CN113794404A - 一种双轴精密离心机相位偏差补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轴精密离心机相位偏差补偿控制方法，涉及双轴精密离心机技术领域，包括以下步骤：S1，获取双轴精密离心机主轴转速V1，将V1视为从轴初始转速指令得到对应的相位滞后量θ1；S2，获取主轴相位Pos1，将Pos1视为从轴的目标相位和原始步进指令，将相位滞后量θ1与从轴的原始步进指令Pos1进行求和，得到修正后的从轴相位指令Pos2；S3，对主轴相位和从轴相位进行同步测量，得到主轴相位和从轴相位偏差的整圈均值θ2，将修正后的从轴相位指令Pos2与θ2求和，得到补偿后的从轴相位指令Pos3；S4，以Pos3作为从轴相位驱动信号，完成相位滞后量的消除。

Description

一种双轴精密离心机相位偏差补偿控制方法

技术领域

本发明涉及双轴精密离心机技术领域，具体为一种双轴精密离心机相位偏差补偿控制方法。

背景技术

精密离心机是用于惯性仪表标校的重要仪器设备，主要分为单轴和双轴精密离心机。其中双轴精密离心机的结构特点是从轴安装在主轴末端，且主轴和从轴轴线平行，通过主轴与从轴的同步反转实现零角速度输入，能显著提高陀螺仪等惯性仪表的标校精度。

双轴精密离心机为了实现双轴的同步反转，目前所使用的方法是在确保主轴平稳运转的基础上，检测主轴的相位输出，并将其作为从轴的相位驱动信号，从轴以相位-转速-力矩三层闭环结构控制其运转，从而实现主轴和从轴之间的同步运动控制。

但由于伺服驱动器相位环工作特性，从轴跟随主轴转动时存在相位滞后情况，且滞后量会随着离心机转速的提升等比增大；同时由于主轴转速波动以及从轴旋转阻尼力矩波动等因素，从轴与主轴间存在周期性相位偏差波动，且波动频率正比于离心机的旋转频率。因此对从轴相位驱动信号采取直接补偿的方式难以达到角秒级的相位锁定需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双轴精密离心机相位偏差补偿控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种双轴精密离心机相位滞后补偿方法，包括以下步骤：

S1，获取双轴精密离心机主轴转速V1，将V1视为从轴初始转速指令得到对应的相位滞后量θ1，执行步骤S2；

S2，获取主轴相位Pos1，将Pos1视为从轴的目标相位和原始步进指令，将相位滞后量θ1与从轴的原始步进指令Pos1进行求和，得到修正后的从轴相位指令Pos2，执行步骤S3；

S3，对主轴相位和从轴相位进行同步测量，得到主轴相位和从轴相位偏差的整圈均值θ2，将修正后的从轴相位指令Pos2与θ2求和，得到补偿后的从轴相位指令Pos3，执行步骤S4；

S4，以Pos3作为从轴相位驱动信号，完成相位滞后量的消除。

进一步的，所述步骤S1中，双轴精密离心机主轴转速通过伺服驱动器自身的转速测量模块获取。

进一步的，所述步骤S1中，相位滞后量θ1＝V1/P1，式中，P1为从轴伺服驱动器相位环的比例增益系数。

进一步的，所述步骤S2中，修正后的从轴相位指令Pos2的计算公式如下：

Pos2＝Pos1+θ1＝Pos1+V1/P1

步骤S2中，主轴相位Pos1是通过与主轴同轴安装的增量式圆光栅获取的。

进一步的，所述步骤S3中，补偿后的从轴相位指令Pos3的计算公式为：

Pos3＝Pos2+θ2＝Pos1+V1/P1+θ2

一种双轴精密离心机周期性相位偏差补偿方法，包括权利要求1至5中任意一项所述的一种双轴精密离心机相位滞后补偿方法，还包括以下步骤：

S61，对进行相位滞后量消除后的主轴与从轴间的相位偏差θ3进行测量，并与相位偏差目标设定θ0进行对比，如果θ3≤θ0，表明周期性相位偏差满足目标设定需求，不需要在进行消除；如果θ3＞θ0，则执行步骤S62；

S62，对相位偏差θ3的时域波形进行傅里叶变换，求得其功率谱，得到功率谱中的基频信号频率f1、幅值Af1以及2倍频信号的频率f2、幅值Af2，执行步骤S63；

S63，生成频率为f1、幅值为Af1的、初相位为0的正弦波A1，以及频率为f2、幅值为Af2、初相位为0的正弦波A2，执行步骤S64；

S64，将A1和A2叠加生成补偿信号A，将补偿信号A补偿至从轴相位指令Pos3中，执行步骤S65；

S65，测量补偿信号A补偿至从轴相位指令Pos3后的相位偏差θ4，对相位偏差θ4的时域波形进行傅里叶变化求其功率谱，得到功率谱中的基频信号频率f11和幅值Af11以及2倍频信号的频率f22和幅值Af22，执行步骤S66；

S66，根据基频信号频率f11和幅值Af11以及2倍频信号的频率f22和幅值Af22计算补偿信号A中两个正弦波形A1和A2的初始相位θ5和θ6，将θ5和θ6分别作为正弦波A1和正弦波A2的相位值，得到A11和A22，执行步骤S67；

S67，将A11与A22叠加得到补偿信号B，将补偿信号B替换补偿信号A补偿至从轴相位指令Pos3中，控制从轴转动，执行步骤S61，直到θ3≤θ0，完成周期性相位偏差补偿。

进一步的，所述步骤S63中，A1与A2的表达公式为：

进一步的，所述步骤S64、S67中，A1和A2叠加生成补偿信号A的表达公式为：

A＝A₁+A₂＝A_f1sin(2πf₁t)+A_f2sin(2πf₂t)

A11与A22叠加得到补偿信号B的表达公式为：

B＝A₁₁+A₂₂＝A_f1sin(2πf₁t+θ₅)+A_f2sin(2πf₂t+θ₆)。

进一步的，所述步骤S66中，根据基频信号频率f11和幅值Af11以及2倍频信号的频率f22和幅值Af22计算补偿信号A中两个正弦波形A1和A2的初始相位θ5和θ6的表达公式为：

进一步的，所述步骤S66中，A11和A22的表达公式为：

本发明的有益效果是：

本发明通过对主轴与从轴的实时相位进行精确测量，并计算从轴相位反馈信号与主轴相位反馈信号之间的差值，将所得结果与从轴相位驱动信号进行求和解算实现对从轴相位驱动信号的迭代补偿，进而实现更高精度的双轴相位同步控制效果，相比于传统的通过伺服驱动器位置环的PI控制器中添加积分系数消除相位滞后以及通过使用FPGA构建基于相位偏差的PI控制环节降低周期性的波动偏差的方法，并不会产生较为严重的***振颤。

附图说明

图1为本发明的消除相位滞后流程图；

图2为本发明的消除周期性相位偏差流程图；

图3为本发明的双轴精密离心机控制***结构图；

图4为本发明的相位偏差补偿控制后的10圈整周期主从轴相位偏差图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图1-4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种双轴精密离心机相位滞后补偿方法，包括以下步骤：

S1，获取双轴精密离心机主轴转速V1，将V1视为从轴初始转速指令得到对应的相位滞后量θ1，执行步骤S2；

S2，获取主轴相位Pos1，将Pos1视为从轴的目标相位和原始步进指令，将相位滞后量θ1与从轴的原始步进指令Pos1进行求和，得到修正后的从轴相位指令Pos2，执行步骤S3；

S3，对主轴相位和从轴相位进行同步测量，得到主轴相位和从轴相位偏差的整圈均值θ2，将修正后的从轴相位指令Pos2与θ2求和，得到补偿后的从轴相位指令Pos3，执行步骤S4；

S4，以Pos3作为从轴相位驱动信号，完成相位滞后量的消除。

进一步的，所述步骤S1中，双轴精密离心机主轴转速通过伺服驱动器自身的转速测量模块获取。

进一步的，所述步骤S1中，相位滞后量θ1＝V1/P1，式中，P1为从轴伺服驱动器相位环的比例增益系数。

进一步的，所述步骤S2中，修正后的从轴相位指令Pos2的计算公式如下：

Pos2＝Pos1+θ1＝Pos1+V1/P1

步骤S2中，主轴相位Pos1是通过与主轴同轴安装的增量式圆光栅获取的。

进一步的，所述步骤S3中，补偿后的从轴相位指令Pos3的计算公式为：

Pos3＝Pos2+θ2＝Pos1+V1/P1+θ2

一种双轴精密离心机周期性相位偏差补偿方法，包括权利要求1至5中任意一项所述的一种双轴精密离心机相位滞后补偿方法，还包括以下步骤：

S61，对进行相位滞后量消除后的主轴与从轴间的相位偏差θ3进行测量，并与相位偏差目标设定θ0进行对比，如果θ3≤θ0，表明周期性相位偏差满足目标设定需求，不需要在进行消除；如果θ3＞θ0，则执行步骤S62；

S62，对相位偏差θ3的时域波形进行傅里叶变换，求得其功率谱，得到功率谱中的基频信号频率f1、幅值Af1以及2倍频信号的频率f2、幅值Af2，执行步骤S63；

S63，生成频率为f1、幅值为Af1的、初相位为0的正弦波A1，以及频率为f2、幅值为Af2、初相位为0的正弦波A2，执行步骤S64；

S64，将A1和A2叠加生成补偿信号A，将补偿信号A补偿至从轴相位指令Pos3中，执行步骤S65；

S65，测量补偿信号A补偿至从轴相位指令Pos3后的相位偏差θ4，对相位偏差θ4的时域波形进行傅里叶变化求其功率谱，得到功率谱中的基频信号频率f11和幅值Af11以及2倍频信号的频率f22和幅值Af22，执行步骤S66；

S66，根据基频信号频率f11和幅值Af11以及2倍频信号的频率f22和幅值Af22计算补偿信号A中两个正弦波形A1和A2的初始相位θ5和θ6，将θ5和θ6分别作为正弦波A1和正弦波A2的相位值，得到A11和A22，执行步骤S67；

S67，将A11与A22叠加得到补偿信号B，将补偿信号B替换补偿信号A补偿至从轴相位指令Pos3中，控制从轴转动，执行步骤S61，直到θ3≤θ0，完成周期性相位偏差补偿。

进一步的，所述步骤S63中，A1与A2的表达公式为：

进一步的，所述步骤S64、S67中，A1和A2叠加生成补偿信号A的表达公式为：

A＝A₁+A₂＝A_f1sin(2πf₁t)+A_f2sin(2πf₂t)

A11与A22叠加得到补偿信号B的表达公式为：

B＝A₁₁+A₂₂＝A_f1sin(2πf₁t+θ₅)+A_f2sin(2πf₂t+θ₆)。

进一步的，所述步骤S66中，根据基频信号频率f11和幅值Af11以及2倍频信号的频率f22和幅值Af22计算补偿信号A中两个正弦波形A1和A2的初始相位θ5和θ6的表达公式为：

进一步的，所述步骤S66中，A11和A22的表达公式为：

具体实施方式：

一、消除相位滞后

S1：利用伺服驱动器自身的转速测量模块对主轴转速V1进行测定，将V1视为从轴初始转速指令并计算对应的相位滞后量θ1：

θ1＝V1/P1

式中：P1为从轴伺服驱动器相位环的比例增益系数。

S2：对主轴相位Pos1进行高精度测量，将Pos1视为从轴的目标相位和原始步进指令，将相位滞后量θ1与原始步进指令Pos1进行求和，得到修正后的从轴相位指令Pos2：

Pos2＝Pos1+θ1＝Pos1+V1/P1

可知修正后的从轴相位偏差如下：

e(Pos)＝(V1-V0)/P1

式中：V0为从轴目标转速，即主轴实际转速。

理想情况下，认为伺服驱动器测速完全精确且无滞后，即V1＝V0，则从轴相位偏差可得到完全消除，但实际情况中，对于V1的测量受限于伺服驱动器转速模块的运算精度与数据延迟，以科尔摩根AKD***伺服驱动器为例，该伺服驱动器会存在0.1％的转速测量偏差与150ms～200ms的时间延迟，对于83r/min转速和0.1rpm/s的转速增长率而言，由此产生的转速测量偏差(V1-V0)＜0.1r/min，由此产生地的从轴相位偏差e(Pos)会达到数十角秒。因此还需进一步消除由伺服驱动器运算精度限制与数据延迟所造成的从轴相位跟随偏差。

S3：对主轴相位和从轴相位进行高精度同步测量，得到主轴和从轴相位偏差的整圈均值为θ2，将修正后的从轴相位指令Pos2与θ2求和，得到补偿后的从轴相位指令Pos3：

Pos3＝Pos2+θ2＝Pos1+V1/P1+θ2

S4：以Pos3作为从轴相位驱动信号，完成相位滞后量的消除。

二、消除周期性相位偏差

周期性相位偏差的基本成因是***旋转阻力的周期性波动，由于呈现明显的周期性特征，可以采取迭代注入周期性相位补偿量的方式进行消除。

S5：对进行相位滞后量消除后的主轴与从轴间的相位偏差θ3进行测量，并与相位偏差目标设定θ0进行对比。如果θ3≤θ0，表明周期性相位偏差满足目标设定需求，不需要在进行消除；如果θ3＞θ0，则进行S6步骤。

S6：对相位偏差θ3的时域波形进行傅里叶变换，求得其功率谱，并记录功率谱中的基频信号频率f1和幅值Af1以及2倍频信号的频率f2和幅值Af2。

S7：生成频率为f1、幅值为Af1的、初相位为0的正弦波A1，以及频率为f2、幅值为Af2、初相位为0的正弦波A2。

A1和A2叠加生成补偿信号A，将A补偿至从轴相位指令Pos3中，并控制从轴转动。

A＝A₁+A₂＝A_f1sin(2πf₁t)+A_f2 sin(2πf₂t)

S8：继续测定补偿后的从轴相位滞后量θ4，对其时域波形进行傅里叶变化求其功率谱，记录功率谱中的基频信号频率f11和幅值Af11以及2倍频信号的频率f22和幅值Af22。

S9：使用如下公式计算补偿信号A中两个正弦波形A1和A2的初始相位θ5和θ6：

S10：将θ5和θ6分别作为正弦波A1和正弦波A2的相位值，得到A11和A22。

A11和A22叠加得到新的补偿信号B，将B替换补偿信号A补偿至从轴相位控制指令Pos3中，并控制从轴转动，然后跳转S5。

B＝A₁₁+A₂₂＝A_f1sin(2πf₁t+θ₅)+A_f2sin(2πf₂t+θ₆)

图3所示为实现双轴精密离心机相位偏差补偿的控制***结构示意图。首先是将主轴视为一个独立的控制单元，由测控计算机设定目标转速，主轴伺服驱动器以转速-力矩双层闭环结构控制主轴电机转动，同时主轴编码器反馈主轴转速信号给主轴伺服驱动器，反馈主轴旋转相位脉冲信号给相位同步测量***。同时相位同步测量***将主轴旋转相位发送至运动控制器作为从轴伺服驱动器的原始步进指令，从轴伺服驱动器控制从轴电机跟随主轴同速率反向转动。同时从轴编码器反馈从轴旋转相位脉冲信号给相位同步测量***，相位同步测量***对主轴和从轴的实时相位进行高精度测量，并计算主轴和从轴间的相位差值发送至运动控制***，运动控制***根据本发明上述的消除相位滞后和消除周期性相位偏差步骤对从轴相位指令进行求和解算与迭代补偿，从轴伺服驱动器根据运动控制***发送的从轴相位指令，以相位-转速-力矩三层闭环结构控制从轴电机转动，最终实现高精度的双轴相位同步控制效果。

如图4所示，通过本发明对双轴精密离心机进行相位偏差补偿控制后，计算主轴和从轴间的相位偏差10圈整周期均值，双轴相位偏差小于1″，达到了角秒级的相位锁定精度，远高于目前双轴精密离心机角分级的锁定精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双轴精密离心机相位滞后补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，获取双轴精密离心机主轴转速V1，将V1视为从轴初始转速指令得到对应的相位滞后量θ1，执行步骤S2；

S2，获取主轴相位Pos1，将Pos1视为从轴的目标相位和原始步进指令，将相位滞后量θ1与从轴的原始步进指令Pos1进行求和，得到修正后的从轴相位指令Pos2，执行步骤S3；

S3，对主轴相位和从轴相位进行同步测量，得到主轴相位和从轴相位偏差的整圈均值θ2，将修正后的从轴相位指令Pos2与θ2求和，得到补偿后的从轴相位指令Pos3，执行步骤S4；

S4，以Pos3作为从轴相位驱动信号，完成相位滞后量的消除。

2.根据权利要求1所述的一种双轴精密离心机相位滞后补偿方法，其特征在于，所述步骤S1中，双轴精密离心机主轴转速通过伺服驱动器自身的转速测量模块获取。

3.根据权利要求2所述的一种双轴精密离心机相位滞后补偿方法，其特征在于，所述步骤S1中，相位滞后量θ1＝V1/P1，式中，P1为从轴伺服驱动器相位环的比例增益系数。

4.根据权利要求1所述一种双轴精密离心机相位滞后补偿方法，其特征在于，所述步骤S2中，修正后的从轴相位指令Pos2的计算公式如下：

Pos2＝Pos1+θ1＝Pos1+V1/P1

步骤S2中，主轴相位Pos1是通过与主轴同轴安装的增量式圆光栅获取的。

5.根据权利要求1所述的一种双轴精密离心机相位滞后补偿方法，其特征在于，所述步骤S3中，补偿后的从轴相位指令Pos3的计算公式为：

Pos3＝Pos2+θ2＝Pos1+V1/P1+θ2。

6.一种双轴精密离心机周期性相位偏差补偿方法，其特征在于，包括权利要求1至5中任意一项所述的一种双轴精密离心机相位滞后补偿方法，还包括以下步骤：

S61，对进行相位滞后量消除后的主轴与从轴间的相位偏差θ3进行测量，并与相位偏差目标设定θ0进行对比，如果θ3≤θ0，表明周期性相位偏差满足目标设定需求，不需要在进行消除；如果θ3＞θ0，则执行步骤S62；

S62，对相位偏差θ3的时域波形进行傅里叶变换，求得其功率谱，得到功率谱中的基频信号频率f1、幅值Af1以及2倍频信号的频率f2、幅值Af2，执行步骤S63；

S63，生成频率为f1、幅值为Af1的、初相位为0的正弦波A1，以及频率为f2、幅值为Af2、初相位为0的正弦波A2，执行步骤S64；

S64，将A1和A2叠加生成补偿信号A，将补偿信号A补偿至从轴相位指令Pos3中，执行步骤S65；

S65，测量补偿信号A补偿至从轴相位指令Pos3后的相位偏差θ4，对相位偏差θ4的时域波形进行傅里叶变化求其功率谱，得到功率谱中的基频信号频率f11和幅值Af11以及2倍频信号的频率f22和幅值Af22，执行步骤S66；

S66，根据基频信号频率f11和幅值Af11以及2倍频信号的频率f22和幅值Af22计算补偿信号A中两个正弦波形A1和A2的初始相位θ5和θ6，将θ5和θ6分别作为正弦波A1和正弦波A2的相位值，得到A11和A22，执行步骤S67；

S67，将A11与A22叠加得到补偿信号B，将补偿信号B替换补偿信号A补偿至从轴相位指令Pos3中，控制从轴转动，执行步骤S61，直到θ3≤θ0，完成周期性相位偏差补偿。

7.根据权利要求6所述的一种双轴精密离心机周期性相位偏差补偿方法，其特征在于，所述步骤S63中，A1与A2的表达公式为：

8.根据权利要求6所述的一种双轴精密离心机周期性相位偏差补偿方法，其特征在于，所述步骤S64、S67中，A1和A2叠加生成补偿信号A的表达公式为：

A＝A₁+A₂＝A_f1sin(2πf₁t)+A_f2sin(2πf₂t)

A11与A22叠加得到补偿信号B的表达公式为：

B＝A₁₁+A₂₂＝A_f1sin(2πf₁t+θ₅)+A_f2sin(2πf₂t+θ₆)。

9.根据权利要求6所述的一种双轴精密离心机周期性相位偏差补偿方法，其特征在于，所述步骤S66中，根据基频信号频率f11和幅值Af11以及2倍频信号的频率f22和幅值Af22计算补偿信号A中两个正弦波形A1和A2的初始相位θ5和θ6的表达公式为：

。

10.根据权利要求9所述的一种双轴精密离心机周期性相位偏差补偿方法，其特征在于，所述步骤S66中，A11和A22的表达公式为：

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