及其配套驱动器)和一个可调间隙的实验平台，如图2所示，本实施例包括以下步骤：

步骤一：首先将***按图1所示方式连接起来，然后调整含有间隙的实验平台，测量出间隙大小为5°(0.087rad)。预估间隙大小bl₀为0.4rad,取延时时间d为0.2s,实验测得驱动电机的最小电压值为0.1V(克服摩擦力)，查询伺服电机手册可知K_t大小为0.127N·m/V，电机转动惯量为0.442×10^-4kg·m²,加上联轴器的质量可以算出J_M为0.579×10^-4kg·m²，实验测得等效负载惯量为3.434×10^-4kg·m²，故可算得负载惯量比γ为5.931。根据说明内容步骤一里的公式， $h=max\{0.1,\frac{36*0.4*(0.579+3.432)\×{10}^{-4}}{0.127*{0.2}^2}=1.137\}=\mathrm{1.137.}$ 将得到d和h的值写入控制器中，运行伺服电机，让***振荡起来。

步骤二：待伺服***稳定振荡起来后，取出控制器输出信号及对应的伺服电机的位置和速度信号，按照图2所示的方式提取信号中的特征信息，在本次信号处理过程中，所得到的V为63.78rad/s，Δt为0.161s，Δx为5.044rad。根据发明内容步骤二里的公式， ${\mathrm{bl}}_1=(\frac{1}{2}*63.78*0.161-5.044)(1+\frac{1}{5.931})=0.1055rad.$ 本次运行的电机速度信号如图4所示。

步骤三：计算bl₁/bl₀＝0.1055/0.4＝0.264,不在0.8到1.2的范围内，所以令bl₀＝bl₁＝0.1055，然后根据发明内容步骤一的公式， $h=max\{0.1,\frac{36*0.1055*(0.579+3.432)\×{10}^{-4}}{0.127*{0.2}^2}=0.300\}=0.300,$ 将该值写入控制器，重新运行电机。当伺服***稳定振荡后，取出控制器输出信号及对应的伺服电机的位置和速度信号，按照图2所示的方式提取信号中的特征信息，如图3所示，在本次信号处理过程中，所得到的V为13.34rad/s，Δt为0.110s，Δx为0.6612rad。根据发明内容步骤二里的公式， ${\mathrm{bl}}_1=(\frac{1}{2}*13.34*0.110-0.6612)(1+\frac{1}{5.931})=0.085rad.$ 本次运行的电机速度信号如图5所示。此时bl₁/bl₀＝0.085/0.1055＝0.806，该值在0.8到1.2之间，所以最终辨识的间隙大小为bl₁，即0.085。比较步骤一里所测得的间隙大小，可知辨识误差约为：(0.087-0.085)/0.087*100％＝2.3％。

本实施例充分说明本发明可以快速高效并且以良好的辨识精度辨识出伺服***的间隙大小，为伺服***的控制精度和可靠性提供了依据。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于继电反馈的伺服***间隙辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，伺服电机配置为力矩控制模式，先给定延时器的值d，预估足够大的间隙大小bl₀，根据电压到转矩的增益K_t，测算出电机转动惯量J_M和等效负载转动惯量J_L，并据此算出继电器值h，将d和h写入控制器，然后使电机运转起来；

步骤二，待伺服***稳定振荡起来后，取出控制器输出信号及对应的伺服电机的位置和速度信号，送到数据处理单元，可以初步估算出间隙大小bl₁；

步骤三，判断bl₁与bl₀的比值或者h已经取到h_min，则取bl₁为辨识的间隙值，否则重新取bl₀为bl₁，重复步骤一和步骤二。

2.根据权利要求1所述的基于继电反馈的伺服***间隙辨识方法，其特征在于，步骤一中继电器幅值确定公式为：

$h=max\{h_{\min },\frac{36\·{\mathrm{bl}}_0\·(J_M+J_L)}{K_t\·d^2}\},$

其中，h_min是能克服摩擦力的最小电压值，bl₀为初始估计的间隙大小，J_M是电机的转动惯量，J_L是折算到电机轴上的等效转动惯量，K_t是转矩指令电压到实际输出转矩的增益。

3.根据权利要求1所述的基于继电反馈的伺服***间隙辨识方法，其特征在于，在步骤二中，依据电机在控制器输出信号跳变时的速度V，速度为V时的时间与速度为零时的时间差Δt以及该Δt时间内电机转过的角度Δx计算出间隙大小为：

${\mathrm{bl}}_1=(\frac{1}{2}V\·\mathrm{\Δ}t-\mathrm{\Δ}x)(1+\frac{1}{\mathrm{\γ}}),$

其中，γ为负载惯量比，即

4.根据权利要求1所述的基于继电反馈的伺服***间隙辨识方法，其特征在于，步骤三中bl₁与bl₀的比值的值取值范围是0.8到1.2之间。