CN105759604A - 一种双核伺服驱动***及伺服电机在线建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双核伺服驱动***,包括:主CPU模块,用于控制算法的计算;从CPU模块,用于实时采集电机状态数据,建立电机数学模型;FPGA模块,用于数据交换中介以及相关信号的采集;存储模块;编码器接口模块,与电机编码器连接,接收电机附带的光电编码器脉冲信号或者旋转编码器输出信号;按键模块,用于配置伺服驱动器的输入参数以及控制模式,主CPU模块通过FPGA模块与从CPU模块连接,编码器接口模块、存储模块与主CPU模块连接,按键模块与FPGA模块连接。本发明还公开了一种伺服电机实时在线建模方法。本发明的伺服控制***能实时计算出***模型,调试人员可以根据电机模型,选用对应的控制参数,提高生产效率。
Description
技术领域
本发明属于伺服电机控制技术领域,具体涉及一种双核伺服驱动***及伺服电机在线建模方法。
背景技术
伺服***能够精确跟踪参考信号过程,广泛存在于数控机床、风力发电、工业机械手等领域。伺服***的执行结构是伺服电机,由增量式光电轴角编码器检测***的角位移和角速度并反馈给控制器,通过控制器将反馈信号和给定信号进行比较和运算,产生控制信号,实现伺服控制。
由于比例-积分-微分(PID)控制器设计简单,易于实现,工业上90%以上的电机伺服控制器都是采用PID控制算法。但这种算法存在一个弊端,那就是参数的整定相当繁琐,需要有经验的技术人员反复调试才能获得比较满意的控制性能。更具体地说,现有伺服驱动***受到硬件处理能力的限制,即CPU不能在很短的时间内计算出相关参数,只能靠有经验的人工不断地调试得出***优化参数。由于控制对象五花八门,必须用各种型号和类型的电机。因此,要求调试人员具有多工种的调试经验,特别地,有些经验并不适用于特殊场合,无疑给调试人员带来很大的困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处,本发明提供一种调试人员可以根据电机模型,选用对应的控制参数,快速找到达到性能要求的参数,大大提高生产效率的双核伺服驱动***。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种双核伺服驱动***,包括:
主CPU模块,用于控制算法的计算;
从CPU模块,用于实时采集电机状态数据,建立电机数学模型;
FPGA模块,用于数据交换中介以及相关信号的采集;
存储模块,用于保存信号数据和程序;
编码器接口模块,与电机编码器连接,接收电机附带的光电编码器脉冲信号或者旋转编码器输出信号;
按键模块,用于配置伺服驱动器的输入参数以及控制模式,
所述主CPU模块通过FPGA模块与从CPU模块连接,所述编码器接口模块、存储模块与主CPU模块连接,所述按键模块与FPGA模块连接。
具体的,所述双核伺服驱动***还包括用于提供整个双核伺服驱动***电源的电源模块,所述电源模块分别与主CPU模块、FPGA模块连接。
具体的,所述双核伺服驱动***还包括:
整流模块,用于将输入的三相市电转换成两项直流电;
电容模块,用于对整流后的电信号进行滤波;
IPM模块,用于将直流电转换成三相交流电,所述整流模块、电容模块、IPM模块依次串联,所述整流模块的输入端外接三相市电,所述IPM模块的信号输入端连接FPGA模块,所述IPM模块的输出端连接电机。
基于同一构思,本发明还提供一种基于上述双核伺服驱动***的伺服电机实时在线建模方法,包括以下步骤:
S1、通过按键模块,选择双核伺服驱动***的建模功能;
S2、从CPU模块启动建模流程;
S3、从CPU模块把计算获得的数学方程,通过数显模块,把电机模型显示出来。
具体的,所述步骤S2中,从CPU启动建模流程的具体过程为:
S201、***阶跃响应,CPU给电机输入一个恒定值,电机运行稳定后,采集若干组数量的电机输入参数及对应输出参数;
S202、得出数学方程式,通过***输出除以输入,得出电机的数学模型:
Y=aX2+bX+c
其中,x为电机输入,Y为***输出,a,b,c为***参数;
S203、参数辨识,利用递推原理:新的估计值 求得***参数,即
K时刻的估计值可以表示为
式中y(k)为S202数学方程的响应,即***输出,通过S201采集获得,可得如下递推公式:
把采用数据根据上述三条递推公式,则可估算出***参数:
最后,得出计算出电机的数学模型。
本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果:
1、本发明的伺服控制***采用双核架构,能实时计算出***模型,调试人员可以根据电机模型,选用对应的控制参数,利用理论指导实践,使得调试人员有的放矢,很快找到达到性能要求的参数,大大提高生产效率。
2、调试人员可以得到较为准确的电机模型,并根据数学模型计算出相应的控制参数,进而不用盲目地凭经验调节参数,减少调试时间,增加调试精度,提高控制性能。
附图说明
图1为本发明的双核伺服驱动***结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1,一种双核伺服驱动***,包括:
主CPU模块,用于控制算法的计算;
从CPU模块,用于实时采集电机状态数据,建立电机数学模型;
FPGA模块,用于数据交换中介以及相关信号的采集;
存储模块,用于保存信号数据和程序;
编码器接口模块,与电机编码器连接,接收电机附带的光电编码器脉冲信号或者旋转编码器输出信号;
按键模块,用于配置伺服驱动器的输入参数以及控制模式,
所述主CPU模块通过FPGA模块与从CPU模块连接,所述编码器接口模块、存储模块与主CPU模块连接,所述按键模块与FPGA模块连接。
具体的,所述双核伺服驱动***还包括用于提供整个双核伺服驱动***电源的电源模块,所述电源模块分别与主CPU模块、FPGA模块连接。
具体的,所述双核伺服驱动***还包括:
整流模块,用于将输入的三相市电转换成两项直流电;
电容模块,用于对整流后的电信号进行滤波;
IPM模块,用于将直流电转换成三相交流电,所述整流模块、电容模块、IPM模块依次串联,所述整流模块的输入端外接三相市电,所述IPM模块的信号输入端连接FPGA模块,所述IPM模块的输出端连接电机。
所述功率模块包括与DC-DC模块连接的IPM模块,所述IPM模块用于将直流电370V转换成按一定规律变化的三相交流电。
基于同一构思,本发明还提供一种基于上述双核伺服驱动***的伺服电机实时在线建模方法,包括以下步骤:
S1、通过按键模块,选择伺服驱动***的建模功能;
S2、从CPU模块启动建模流程:
1)***阶跃响应,CPU给电机输入一个恒定值,电机运行稳定后,采集若干组的电机输入参数和对应的输出参数;
2)数学方程式,通过***输出除以输入,得出电机的数学模型:
Y=aX2+bX+c
其中,x为电机输入,Y为***输出,a,b,c为***参数;
3)参数辨识,利用递推原理:新的估计值求得***参数,即
K时刻的估计值可以表示为
式中y(k)为2)数学方程的响应,即***输出,通过1)采集获得。
可得如下递推公式:
把采用数据根据上述三条递推公式,则可估算出***参数:
最后,得出计算出电机的数学模型。
STEP3,从CPU模块把计算获得的数学方程,通过数显模块,把电机模型显示出来。
因此,调试人员只要按下一个按键,伺服驱动***就会自动建立电机模型。然后调试人员可以根据数学模型,利用不同的整定方法,把PID控制参数计算出来,使得电机达到较高的控制性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种双核伺服驱动***,其特征在于,包括:
主CPU模块,用于控制算法的计算;
从CPU模块,用于实时采集电机状态数据,建立电机数学模型;
FPGA模块,用于数据交换中介以及相关信号的采集;
存储模块,用于保存信号数据和程序;
编码器接口模块,与电机编码器连接,接收电机附带的光电编码器脉冲信号或者旋转编码器输出信号;
按键模块,用于配置伺服驱动器的输入参数以及控制模式,
所述主CPU模块通过FPGA模块与从CPU模块连接,所述编码器接口模块、存储模块与主CPU模块连接,所述按键模块与FPGA模块连接。
2.根据权利要求1所述的双核伺服驱动***,其特征在于,所述双核伺服驱动***还包括用于提供整个双核伺服驱动***电源的电源模块,所述电源模块分别与主CPU模块、FPGA模块连接。
3.根据权利要求2所述的双核伺服驱动***,其特征在于,所述双核伺服驱动***还包括:
整流模块,用于将输入的三相市电转换成两项直流电;
电容模块,用于对整流后的电信号进行滤波;
IPM模块,用于将直流电转换成三相交流电,所述整流模块、电容模块、IPM模块依次串联,所述整流模块的输入端外接三相市电,所述IPM模块的信号输入端连接FPGA模块,所述IPM模块的输出端连接电机。
4.一种如上述权利要求1-3所述的双核伺服驱动***的伺服电机实时在线建模方法,包括以下步骤:
S1、通过按键模块,选择双核伺服驱动***的建模功能;
S2、从CPU模块启动建模流程;
S3、从CPU模块把计算获得的数学方程,通过数显模块,把电机模型显示出来。
5.根据权利要求4所述的伺服电机实时在线建模方法,其特征在于,所述步骤S2中,从CPU启动建模流程的具体过程为:
S201、***阶跃响应,CPU给电机输入一个恒定值,电机运行稳定后,采集若干组数量的电机输入参数及对应输出参数;
S202、得出数学方程式,通过***输出除以输入,得出电机的数学模型:
Y=aX2+bX+c
其中,x为电机输入,Y为***输出,a,b,c为***参数;
S203、参数辨识,利用递推原理: 求得***参数,即
K时刻的估计值可以表示为
式中y(k)为S202数学方程的响应,即***输出,通过S201采集获得,可得如下递推公式:
①
②
③
把采用数据根据上述三条递推公式,则可估算出***参数:
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