CN110296836B - 一种伺服驱动***结构判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伺服驱动***结构判定方法，该方法包括如下步骤：对电机转速ωm与电磁转矩Te进行数据采样，将待判定的伺服驱动***结构建模为双惯量***，辨识机械参数，从而计算上述待判定的伺服驱动***的振荡角频率ωo；将所述待判定的伺服驱动***结构建模为单惯量***，计算***带宽ωB；若所述振荡角频率ωo>所述***带宽ωB，则判定所述待判定的伺服驱动***结构为单惯量***，否则判定为双惯量***。本发明能够针对***机械参数未知、且负载结构不确定的无先验知识***完成***辨识，可为后续的控制方法的设计提供更准确的***模型。
Description
技术领域
本发明涉及一种伺服驱动***结构判定方法，属于伺服驱动领域。
背景技术
在实际伺服驱动控制***中，传动装置并非理想刚体，在设备承受静、动载荷时，均会承受一定程度的机械形变。常用的***结构的模型结构包括单惯量***以及双惯量***。所谓单惯量***，即忽略传动装置的弹性，认为刚度无穷，并不会引发机械振荡现象。而双惯量***中，传动机构的刚度不能忽略，势必引发***机械振荡或其他的不良影响。
只有准确确定一个伺服***为单惯量***还是双惯量***，才能为后续控制算法的选择或参数的配置提供准确的***结构的基础。而后续控制算法的选择或参数的配置中，如果无法与实际的机械参数尽可能的接近，则会导致无法精准辨识伺服驱动***机械参数与结构，从而导致无法良好的实现控制器参数整定、早期故障预测及提高***控制性能。因此，如何准确确定伺服***为单惯量***还是双惯量***，从而精准辨识伺服驱动***机械参数与结构，是实现控制器参数整定、早期故障预测及提高***控制性能的根本。
然而，如何定义一个伺服***为单惯量***还是双惯量***，国内外学者并没有形成一个统一明确的标准。
而且，实际交流伺服***中，机械参数往往随着不同运行工况或材质退化而变化，造成***控制器参数与机械参数不匹配。另一方面，控制策略性能的优劣往往与***模型密切相关，***辨识可以提供更准确的模型，从而使更多基于模型的控制算法，如PI控制、模型预测控制、自适应控制等得以实现。此外，当面对一个先验知识匮乏的“黑匣子”***，如何确定建模方式使之与实际的***结构相匹配，是控制策略的选择及其参数设计的重要前提。
***辨识包括两个方面：结构辨识与参数辨识。目前，伺服***机械参数的辨识普遍依赖于已知的***结构，根据确定的模型结构，再通过***的输入输出状态量的观测，进而辨识***参数。因此，***结构的辨识，也就是确定单惯量***还是双惯量***是整个辨识过程中的根本。
在未知模型结构时，最为普遍的***辨识方法通常为频响法，通过获取***的频率特性曲线，确立***模型结构，在此基础上，进行参数的辨识。但是，由于***结构的获取由测试数据得到，存在一定误差，因此参数的辨识必然精确度较低。由此造成理论与工程实际的脱节，***辨识的精度无法从理论上得到保障。
因此，有必要研究一种准确的***结构判定方法，形成一套完备的伺服***辨识体系，以便能够更为准确的判定伺服驱动***结构，促进智能化、自主化伺服技术的发展。
发明内容
本发明旨在提出一种***结构判定方法，以更准确的判定***结构是单惯量***还是双惯量***。
本发明是为了解决伺服驱动***辨识中负载结构未知或不确定问题，根据对***稳定性的分析，揭示伺服***机械振荡的本质特征并推导振荡频率，充分分析控制刚度对***运行状态的影响，提出一种同时考虑机械刚度与控制刚度的伺服结构判定标准。
本发明公开了一种伺服驱动***结构判定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：对电机转速ωm与电磁转矩Te进行数据采样；基于所采样到的电机转速ωm与电磁转矩Te的数据，将待判定的伺服驱动***结构建模为双惯量***，辨识待判定的伺服驱动***的机械参数；根据以上辨识出的机械参数，计算上述待判定的伺服驱动***的振荡角频率ωo；假定所述待判定的伺服驱动***为单惯量***，计算所述待判定的伺服驱动***的***带宽ωB；分析所述***带宽ωB与所述振荡角频率ωo之间的关系，若所述振荡角频率ωo>所述***带宽ωB，则判定所述待判定的伺服驱动***结构为单惯量***，否则判定所述待判定的伺服驱动***结构为双惯量***。
可选的，所述机械参数至少包括电机转动惯量J1、负载转动惯量J2、轴刚度Ks、电机阻尼b1、负载阻尼b2。
可选的，所述辨识方法为等效单惯量辨识法、参数法或非参数法。
可选的，所述计算所述待判定的伺服驱动***的***带宽ωB包括：
根据公式
计算出***带宽ωB的值；
其中，J1为电机转动惯量、J2为负载转动惯量、b1为电机阻尼、b2为负载阻尼，kp为速度环PI控制器中的比例系数，ki为速度环PI控制器中的积分系数。
本发明还公开了一种计算机可读取存储介质，其特征在于，所述计算机可读取存储介质存储有用于执行如上述技术方案所述任一种方法的程序。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明的伺服驱动***结构判定方法的流程图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明作进一步描述。
图1为本发明伺服驱动***结构判定方法的流程图。所述方法的具体实现步骤如下：
步骤S01：对电机转速ωm与电磁转矩Te进行数据采样。
对电机转速ωm与电磁转矩Te进行数据采样，以作为下一个步骤中的辨识算法的输入量。辨识算法的输出量即为机械参数的离散域辨识结果。数据采样过程中，采样频率一般设置为速度环运行频率。其中，电磁转矩Te的获取一般通过q轴电流乘以转矩系数的方式得到，而电机转速ωm由码盘获得。
步骤S02：基于所采样到的电机转速ωm与电磁转矩Te的数据，将待判定的伺服驱动***结构建模为双惯量***，辨识待判定的伺服驱动***的机械参数。
将待判定的伺服驱动***结构建模为双惯量***，再基于步骤S01采样得到的电机转速ωm与电磁转矩Te的数据，辨识待判定的伺服驱动***的双惯量***的机械参数。对于双惯量***而言，其存在六个外部机械参数：电机转动惯量J1、负载转动惯量J2、轴刚度Ks、轴阻尼cs、电机阻尼b1、负载阻尼b2。
其中，将待判定的伺服驱动***结构建模为双惯量***的原因在于，单惯量***可视为双惯量***的一个特例，因此，可以在尚未得出伺服驱动***结构为双惯量***还是单惯量***的时候，先以双惯量***建模，再等待后续步骤来确定是双惯量***还是单惯量***。双惯量***双惯量***接下来对双惯量***中机械参数进行辨识。现有技术中，存在许多辨识双惯量***的机械参数的方法。可以采用任何一种双惯量***的机械参数辨识方法来辨识上述机械参数。所述辨识方法可以包括等效单惯量辨识法、参数法、非参数法等等。这些双惯量***的机械参数辨识方法都可以辨识出上述六个机械参数。对于本发明而言，所需要辨识的机械参数至少包括电机转动惯量J1、负载转动惯量J2、轴刚度Ks、电机阻尼b1、负载阻尼b2。现有技术中的双惯量***的机械参数的辨识方法的原理在于，辨识过程中，由于电机速度ωm到电磁转矩Te的传递函数中包含所有待辨识的六个机械参数，因此将该传递函数作为辨识模型，并结合电机速度ωm以及电磁转矩Te的测量数据，可以计算得出待辨识的六个机械参数。上述电机速度ωm到电磁转矩Te的传递函数G1(s)如公式(1)所示。其中，A(s)与B(s)分别为G1(s)中的分母与分子表达式，s是复频域变量，s＝jω，j为虚数单位，ω为频率。
其中，
因此，基于所采样到的电机转速ωm与电磁转矩Te的数据，可以辨识得到待判定的伺服驱动***的双惯量***的机械参数。可以选择任何一种辨识方法，本发明不做限定。
步骤S03：根据以上辨识出的机械参数，计算上述待判定的伺服驱动***的振荡角频率ωo。
上述待判定的伺服驱动***的振荡角频率ωo的理论值即可根据步骤S02中所辨识的机械参数推导而出。
***中的振荡角频率ωo可由公式(1)中A(s)＝0的极点推导而出，对应公式(1)所示的传递函数G1(s)中的共轭极点。当忽略***所有的阻尼，即b1＝b2＝cs＝0，公式(2)中A(jω)＝0对应的ω即为***的振动角频率ωo，如公式(2)所示。
因此，根据辨识得到的机械参数，即可计算得出伺服驱动***的振荡角频率ωo。
步骤S04：假定所述待判定的伺服驱动***为单惯量***，计算所述待判定的伺服驱动***的***带宽ωB。
对伺服***来说，***带宽就是幅频响应衰减到-3dB时的频率。
假定所述待判定的伺服驱动***为单惯量***，即设置以单惯量***为初始模型的假定条件，忽略传动轴的作用，将***等效为一个惯量阻尼体，此时***电机转速到电磁转矩的传递函数G2(s)如(3)所示。
进一步考虑速度环PI控制器对***性能的影响，其传递函数G3(s)如式(4)所示。其中，kp和ki分别表示速度环PI控制器中的比例系数(***控制刚度)与积分系数。对于待判定的伺服驱动***而言，这两个参数是已知的参数。这两个参数可以是操作人员根据经验进行设定，也可以是默认的数值。
同时考虑***的机械刚度与控制刚度，即式(3)与式(4)，可推导出***开环传递函数G4(s)如式(5)所示，由式(5)所描绘的幅频特性曲线中-3dB对应的频率点即为***带宽ωB，ωB的计算过程如公式(6)所示。
20·lg|G4(jωB)|＝-3，即
由于kp和ki分别表示速度环PI控制器中的比例系数(***控制刚度)与积分系数，是已知的参数。而电机转动惯量J1、负载转动惯量J2、电机阻尼b1、负载阻尼b2则可以通过上述步骤S02辨识得到，理由是：单惯量***是双惯量***的一个特例。当将一个***视为单惯量时，那么此时***仅需要辨识两个参数：***总的惯量、总的阻尼，也就是利用双惯量辨识方法得到的电机惯量+负载惯量、电机阻尼+负载阻尼。因此，可以采用步骤S02辨识得到的参数电机转动惯量J1、负载转动惯量J2、电机阻尼b1、负载阻尼b2来代入式(6)进行计算。从而，通过式(6)可以计算得出***带宽ωB的值，也可以通过数值模拟计算***带宽ωB的值。
步骤S05：分析***带宽ωB与振荡角频率ωo之间的关系，若ωo>ωB，则判定所述待判定的伺服驱动***结构为单惯量***，否则判定所述待判定的伺服驱动***结构为双惯量***。
具体的，可以采用机械刚度结合控制刚度的思路，推断***结构。若***振荡角频率ωo大于***带宽ωB，说明传动装置的扭转特性并不会激发机械振荡，传动轴刚度可视为理想刚体，可在对建模要求不高或希望模型精简的情况下，将***建模为单惯量***。若***振荡频率包含在***带宽中，说明此时***机械振荡被激发，传动装置的扭转特性不可忽略，应将***建模为双惯量***。
通过分析***带宽ωB与振荡角频率ωo之间的关系，以准确对***进行双惯量或单惯量***建模，从而可以在准确建模的基础上，设计有效的控制方法完善***性能。
本发明打破传统***辨识需要已知***结构再辨识***机械参数的局限，能够针对***机械参数未知、且负载结构不确定的无先验知识***完成***辨识；其次，利用***机械刚度与控制刚度的关系，基于机械参数辨识结果，能够追本溯源的反推***结构。基于准确的***结构，可为后续的控制方法的设计提供更准确更合适的***的模型。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (5)
1.一种伺服驱动***结构判定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
对电机转速ωm与电磁转矩Te进行数据采样，其中，采样频率设置为速度环运行频率；
基于所采样到的电机转速ωm与电磁转矩Te的数据，将待判定的伺服驱动***结构建模为双惯量***，辨识待判定的伺服驱动***的机械参数；
根据以上辨识出的机械参数，计算上述待判定的伺服驱动***的振荡角频率ωo；
假定所述待判定的伺服驱动***为单惯量***，计算所述待判定的伺服驱动***的***带宽ωB；
分析所述***带宽ωB与所述振荡角频率ωo之间的关系，若所述振荡角频率ωo大于所述***带宽ωB，则判定传动装置的扭转特性并不会激发机械振荡，传动轴刚度能够视为理想刚体，所述待判定的伺服驱动***结构为单惯量***，否则判定***机械振荡被激发，所述待判定的伺服驱动***结构为双惯量***。
2.如权利要求1所述的一种伺服驱动***结构判定方法，其特征在于：
所述机械参数至少包括电机转动惯量J1、负载转动惯量J2、轴刚度Ks、电机阻尼b1、负载阻尼b2。
3.如权利要求1所述的一种伺服驱动***结构判定方法，其特征在于：
所述辨识待判定的伺服驱动***的机械参数的方法为等效单惯量辨识法、参数法或非参数法。
4.如权利要求1所述的一种伺服驱动***结构判定方法，其特征在于：
所述计算所述待判定的伺服驱动***的***带宽ωB包括：
根据公式
计算出***带宽ωB的值；
其中，J1为电机转动惯量、J2为负载转动惯量、b1为电机阻尼、b2为负载阻尼，kp为速度环PI控制器中的比例系数，ki为速度环PI控制器中的积分系数。
5.一种计算机可读取存储介质，其特征在于，所述计算机可读取存储介质存储有用于执行如权利要求1-4任一项所述的伺服驱动***结构判定方法的程序。
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