一种伺服系统和伺服控制器的制作方法

本发明涉及伺服控制技术，尤其涉及一种伺服系统中的增益参数调谐技术。

背景技术：

在现有伺服系统中，参数调试涉及多个方面的内容，虽然最终体现出来的是增益参数调谐，但实际调整时需要考虑负载惯量、机械共振、摩擦力抑制等不同因素，并针对这些因素进行调谐，如果有要求比较严格的场合，还需要考虑增益切换、速度前馈等功能并进行调谐。

现有技术中，在进行网络伺服系统的增益参数调谐时，针对每一个伺服控制器，需要利用USB接口连接伺服控制器和计算机，计算机和伺服控制器之间利用USB接口建立通信，并控制伺服控制器的增益参数调谐。在增益参数调谐过程中，计算机和伺服控制器之间需要交互大量数据和命令，通信线路负荷较大，造成通信延时甚至故障，这都可能导致增益参数的调整无法顺利完成。即使将增益参数调谐功能设置在上位控制器上，也存在同样的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种伺服系统和伺服控制器，极大降低了增益参数调谐过程中需要利用通信网络传输的数据和命令，从而降低了通信网络对增益参数调谐造成的影响，保证了增益参数调谐的顺利完成。

为解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种伺服系统，包括上位控制器，连接所述上位控制器的伺服控制器，连接所述伺服控制器的至少一个电机，其中：

所述上位控制器获得增益调谐时使用的调整条件参数，所述伺服控制器从 所述上位控制器获得所述调整条件参数，并根据获得的所述调整条件参数对电机的增益参数进行调谐。

这样，将增益参数调谐功能配置到是伺服控制器中，极大减少了在上位控制器和伺服控制器之间传输的数据和命令，从而减少了网络负担，降低了通信网络环境对增益参数调谐的影响。并且，在系统正常运行时，也可以完成增益参数的调谐。

在不同的增益参数调谐过程中，所述调整条件参数可以包括：对电机第一次进行增益调谐时的初始调整条件参数，或者电机运行过程中需要重新进行增益调谐时更新的调整条件参数。

在一个具体实施例中，伺服控制器可以自行启动增益参数的调谐，例如所述伺服控制器每次获得到调整条件参数时对电机的增益参数进行调谐。

在另一个具体实施例中，增益参数的调谐由上位控制器利用命令启动，则所述上位控制器确定需要进行增益参数调谐时，向所述伺服控制器发送调谐指示；以及所述伺服控制器每次收到所述上位控制器的调谐指示时，根据最新获得的调整条件参数对电机的增益参数进行调谐。

在上述任何一种实施例中，所述伺服控制器还可以将增益参数调谐结果发送给上位控制器。

本发明的另一个方面是提供一种伺服控制器，包括：

参数获得模块，用于从上位控制器获得增益调谐时使用的调整条件参数；

调谐控制模块，用于根据获得的调整条件参数对电机的增益参数进行调谐。

在伺服控制器自行启动增益参数的调节时，所述调谐控制模块用于在所述参数获得模块每次获得到所述调整条件参数时对电机的增益参数进行调谐。

如果增益参数调谐由上位控制器触发，则伺服控制器还包括：

命令接收模块，用于接收所述上位控制器在确定需要进行增益参数调谐时发送的调谐指示；以及所述调谐控制模块用于在所述命令接收模块每次接收到所述上位控制器的调谐指示时，根据所述参数获得模块最新获得的调整条件参 数对电机的增益参数进行调谐。

如果需要将增益参数调谐结果发送给上位控制器，则伺服控制器还可以包括：结果发送模块，用于将增益参数调谐结果发送给所述上位控制器。

本发明实施例针对现有技术的上述问题，将增益参数调整功能配置到伺服控制器中，并且由上位控制器将调整条件参数发送给伺服控制器，由伺服控制器根据调整条件参数进行增益参数的调谐，这样，伺服控制器既可以在系统停机状态单独启动所控制的电机进行增益参数的调谐，也可以在系统运行过程中进行增益参数的调谐。而且，上位控制器根据伺服控制器上报的运行参数，确定需要重新进行增益参数调谐时，也可以随时指示伺服控制再次进行增益参数的调谐，或者在需要更新调整条件参数时，及时将更新后的调整条件参数发送给伺服控制器，使得伺服控制器根据更新后的调整条件参数及时进行增益参数的调谐。在本发明实施例提供的增益参数调谐技术中，增益参数调谐由伺服控制器控制，在上位控制器和伺服控制器之间，针对增益参数的调谐所要交换的数据和命令也大为降低，增益参数调谐过程几乎不会对通信网络造成任何影响，因此即使在不停机的情况下进行增益参数的调谐，也不会对整个伺服系统的正常运行造成任何影响。

附图说明

图1为应用现有增益参数调谐技术的伺服系统结构示意图；

图2应用本发明实施例中提供的增益参数调谐技术的伺服系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种增益参数调谐流程示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种增益参数调谐流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种伺服控制器的结构示意图。

具体实施方式

一般伺服系统都具有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式和位置 控制方式。转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm，如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转(通常在有重力负载情况下产生)。位置控制方式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服系统可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。速度控制方式通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度控制方式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置控制方式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加整个系统的定位精度。

并且针对伺服电机一般分为3个环控制，所谓3环就是3个闭环负反馈PID调节系统。最内的PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流(转矩)的控制以达到对速度和位置的相应控制。第3环是最外环的位置环，可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建，要根据实际情况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算，此时的系统 运算量最大，动态响应速度也最慢。

在电机运行过程中，根据电机负载在运动中惯量的变化来自动调整增益。达到惯量改变，负载大小改变，但性能不变的效果。由于影响电机性能的因素很多，这就需要在电机运行前以及运行过程中，及时根据电机的性能进行增益参数的调谐。

如图1所示的伺服系统包括上位控制器10，上位控制器10可以连接一个或者多个伺服控制器，例如图1所示的3个伺服控制器(21，22，23)，每一个伺服控制器控制至少一个电机的运行。现有技术在进行伺服系统的增益参数调谐时，针对每一个伺服控制器，需要在系统现场利用USB接口连接伺服控制器和控制增益调谐的计算机，计算机和伺服控制器之间利用USB接口建立通信，并控制伺服控制器的增益参数调谐。控制增益调谐的计算机例如图1所示的便携式笔记本电脑30，其中设置有控制增益参数调谐的功能，以及进行增益参数调谐时使用的调整条件参数。这就需要在增益参数调谐前将伺服系统停机，然后分别连接并启动各个伺服控制器进行增益参数调谐。例如图1所示，便携式笔记本电脑30通过USB接口连接伺服控制器22，启动伺服控制器22进行增益参数调谐，增益调谐的控制功能和调整条件参数位于便携式笔记本电脑30上，增益调谐过程中，伺服控制器22控制电机运行并将电机的运行参数反馈给便携式笔记本电脑30，便携式笔记本电脑30根据调整条件参数和电机的运行参数调整相关增益参数再发送给伺服控制器22，每一个增益参数的调谐可能需要多次调整才能结束。因此参数调谐过程中，便携式笔记本电脑30和伺服控制器22之间需要交互大量的数据和命令，例如在其中一次调谐过程中，伺服控制器22要向便携式笔记本电脑30反馈速度、扭矩、位置或者振动量等运行参数，便携式笔记本电脑30根据反馈的运行参数向伺服控制器发送增益调谐开始命令、增益参数变更命令、调谐结束命令等等。如果将增益调谐功能配置在上位控制器中，增益调谐过程中同样需要通过通信网络交互大量的数据和命令，现有伺服系统中通常采用串行通信技术，大量的数据和命令将导致网 络负荷增大，通信命令处理周期加大，并且极易发生通信异常，从而无法正常进行增益参数的调谐。加之在控制其中任何一个伺服控制器22进行增益参数调谐过程中，上述任何一种方案都必须在系统停机状态下进行，也就是说，只要有一个伺服控制器在进行增益参数调谐，其他的伺服控制器以及电机都处于停机状态，这对系统的正常运行产生了较大影响。

本发明实施例针对现有技术的上述问题，将增益参数调整功能配置到伺服控制器中，并且由上位控制器将调整条件参数发送给伺服控制器，由伺服控制器根据调整条件参数进行增益参数的调谐，这样，伺服控制器既可以在系统停机状态单独启动所控制的电机进行增益参数的调谐，也可以在系统运行过程中进行增益参数的调谐。而且，上位控制器根据伺服控制器上报的运行参数，确定需要重新进行增益参数调谐时，也可以随时指示伺服控制再次进行增益参数的调谐，或者在需要更新调整条件参数时，及时将更新后的调整条件参数发送给伺服控制器，使得伺服控制器根据更新后的调整条件参数及时进行增益参数的调谐。在本发明实施例提供的增益参数调谐技术中，增益参数调谐由伺服控制器控制，在上位控制器和伺服控制器之间，针对增益参数的调谐交换的数据和命令也大为降低，不会对通信网络造成影响，因此即使在不停机的情况也下进行增益参数的调谐，也不会影响整个系统的正常运行。下面以具体实施例并结合附图进行详细说明。

如图2所示，为应用本发明实施例提供的增益参数调谐技术的伺服系统结构示意图，包括：上位控制器210，上位控制器210可以连接一个或者多个伺服控制器，例如图2所示的3个伺服控制器(221，222，223)，每一个伺服控制器中具有增益参数调谐功能，并控制至少一个电机的运行，可以根据上位控制器210发送的调整条件参数，分别针对每一个连接的电机进行增益参数的调谐。如图2所示，可以利用USB接口连接便携式笔记本电脑230和上位控制器210，通过便携式笔记本电脑230向上位控制器210写入调整条件参数，当然，调整条件参数也可以在上位控制器210的操作界面上直接写入。下面以几 个具体的增益参数调谐流程为例进行详细说明。

如图3所示，为本发明实施例提供的增益调谐技术的一种具体实现流程，包括如下步骤：

步骤301、通过设置在便携式笔记本电脑230上的界面，向上位控制器210中写入初始调整条件参数；

步骤301中，上位控制器210也可以具有调整条件参数写入界面，这样可以不用借用便携式笔记本电脑230，直接将调整条件参数写入上位控制器210。

在该步骤301中，上位控制器210需要获得调整条件参数，获得方式很多，例如通过便携式笔记本电脑230上的界面直接写入到上位控制器210的特定存储区域中，也可以通过设定的命令传输给上位控制器210，也可以由上位控制器210从便携式笔记本电脑230的特定存储区域读取到本地，这些方式都为本领域技术人员所熟知，这里不再一一赘述。

在系统调试时，需要对增益参数进行调谐，第一次调谐是使用的调整条件参数可以称为初始调整条件参数，后续调整条件参数如果有更新，则可以在步骤305中将更新的调整条件参数写入上位控制器210，进一步在步骤306中，上位控制器210将更新的调整条件参数写入伺服控制器221。

步骤302、上位控制器210向伺服控制器221中写入初始调整条件参数；

同样的，伺服控制器221需要获得调整条件参数，获得方式很多，为本领域技术人员所熟知，这里不再一一赘述。

步骤303、伺服控制器221根据写入的调整条件参数，进行增益参数调谐；

在这个具体实施例中，伺服控制器221每次收到调整条件参数，便自行启动增益参数的调谐。

步骤304、伺服控制器221将增益参数调谐结果发送给上位控制器210；

伺服控制器221可以将增益参数调谐结果携带在设定的命令中发送给上位控制器210，也可以通过写入到上位控制的特定存储区域中。

需要说明的是，步骤304并非必须的步骤，伺服控制器也可以将调整结果 保存在本地。

调整条件参数包括各个增益参数的调整条件以及调整幅度等参数，伺服控制器221根据调整条件参数，根据电机的运行性能对电机的增益参数进行调整，直到调整到目标值，然后将调整结果发送给上位控制器210。

步骤305、当调整条件参数有更新时，通过设置在便携式笔记本电脑230上的界面，向上位控制器210中写入更新的调整条件参数；

步骤306、上位控制器210向伺服控制器221中写入更新的调整条件参数，转入步骤303重新对增益参数进行调谐。

从上述流程可以看出，增益参数的调谐由伺服控制器完成，在一次增益参数调谐过程中，上位控制器和伺服控制器之间只需要交互两个命令即可，对网络通信几乎不会产生任何影响，并且当调整条件参数有更新时，可以及时写入伺服控制器并启动新的增益参数调谐流程。调整条件参数发生更新重新进行的增益参数调谐，也可以在系统正常运行时进行。伺服控制器在控制电机正常运行的同时，根据更新的调整条件参数进行的调谐，由于交互的命令和数据很少，因此对系统的正常运行几乎不产生任何影响。

如图4所示，为本发明实施例提供的增益调谐技术的另一种具体实现流程，和图3所示具体流程的差别在于步骤302'和步骤306'，增益参数调谐的触发由上位控制器控制，上位控制器中确定需要进行增益参数调谐时，向伺服控制器发送调谐指示，伺服控制器接收到调谐指示时，根据最新写入的调整调整条件参数进行调谐。

这样即使调整条件参数没有更新，当上位控制器发现电机的运行性能有所降低时，可以利用调谐指示控制伺服控制器重新进行一次增益参数的调谐。

如图5所示，根据本发明实施例提供的增益调谐技术，伺服控制器可能需要具备如下功能部件：

参数获得模块501，用于接收上位控制器发送的增益调谐时使用的调整条件参数；

调谐控制模块502，用于根据接收到的调整条件参数对电机的增益参数进行调谐。

在不同的调整过程中，调整条件参数可能是对电机第一次进行增益调谐时的初始调整条件参数，也可能是电机运行过程中需要重新进行增益调谐时更新的调整条件参数。

在一种具体实施例中，如果是上位控制器触发增益参数的调节，则伺服控制器还可以包括：

命令接收模块503，用于接收上位控制器者确定需要进行增益参数调谐时，发送的调谐指示；这时，调谐控制模块502在命令接收模块503每次收到上位控制器的调谐指示时，根据参数获得模块501最新收到的调整条件参数对电机的增益参数进行调谐。

在一种具体实施例中，如果需要将增益参数调整结果发送给上位控制器，则伺服控制器还可以包括：

结果发送模块504，用于将增益参数调谐结果发送给上位控制器。

本发明提供的增益参数调谐技术，可以用于所有伺服系统中，每一个上位控制器可以连接一个或者多个伺服控制器，每一个伺服控制器也可以连接一个或者多个电机，针对每个电机的增益参数调谐都可以利用图3或者图4所示流程进行。

本发明实施例中，针对某一个增益参数进行调谐的具体方式，以及使用到的调整条件参数，对于本领域技术人员是熟知的，本申请不再一一赘述。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。