CN114476864A - 一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法 - Google Patents

一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法，属于柔索驱动控制技术领域，包括如下步骤：S1、采集旋转变压器反馈信号，计算电机参数用于后续矢量变换；S2、根据上位机发送的控制指令执行位置闭环控制；S3、根据位置环输出执行速度环闭环控制；S4、坐标变换得到Iq电流和Id电流闭环的反馈量；S5、根据速度环输出执行Iq电流闭环控制；S6、以设定值为指令，以步骤S4中计算出的反馈量为反馈，执行Id环PI闭环控制；S7、运算得到三相电压输出uU、uV、uW的PWM控制波形；至此，完成了机电伺服柔索驱动装置的控制。本发明解决了现有技术要求在柔索驱动装置内部安装力传感器才能实现控制，且控制精度不高的问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。

Description

一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法
技术领域
本发明属于柔索驱动控制技术领域，具体涉及一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法。
背景技术
柔索传动作为一种新兴的传动方式，凭借结构紧凑、构型简洁、运动灵活、传动平顺、多自由度、传动精度高、承载能力大等优点在加工装配、航空航天、医疗康复及工程领域已得到广泛应用。
在柔索传动的应用过程中，既要实现收绳、放绳的精确控制，又要确保柔索保持有效张紧状态，由于柔索材料的特殊性，在预紧力不足的情况下，极易发生柔性变形，导致柔索材料与绞盘之间发生相对位移，在收绳过程中发生柔索混叠，在放绳过程中发生不可恢复的卡塞或柔索松脱等情况。
随着电力电子水平的不断提高，机电伺服***以其高精度、高稳定性被广泛应用于航空、航天、电动汽车及工业控制领域，采用伺服电机驱动绞盘旋转从而控制柔索的收放，采用基于矢量控制的位置环、速度环、电流环的三环控制算法，可以实现柔索收放的长度、速度及负载力矩控制并达到很高的控制精度，适用于对精度、实时性、安全性要求较高的柔索传动领域。
机电伺服***的传动机构通常都是刚性结构，传动机构及控制对象的力学模型较为简单，而在柔索传动的应用场景中，收绳和放绳过程往往存在不一致的运动特性和负载特性，且难以全面考虑柔索预紧力、柔索扩张变形、柔索与绞盘相互作用的摩擦力等因素进行精确建模。尤其是对于柔索的负载为弹性负载的情况，在弹性负载恢复弹性变形的运动方向上，除伺服电机带动绞盘旋转从而控制柔索收/放之外，弹性负载的恢复力作用于柔索的一端，导致柔索的运动控制更加复杂，如果被绞盘放松的柔索没有及时被拉出，极易出现扩张变形、顶住绞盘内壳进而发生严重卡塞的情况，且严重影响对柔索收放长度的测量精度和控制精度。现有技术通常通过传感器监测柔索内部的应力状态来实现闭环控制，但控制精度往往有限，或仅仅在张力异常情况下采取制动措施，而在柔索驱动装置内部未安装或不适合安装力传感器的情况下，现有的控制方法无法解决此类问题，需要进行改进。
发明内容
本发明提供一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法，目的是解决现有技术要求在柔索驱动装置内部安装力传感器才能实现控制，且控制精度不高的问题。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法，包括如下步骤：
S1、采集旋转变压器反馈信号，计算电机参数用于后续矢量变换；
S2、根据上位机发送的控制指令执行位置闭环控制；
S3、根据位置环输出执行速度环闭环控制；
S4、坐标变换得到Iq电流和Id电流闭环的反馈量；
S5、根据速度环输出执行Iq电流闭环控制；
S6、以设定值为指令，以步骤S4中计算出的反馈量为反馈，执行Id环PI闭环控制；
S7、运算得到三相电压输出uU、uV、uW的PWM控制波形；
至此，完成了机电伺服柔索驱动装置的控制。
作为优选方案，步骤S1包括：采集旋转变压器反馈信号，与上一次采集值相减得到旋变值变化量，对旋变值变化量进行跨圈处理，去除掉伺服电机旋转一周时旋变值突变对伺服电机转速的影响；用跨圈处理后得到的旋变变化量，经过换算和量纲调整后除以两次采集的时间，得到伺服电机的转速，以伺服电机最大额定转速为1，对伺服电机转速进行标幺；用旋变变化量及跨圈处理累加的总圈数，得到伺服电机总旋转量，以一圈为单位进行标幺；同时计算出伺服电机的电角度θ，用于后续矢量变换。
作为优选方案，步骤S2包括：以上位机发送的柔索长度控制指令作为位置环指令值，以伺服电机总旋转量乘以绞盘周长，得到柔索运动长度，作为位置环反馈值，执行位置闭环控制；位置闭环控制包含以下步骤：
S2.1、将位置环指令与反馈比较，计算位置环误差，计算公式如下：
EP＝RP-FP
其中,RP为位置环指令，FP为位置环反馈，EP为位置环误差；
S2.3、采用PI控制方法，计算位置环比例项和积分项；
S2.4、对位置环积分项进行限幅，限制积分作用所占的比例；
S2.5、将比例项与限幅后积分项相加，得到限幅前位置环输出；
S2.6、对步骤S2.5中得到的结果进行限幅，限幅设置为[-K2·Spdmax,Spdmax]，其中Spdmax为伺服电机最大额定转速，0＜K2＜1，表示放绳和收绳过程设置不同的位置环最大输出，即最大速度指令。
作为优选方案，步骤S2.2包括：
S2.2.1、当位置环误差EP＞0时，判定为正在进行收绳操作，位置环比例系数KP采用如下公式计算：
Figure BDA0003469017500000031
其中KP01＝(KP1-KP0)/P1，P1、P2、P3、P4、P5为5个位置环误差的分段参数，KP0、KP1、KP2、KP3、KP4、KP5为6个分段比例系数，KP01为变增益斜率；
S2.2.2、当位置环误差EP＜0时，判定为正在进行放绳操作，位置环比例系数KP采用如下公式计算：
Figure BDA0003469017500000041
其中，0＜K1＜1，表示设置放绳过程的位置环比例系数在各个段均小于收绳过程中的系数。
作为优选方案，步骤S3包括：
将位置环输出送给速度环，作为速度环指令，以步骤S1中计算并标幺后的伺服电机转速作为速度环反馈，执行速度环闭环控制，速度闭环控制包括PI控制及指令梯度限幅、误差限幅、积分限幅和输出限幅，包括如下步骤：
S3.1、计算指令梯度限幅值，指令梯度限幅是指对指令相对于上一次指令的变化量进行限制；
S3.2、计算当前指令与上一拍指令之差，如果绝对值超过步长SVR，将当前指令限制在RVpre±SVR的范围内，其中RVpre代表上一拍指令；
S3.3、使用限幅后的指令与反馈之差计算速度环误差
Ev＝RvL-Fv
其中RVL为经指令梯度限幅处理后的速度环指令，FV为速度环反馈；
S3.4、采用如下公式计算速度环比例系数KV：
Figure BDA0003469017500000051
其中KV01＝(KV1-KV0)/V1，V1、V2、V3为3个速度环误差的分段参数，KV0、KV1、KV2、KV3为4个分段比例系数，KV01为变增益斜率；
S3.5、对速度环误差进行限幅处理；
S3.6、采用PI控制方法，计算速度环比例项和积分项；
S3.7、对速度环积分项进行限幅，限制积分作用所占的比例；
S3.8、将比例项与限幅后积分项相加，得到限幅前速度环输出；
S3.9、对步骤S3.8中得到的结果进行限幅，限幅值代表允许输出的最大Iq电流，由柔索驱动***需要输出的最大力矩与力矩系数计算得到。
作为优选方案，步骤S4中，根据电流传感器采集的伺服电机相电流及步骤S1中计算得到的伺服电机电角度θ，经Clarke-Park坐标变换，得到Iq和Id的测量值作为Iq和Id闭环的反馈量FIq和FId；步骤S6中，以0为指令、步骤S4中计算出的反馈量FId为反馈，按照Id＝0控制方法执行Id环PI闭环控制；步骤S7中，对Iq和Id闭环运算得到的d轴电压输出ud和q轴电压输出uq进行Park逆变换，得到两相静止电压uα和uβ，对uα和uβ进行空间矢量脉宽调制(SVPWM)运算，得到三相电压输出uU、uV、uW的PWM控制波形。
作为优选方案，步骤S3.1中，指令梯度限幅值SVR的计算过程如下：
S3.1.1、计算Vari＝|Rv|-|Fv|，其中Rv为速度环指令，Fv为速度环反馈；
S3.1.2、如果速度环指令和反馈同向且Vari＜0，判定为***处于减速过程，设置SV为SVR1；
S3.1.3、如果速度环指令和反馈同向但Vari≥0，判定为***处于匀速或加速过程，设置SV为SVR2；
S3.1.4、如果指令和反馈不同向，判定为速度出现了超调，设置SV为SVR1，否则设置SV为SVR2；
S3.1.5、根据步骤S3.1.1～S3.1.4，确定SVR为SVR1或SVR2，SVR1和SVR2的设置由柔索***的动态需求决定，设置SVR1＞SVR2。
作为优选方案，步骤S5包括：将速度环输出送给电流环，作为电流环Iq闭环指令，以步骤S4中计算出的反馈量FIq作为Iq闭环反馈，执行Iq电流闭环控制，Iq电流闭环控制包括如下步骤：
S5.1、对电流环指令进行指令梯度限幅，将本次指令RC限制在[RCpre-SCR,RCpre+SCR]范围内，其中RCpre为上一次电流闭环时的指令值，SCR为常数，即***预设的指令梯度限幅值；
S5.2、将电流环指令RC赋值给Iq电流指令RIq；
S5.3、对RIq进行单向限幅并设置限幅与非限幅情况下的比例系数；
S5.4、对电流环误差进行限幅处理；
S5.5、采用PI控制方法，计算Iq闭环的比例项和积分项；
S5.6、对Iq闭环的积分项进行限幅，限制积分作用所占的比例；
S5.7、将比例项与限幅后积分项相加，得到限幅前Iq环输出；
S5.8、对步骤S5.7中得到的结果进行限幅，得到Iq环最后输出。
作为优选方案，步骤S5.3包括如下步骤：
S5.3.1、判断RIq是否小于-R1，其中0＜R1＜0.2，为***预设的允许伺服电机在放绳方向输出的最大Iq电流，具体取值通过负载试验选取；
S5.3.2、以RIq＜0表明正在执行放绳操作，RIq＞0表明正在执行收绳操作，如果RIq＜-R1，令RIq＝-R1并设置Iq闭环的比例系数KIq＝K3·KIq1，否则KIq＝KIq1，其中KIq1为预设的正常情况下的比例系数，K3＞1为放绳过程电流限幅情况下的增益系数。
作为优选方案，步骤S6中，以0为指令、步骤S4中计算出的反馈量FId为反馈，按照Id＝0控制方法执行Id环PI闭环控制；对Iq和Id闭环运算得到的d轴电压输出ud和q轴电压输出uq进行Park逆变换，得到两相静止电压uα和uβ，对uα和uβ进行空间矢量脉宽调制运算，得到三相电压输出uU、uV、uW的PWM控制波形。
本发明所取得的有益技术效果是：
1、算法实现简单，对硬件无特殊要求，可在无柔索张力传感器情况下实现快速、平稳的收放绳控制，解决了现有技术对硬件依赖程度高，要求在柔索驱动装置内部安装力传感器才能实现控制的问题。
2、对柔索收放过程中的收放长度、速度均可实现精确控制，控制精度高。
3、解决了现有技术在放绳过程中，电机出力与弹性负载恢复弹性变形的拉力同向但作用于柔索的不同位置，如果伺服电机带动绞盘旋转将柔索放松，但放松的柔索没有被及时拉出的情况下，极易发生变形、卡塞的问题。
附图说明
图1是本发明其中一种具体实施例的柔索驱动装置使用状态示意图；
图2是本发明其中一种具体实施例的速度环指令梯度设置流程图；
图3是本发明其中一种具体实施例的电流环指令梯度设置、指令限幅及比例系数设置流程图；
图4是本发明其中一种具体实施例的流程示意图；
附图标记：1、伺服电机；2、绞盘；3、柔索；4、重物；5、弹性材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。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。基于本发明的实施例，本领域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，都属于本发明要求保护的范围。
如图1～4所示，一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法具体实施例，柔索驱动装置的使用状态如图1所示，伺服电机1通过联轴器带动绞盘2转动，柔索3的固定端缠绕在绞盘2上，活动端连接重物4，重物4通过弹性材料5连接固定支撑，本具体实施例中存在两种运动状态：
①、伺服电机1顺时针旋转，带动绞盘2旋转将柔索3收回，弹性材料5被拉伸变形，柔索3被全部收回时弹性材料5达到最大变形；
②、伺服电机1逆时针旋转，带动绞盘2旋转将柔索3放出，弹性材料5的变形量逐渐减小，柔索3被放出至最大长度时，弹性材料5仅受到重物4的重力拉伸作用，变形量最小。
需要说明的是，本具体实施例中所述的如伺服电机1旋转方向和柔索3变形情况的对应关系等细节仅为更容易地理解和说明之用，不应作为限定条件，对于负载具备弹性特征的一切柔索3应用情况均适用本发明。
本具体实施例中，外部输入为上位机发送的柔索长度控制指令，指令为正值，代表柔索3绕回绞盘2中的长度，该值为零时，代表要求将柔索3全部放出。本具体实施例中位置反馈测量元件为安装于伺服电机1的旋转变压器。
本具体实施例中的控制方法包括位置环、速度环、电流环三环控制，其中位置环为最外环，位置环的输出为速度环指令输入，速度环输出为电流环指令输入，电流环输出经空间矢量脉宽调制(SVPWM)变换后生成最终的PWM信号输出。
本具体实施例中机电伺服柔索驱动装置的控制方法包括如下步骤：
S1、采集旋转变压器反馈信号，计算电机参数用于后续矢量变换
采集旋转变压器反馈信号，与上一次采集值相减得到旋变值变化量，对旋变值变化量进行跨圈处理，去除掉伺服电机1旋转一周时旋变值突变对伺服电机1转速的影响。
用跨圈处理后得到的旋变变化量，经过换算和量纲调整后除以两次采集的时间，得到伺服电机1的转速，以伺服电机1最大额定转速为1，对伺服电机1转速进行标幺。
用旋变变化量及跨圈处理累加的总圈数，得到伺服电机1总旋转量，以一圈为单位进行标幺。
同时计算出伺服电机1电角度θ，用于后续矢量变换。
S2、根据上位机发送的控制指令执行位置闭环控制
以上位机发送的柔索长度控制指令作为位置环指令值，以伺服电机1总旋转量乘以绞盘2周长，得到柔索3运动长度，作为位置环反馈值，执行位置闭环控制；
本具体实施例中，位置闭环控制包含以下步骤：
S2.1、将位置环指令与反馈比较，计算位置环误差，计算公式如下：
EP＝RP-FP
其中,RP为位置环指令，FP为位置环反馈，EP为位置环误差。
S2.2、对收绳和放绳方向采用不同的比例系数分段设置，具体方法如下：
S2.2.1、当位置环误差EP＞0时，判定为正在进行收绳操作，位置环比例系数KP采用如下公式计算：
Figure BDA0003469017500000091
其中KP01＝(KP1-KP0)/P1
其中，P1、P2、P3、P4、P5为5个位置环误差的分段参数，KP0、KP1、KP2、KP3、KP4、KP5为6个分段比例系数，KP01为变增益斜率。
S2.2.2、当位置环误差EP＜0时，判定为正在进行放绳操作，位置环比例系数KP采用如下公式计算：
Figure BDA0003469017500000101
其中，0＜K1＜1，表示设置放绳过程的位置环比例系数在各个段均小于收绳过程中的系数。
S2.3、采用PI控制方法，计算位置环比例项和积分项；
S2.4、对位置环积分项进行限幅，限制积分作用所占的比例；
S2.5、将比例项与限幅后积分项相加，得到限幅前位置环输出；
S2.6、对步骤S2.5中得到的结果进行限幅，限幅设置为[-K2·Spdmax,Spdmax]，其中Spdmax为伺服电机1最大额定转速，0＜K2＜1，表示放绳和收绳过程设置不同的位置环最大输出即最大速度指令。
S3、根据位置环输出执行速度环闭环控制
将位置环输出送给速度环，作为速度环指令，以步骤S1中计算并标幺后的伺服电机1转速作为速度环反馈，执行速度环闭环控制；
本具体实施例中，速度闭环控制由PI控制及指令梯度限幅、误差限幅、积分限幅、输出限幅组成，包括如下步骤：
S3.1、计算指令梯度限幅值，指令梯度限幅是指对指令相对于上一次指令的变化量进行限制，如图2所示，指令梯度限幅值SVR的计算过程如下：
S3.1.1、计算Vari＝|Rv|-|Fv|，其中Rv为速度环指令，Fv为速度环反馈；
S3.1.2、如果速度环指令和反馈同向且Vari＜0，判定为***处于减速过程，设置SV为
SVR1；
S3.1.3、如果速度环指令和反馈同向但Vari≥0，判定为***处于匀速或加速过程，设置SV为SVR2；
S3.1.4、如果指令和反馈不同向，判定为速度出现了超调，设置SV为SVR1，否则(即既非同向也非不同向的情况，即其中一个为0)设置SV为SVR2；
S3.1.5、根据以上步骤，确定SVR为SVR1或SVR2；
SVR1和SVR2的设置直接决定柔索3驱动过程中启动和刹车过程的加速度，具体由柔索3***的动态需求决定，本具体实施例中，此步骤的目的是既确保***加速过程的稳定，防止突然动作导致柔索3卡塞，又保证减速过程不会出现过大超调，甚至由于刹车不及时发生安全问题，应设置SVR1＞SVR2。
本具体实施例中，设置SVR2＝0.1SVR1；
S3.2、计算当前指令与上一拍指令之差，如果绝对值超过步长SVR，将当前指令限制在RVpre±SVR的范围内，其中RVpre代表上一拍指令。
S3.3、使用限幅后的指令与反馈之差计算速度环误差
Ev＝RvL-Fv
其中RVL为经指令梯度限幅处理后的速度环指令，FV为速度环反馈；
S3.4、采用如下公式计算速度环比例系数KV：
Figure BDA0003469017500000121
其中KV01＝(KV1-KV0)/V1
V1、V2、V3为3个速度环误差的分段参数，KV0、KV1、KV2、KV3为4个分段比例系数，KV01为变增益斜率。
S3.5、对速度环误差进行限幅处理，以确保***启动初期，指令和反馈差距较大时，***能有一个较稳定的启动过程，不会突然以最大速度和最大电流启动；
S3.6、采用PI控制方法，计算速度环比例项和积分项；
S3.7、对速度环积分项进行限幅，限制积分作用所占的比例；
S3.8、将比例项与限幅后积分项相加，得到限幅前速度环输出；
S3.9、对步骤S3.8中得到的结果进行限幅，限幅值代表允许输出的最大Iq电流，由柔索3驱动***需要输出的最大力矩与力矩系数计算得到。
S4、坐标变换得到Iq电流和Id电流闭环的反馈量
本具体实施例中根据电流传感器采集的伺服电机1相电流及步骤S1中计算得到的伺服电机1电角度θ，经Clarke-Park坐标变换，得到Iq和Id的测量值作为Iq和Id闭环的反馈量FIq和FId；
S5、根据速度环输出执行Iq电流闭环控制
将速度环输出送给电流环，作为电流环Iq闭环指令，以步骤S4中计算出的反馈量FIq作为Iq闭环反馈，执行Iq电流闭环控制；
本具体实施例中，Iq电流闭环控制包括如下步骤，其中步骤S5.1～S5.3的流程如图3所示：
S5.1、对电流环指令进行指令梯度限幅，将本次指令RC限制在[RCpre-SCR,RCpre+SCR]范围内，其中RCpre为上一次电流闭环时的指令值，SCR为常数，即***预设的指令梯度限幅值；
S5.2、将电流环指令RC赋值给Iq电流指令RIq；
S5.3、对RIq进行单向限幅并设置限幅与非限幅情况下的比例系数，包括如下步骤：
S5.3.1、判断RIq是否小于-R1，其中0＜R1＜0.2为***预设的允许伺服电机1在放绳方向输出的最大Iq电流，具体取值与负载特性及负载力矩息息相关，应通过负载试验选取合适数值；
本具体实施例中，RIq＜0表明正在执行放绳操作，RIq＞0表明正在执行收绳操作，因此RIq＜-R1表明此时正在执行放绳操作且经过位置环和速度环运算后得到的电流指令超过允许值。
S5.3.2、如果RIq＜-R1，令RIq＝-R1并设置Iq闭环的比例系数KIq＝K3·KIq1，否则KIq＝KIq1，其中KIq1为预设的正常情况下的比例系数，K3＞1为放绳过程电流限幅情况下的增益系数。
此步骤的目的是对放绳过程中的伺服电机1出力进行限制，防止伺服电机1放松柔索3过快而弹性负载来不及将柔索3拉出，进而导致柔索3预紧力不足在较盘中卡死，而在限幅情况下将Iq闭环在常规情况下的比例系数乘以一个增益系数，能够促使伺服电机1端快速为绞盘2提供一定的力矩，防止绞盘2和伺服电机1被动运动，成为负载运动的阻碍；
S5.4、对电流环误差进行限幅处理，以确保***启动初期，指令和反馈差距较大时，***能有一个较稳定的启动过程，不会突然以特别大的占空比启动；
S5.5、采用PI控制方法，计算Iq闭环的比例项和积分项；
S5.6、对Iq闭环的积分项进行限幅，限制积分作用所占的比例；
S5.7、将比例项与限幅后积分项相加，得到限幅前Iq环输出；
S5.8、对步骤S5.7中得到的结果进行限幅，得到Iq环最后输出。
S6、以0为指令、步骤S4中计算出的反馈量FId为反馈，按照Id＝0控制方法执行Id环PI闭环控制。
需要说明的是，指令也可以不为0，执行Id环PI闭环控制也可以不按照Id＝0控制方法，只要能实现Id环PI闭环控制即可。
S7、对Iq和Id闭环运算得到的d轴电压输出ud和q轴电压输出uq进行Park逆变换，得到两相静止电压uα和uβ，对uα和uβ进行空间矢量脉宽调制(SVPWM)运算，得到三相电压输出uU、uV、uW的PWM控制波形。
需要说明的是，也可以采用其他变换和运算方式，只要得到三相电压输出uU、uV、uW的PWM控制波形即可。
至此，完成了机电伺服柔索驱动装置的控制。
本具体实施例中采用机电伺服领域常用的位置、速度、电流三环控制进行柔索的伺服驱动，算法在PI控制的基础上根据柔索的特殊性以及柔索收、放绳过程的不同力学特性，对三环的控制算法均进行了改进：
对于位置环，区分收绳和放绳过程，对于收绳和放绳状态设定不同的比例系数分段取值，放绳过程的各个段的比例系数均在收绳过程系数基础上乘以一个小于1的系数。
对于速度环，设置指令梯度限幅，区分加速过程和减速过程设置不同的梯度限幅值，对于加速过程设置较小的梯度，以确保***启动平稳，对于减速过程设置较大的梯度，以保证一定的***制动加速度，确保减速时柔索长度不会出现过大超调，甚至由于刹车不及时发生安全问题。
对于电流环，区分收绳和放绳过程，针对放绳过程中弹性负载有较大恢复力可将柔索拉出、如果电机出力过大反而容易导致柔索预紧力不足发生卡塞的问题，限制电机在放绳方向上的出力，同时在限制出力情况下加大比例系数，使得电机闭环速度加快，紧跟放绳需要的放松力矩，确保柔索驱动***不会成为负载、被变形恢复过程中的弹性负载反向制动。
与现有技术相比，本具体实施例所取得的有益效果包括：
1、算法实现简单，对硬件无特殊要求，可在无柔索张力传感器情况下实现快速、平稳的收放绳控制，解决了现有技术必须在柔索驱动装置内部安装力传感器才能实现控制的问题。
2、对柔索收放过程中的收放长度、速度均可实现精确控制，控制精度高。
3、解决了现有技术在放绳过程中，电机出力与弹性负载恢复弹性变形的拉力同向但作用于柔索的不同位置，如果伺服电机带动绞盘旋转将柔索放松，但放松的柔索没有被及时拉出的情况下，极易发生变形、卡塞的问题。

Claims (10)

1.一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采集旋转变压器反馈信号，计算电机参数用于后续矢量变换；
S2、根据上位机发送的控制指令执行位置闭环控制；
S3、根据位置环输出执行速度环闭环控制；
S4、坐标变换得到Iq电流和Id电流闭环的反馈量；
S5、根据速度环输出执行Iq电流闭环控制；
S6、以设定值为指令，以步骤S4中计算出的反馈量为反馈，执行Id环PI闭环控制；
S7、运算得到三相电压输出uU、uV、uW的PWM控制波形；
至此，完成了机电伺服柔索驱动装置的控制。
2.根据权利要求1所述的一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S1包括：
采集旋转变压器反馈信号，与上一次采集值相减得到旋变值变化量，对旋变值变化量进行跨圈处理，去除掉伺服电机旋转一周时旋变值突变对伺服电机转速的影响；
用跨圈处理后得到的旋变变化量，经过换算和量纲调整后除以两次采集的时间，得到伺服电机的转速，以伺服电机最大额定转速为1，对伺服电机转速进行标幺；
用旋变变化量及跨圈处理累加的总圈数，得到伺服电机总旋转量，以一圈为单位进行标幺；
同时计算出伺服电机的电角度θ，用于后续矢量变换。
3.根据权利要求2所述的一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S2包括：
以上位机发送的柔索长度控制指令作为位置环指令值，以伺服电机总旋转量乘以绞盘周长，得到柔索运动长度，作为位置环反馈值，执行位置闭环控制；
所述位置闭环控制包含以下步骤：
S2.1、将位置环指令与反馈比较，计算位置环误差，计算公式如下：
EP＝RP-FP
其中,RP为位置环指令，FP为位置环反馈，EP为位置环误差；
S2.3、采用PI控制方法，计算位置环比例项和积分项；
S2.4、对位置环积分项进行限幅，限制积分作用所占的比例；
S2.5、将比例项与限幅后积分项相加，得到限幅前位置环输出；
S2.6、对步骤S2.5中得到的结果进行限幅，限幅设置为[-K2·Spdmax,Spdmax]，其中Spdmax为伺服电机最大额定转速，0＜K2＜1，表示放绳和收绳过程设置不同的位置环最大输出，即最大速度指令。
4.根据权利要求3所述的一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S2.2包括：
S2.2.1、当位置环误差EP＞0时，判定为正在进行收绳操作，位置环比例系数KP采用如下公式计算：
Figure FDA0003469017490000021
其中KP01＝(KP1-KP0)/P1，P1、P2、P3、P4、P5为5个位置环误差的分段参数，KP0、KP1、KP2、KP3、KP4、KP5为6个分段比例系数，KP01为变增益斜率；
S2.2.2、当位置环误差EP＜0时，判定为正在进行放绳操作，位置环比例系数KP采用如下公式计算：
Figure FDA0003469017490000031
其中，0＜K1＜1，表示设置放绳过程的位置环比例系数在各个段均小于收绳过程中的系数。
5.根据权利要求4所述的一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S3包括：
将位置环输出送给速度环，作为速度环指令，以步骤S1中计算并标幺后的伺服电机转速作为速度环反馈，执行速度环闭环控制，所述速度闭环控制包括PI控制及指令梯度限幅、误差限幅、积分限幅和输出限幅，包括如下步骤：
S3.1、计算指令梯度限幅值，指令梯度限幅是指对指令相对于上一次指令的变化量进行限制；
S3.2、计算当前指令与上一拍指令之差，如果绝对值超过步长SVR，将当前指令限制在RVpre±SVR的范围内，其中RVpre代表上一拍指令；
S3.3、使用限幅后的指令与反馈之差计算速度环误差
Ev＝RvL-Fv
其中RVL为经指令梯度限幅处理后的速度环指令，FV为速度环反馈；
S3.4、采用如下公式计算速度环比例系数KV：
Figure FDA0003469017490000032
其中KV01＝(KV1-KV0)/V1，V1、V2、V3为3个速度环误差的分段参数，KV0、KV1、KV2、KV3为4个分段比例系数，KV01为变增益斜率；
S3.5、对速度环误差进行限幅处理；
S3.6、采用PI控制方法，计算速度环比例项和积分项；
S3.7、对速度环积分项进行限幅，限制积分作用所占的比例；
S3.8、将比例项与限幅后积分项相加，得到限幅前速度环输出；
S3.9、对步骤S3.8中得到的结果进行限幅，限幅值代表允许输出的最大Iq电流，由柔索驱动***需要输出的最大力矩与力矩系数计算得到。
6.根据权利要求5所述的一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法，其特征在于：
所述步骤S4中，根据电流传感器采集的伺服电机相电流及步骤S1中计算得到的伺服电机电角度θ，经Clarke-Park坐标变换，得到Iq和Id的测量值作为Iq和Id闭环的反馈量FIq和FId；
所述步骤S6中，以0为指令、步骤S4中计算出的反馈量FId为反馈，按照Id＝0控制方法执行Id环PI闭环控制
所述步骤S7中，对Iq和Id闭环运算得到的d轴电压输出ud和q轴电压输出uq进行Park逆变换，得到两相静止电压uα和uβ，对uα和uβ进行空间矢量脉宽调制(SVPWM)运算，得到三相电压输出uU、uV、uW的PWM控制波形。
7.根据权利要求6所述的一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S3.1中，指令梯度限幅值SVR的计算过程如下：
S3.1.1、计算Vari＝|Rv|-|Fv|，其中Rv为速度环指令，Fv为速度环反馈；
S3.1.2、如果速度环指令和反馈同向且Vari＜0，判定为***处于减速过程，设置SV为SVR1；
S3.1.3、如果速度环指令和反馈同向但Vari≥0，判定为***处于匀速或加速过程，设置SV为SVR2；
S3.1.4、如果指令和反馈不同向，判定为速度出现了超调，设置SV为SVR1，否则设置SV为SVR2；
S3.1.5、根据步骤S3.1.1～S3.1.4，确定SVR为SVR1或SVR2，SVR1和SVR2的设置由柔索***的动态需求决定，设置SVR1＞SVR2。
8.根据权利要求7所述的一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S5包括：将速度环输出送给电流环，作为电流环Iq闭环指令，以步骤S4中计算出的反馈量FIq作为Iq闭环反馈，执行Iq电流闭环控制，所述Iq电流闭环控制包括如下步骤：
S5.1、对电流环指令进行指令梯度限幅，将本次指令RC限制在[RCpre-SCR,RCpre+SCR]范围内，其中RCpre为上一次电流闭环时的指令值，SCR为常数，即***预设的指令梯度限幅值；
S5.2、将电流环指令RC赋值给Iq电流指令RIq；
S5.3、对RIq进行单向限幅并设置限幅与非限幅情况下的比例系数；
S5.4、对电流环误差进行限幅处理；
S5.5、采用PI控制方法，计算Iq闭环的比例项和积分项；
S5.6、对Iq闭环的积分项进行限幅，限制积分作用所占的比例；
S5.7、将比例项与限幅后积分项相加，得到限幅前Iq环输出；
S5.8、对步骤S5.7中得到的结果进行限幅，得到Iq环最后输出。
9.根据权利要求8所述的一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S5.3包括如下步骤：
S5.3.1、判断RIq是否小于-R1，其中0＜R1＜0.2，为***预设的允许伺服电机在放绳方向输出的最大Iq电流，具体取值通过负载试验选取；
S5.3.2、以RIq＜0表明正在执行放绳操作，RIq＞0表明正在执行收绳操作，如果RIq＜-R1，令RIq＝-R1并设置Iq闭环的比例系数KIq＝K3·KIq1，否则KIq＝KIq1，其中KIq1为预设的正常情况下的比例系数，K3＞1为放绳过程电流限幅情况下的增益系数。
10.根据权利要求8或9所述的一种机电伺服柔索驱动装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S6中，以0为指令、步骤S4中计算出的反馈量FId为反馈，按照Id＝0控制方法执行Id环PI闭环控制；
对Iq和Id闭环运算得到的d轴电压输出ud和q轴电压输出uq进行Park逆变换，得到两相静止电压uα和uβ，对uα和uβ进行空间矢量脉宽调制运算，得到三相电压输出uU、uV、uW的PWM控制波形。
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