一种抑制伺服系统定位时发生的低频振动的控制系统的制作方法

本发明涉及一种抑制伺服系统定位时发生的低频振动的控制系统，属工业伺服控制技术领域。

背景技术：

现代交流伺服系统，高速和高精度是追求的技术指标。但是，交流伺服系统机械传动部分离不开联轴器、传动轴等传动装置用来连接负载和电机。当这些传动装置的刚性要求不够时，在低速时会引起电机与负载之间的弹性扭转，从而造成伺服系统定位时末端发生振动，通常此振动频率在50hz以下，并且振动幅值随时间衰减。但在一些高精度要求场合，这样的振动是不允许的。

目前，抑制末端振动的方法主要有优化弹性连接装置以及增加补偿或者滤波算法等。优化弹性装置在实际操作中有很大局限性；后者则需要迅速知道末端振动信息。系统通过bode图或者位置波形来获取振动信息缺乏实时性，尤其是在低频时，振动信息可能捕获不准，导致振动抑制不成功。

技术实现要素：

本发明的目的是，为了提高交流伺服系统定位响应速度以及精度，拓展系统在高速、重载等工况下的适用领域，本发明提供一种抑制定位低频振动的伺服驱动系统，能够对定位时发生的低频振动起到良好的抑制效果。

实现本发明的技术方案是，一种抑制伺服系统定位时发生的低频振动的控制系统，包括伺服驱动器、永磁伺服电机和绝对位置编码器。所述伺服驱动器用于控制和驱动电机；所述绝对位置编码器向伺服驱动器的dsp芯片提供控制永磁伺服电机的位置编码。

所述伺服驱动器包括dsp芯片、fpga、信号转换单元、智能驱动单元、通信单元、数码显示单元、数字io口单元和编码器通信接口；所述dsp芯片分别与智能驱动单元、fpga、绝对位置编码器、数码显示单元、通信单元互联；智能驱动单元的逆变器端口与永磁伺服电机互联；信号转换单元连接fpga。

所述dsp芯片由芯片微处理器cpu构成，外部配置通信的接口模块spi、嵌入式存储模块、丰富的io端口、adc\dac模拟前端、电源供应模块、pwm、usb和timer模块，并能支持多种工业总线协议。

低频振动频率诊断、系统控制参数整定由所述cpu运行，这些算法能够在较低的采样速率下执行；基于转矩前馈和负载观测器的低频振动抑制算法以及foc算法，属于时间关键型，需要在极高的采样速率下进行，则在所述fpga中实现。

所述低频振动频率诊断采用位置误差峰值检测法，从第二个振动波，即探测到第二个峰值开始检测，为了避免信号波动带来的影响，先对位置误差进行低通滤波；检测记录当前时刻位置误差与上一时刻时的位置误差e(k),e(k-1)，当sign[e(k)-e(k-1)]发生变化时，表明检测到振动信号的波峰或者波谷，记录每个波峰波谷定时器的时间值，当sign[e(k)-e(k-1)]发生三次变化时为一个振动周期；设测量的振动周期为t1，t2…tk，采用加权平均值法得：tvib＝α1t1+α2t2+…+αktk，其中，tvib即低频振动周期。

所述低频振动抑制算法采用基于扰动观测器的转矩前馈的方法；包括(1)构建扰动观测器实现扰动观测，用于补偿扰动，增强系统的鲁棒性；(2)构建转矩前馈用于直接补偿指令，加快指令响应以及抑制振动。

所述构建扰动观测器步骤包括：

(1)采用低阶扰动观测器用来观测扰动转矩，扰动观测器需要调节的参数只有一个；

(2)在构建扰动观测器后，需对扰动观测器参数进行设置，观测器参数设置如下；

一阶扰动观测器使用后，负载转矩tl到转速ωm的传递函数式为：

测量噪声ζ对ωm在有观测器下的传递函数为：

其中，k为观测器控制参数，kp,ki为pi调节器参数，jm为电机转动惯量，kt为转矩系数。加大k值则有助于提高系统的抗扰动能力，相反，较小的k值则有益于避免高频测量噪声的影响。所以，为兼顾到两者，实际运用中需要调试，建议k的取值不超过速度环的截止频率，这样可以满足抗干扰性的同时尽量避免噪声影响。

所述构建转矩前馈步骤包括：

(1)采用一种改善的微分法求取转矩前馈，该微分法的传递函数为：

其中，取值与振动频率相关；

(2)转矩前馈参数设计，转矩前馈参数设计分为以下两部分：

a，pi控制器参数kp,ki；

b，转矩前馈控制参数kg，ωcf。

所述pi控制器参数计算方法如下：

采用图表系数法(cdm)，可列出系统的特征多项式：

其中ωres为振动频率，ks为弹性系数，jl为负载转动惯量；

根据cdm，使系统的特征多项式系数满足γ1＝2.5,γn-1＝γn-2＝…＝γ2＝2，其中，则可以解出kp，ki：

所述转矩前馈控制参数计算如下：

为了抵消在振动频点出的峰值，期望ωl与ωref之间的传递函数的分子分母在振动频点出的幅值相等或者接近，于是有：

其中，gv(s)＝kp+ki/s；

则kg,ωcf需满足：

其中，ks为弹性系数，jl为负载转动惯量；ωres为振动频率。

本发明的有益效果是，本发明采用位置误差峰值检测振动频率，比fft算法更加快速，大量的减少了计算资源，减轻了cpu负担。本发明构建的扰动观测器参数只有一个需要调节的参数，运用观测器求微分结构，避免了传统微分对噪音的敏感性，具有很好的抗噪音能力。本发明中pi控制器参数以及转矩前馈参数设计可以根据振动频率解出，方便自整定。本发明在低频振动频率诊断、系统控制参数整定由主cpu运行，这些算法能够在较低的采样速率下执行，所以放在cpu中进行；基于转矩前馈和负载观测器的低频振动抑制算法以及foc算法，属于时间关键型，需要在极高的采样速率下进行，所以在fpga中实现。

附图说明

图1是本发明的控制系统结构图；

图2是本发明的控制原理图；

图3是位置误差峰值检测法原理图；

图4是扰动观测器控制原理图；

图5是转矩前馈结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例一种抑制伺服系统定位时发生的低频振动的控制系统，包括伺服驱动器、永磁伺服电机和绝对位置编码器；所述伺服驱动器用于控制和驱动电机；所述绝对位置编码器向伺服驱动器的dsp芯片提供控制永磁伺服电机的位置编码。

所述伺服驱动器包括dsp芯片、fpga、信号转换单元、智能驱动单元、通信单元、数码显示单元、数字io口单元和编码器通信接口；所述dsp芯片分别与智能驱动单元、fpga、数码显示单元、通信单元互联；智能驱动单元的逆变器端口与永磁伺服电机互联；23位绝对位置编码器通过编码器通信接口与dsp芯片互联；信号转换单元连接fpga；数字io口单元和脉冲输入接口连接dsp芯片。

本实施例中，所述dsp芯片由芯片微处理器cpu构成，外部配置通信的接口模块spi、嵌入式存储模块、丰富的io端口、adc\dac模拟前端、电源供应模块、pwm、usb和timer模块，并能支持多种工业总线协议。

本实施例中，低频振动频率诊断、系统控制参数整定由所述cpu运行，这些算法能够在较低的采样速率下执行；基于转矩前馈和负载观测器的低频振动抑制算法以及foc算法，属于时间关键型，需要在极高的采样速率下进行，则在所述fpga中实现。

如图2所示为振动抑制控制算法示意图，包括振动频率检测，扰动观测器以及转矩前馈。扰动观测器以及转矩前馈结构如图4、5所示。振动频率的检测用来对系统参数进行整定。扰动观测器实现扰动观测，用于补偿扰动，增强系统的鲁棒性；转矩前馈用于直接补偿指令，加快指令响应以及抑制振动。控制分为三个闭环：位置环、速度环、电流环，分别以位置、速度以及电流作为伺服指令，控制电机的运行状态。

如图3所示为振动频率检测位置误差峰值检测法原理图。位置误差指位置指令与编码器反馈的位置信息差值。首先，位置采样周期与pwm周期一致，远小于振动的周期，以保证振动频率检测是有效的。当速度指令为零时，开始采样位置误差。通常振动第一个波中畸变比较大，所以从第二个振动波，即探测到第二个峰值开始检测较为适宜。为了避免信号波动带来的影响，先对位置误差进行低通滤波。记录当前时刻位置误差与上一时刻时的位置误差e(k),e(k-1)，当sign[e(k)-e(k-1)]发生变化时，表明检测到振动信号的波峰或者波谷，记录每个波峰波谷定时器的时间值，当sign[e(k)-e(k-1)]发生三次变化时为一个振动周期。

设测量的振动周期为t1，t2…tk，采用加权平均值法得：

tvib＝α1t1+α2t2+…+αktk

其中α1+α2+…+αk＝1，tvib即低频振动周期。

如图4所示为本发明提出的一种低阶扰动观测器用来观测扰动转矩，扰动观测器需要调节的参数只有一个k。其中ζ为噪声，ωm为电机实际速度，ω’m为受到噪声影响后测量速度。

根据图2，在未使用本发明提出的一阶扰动观测器，即传统的pi控制时，负载转矩tl到转速ωm的传递函数式为：

在使用本发明提出的一阶扰动观测器后，负载转矩tl到转速ωm的传递函数式为：

进一步的，测量噪声ζ对ωm在无观测器下的传递函数：

测量噪声ζ对ωm在有观测器下的传递函数：

其中，k为观测器控制参数，kp,ki为pi调节器参数，jm为电机转动惯量，kt为转矩系数。

根据上所上述两组传递函数，带扰动观测器与不带扰动观测器下的传统pi控制下tl到ωm的传递函数式相比，带扰动观测器传递函数多出了s²/(2ks+k²-s²)因子，而从因子s²/(2ks+k²-s²)的频率响应可知其具有高通滤波器的特性，因此在系统在频率大于k(rad/s)时响应，扰动转矩tl幅值响应会降低的更多，那么这对系统的影响就会更小。同理，考虑测量噪声ζ对ωm在有无观测器下的传递函数，当加上扰动观测器后，测量噪声对系统的影响被具有低通滤波器特性因子削弱了，因此高频噪声能得到很好的抑制。

由以上方程式分析可知加大k值则有助于提高系统的抗扰动能力，相反，较小的k值则有益于避免高频测量噪声的影响。所以，为兼顾到两者，实际运用中需要调试，建议k的取值不超过速度环的截止频率，这样可以满足抗干扰性的同时尽量避免噪声影响。

如图5所示为求取转矩前馈的结构。传统微分通常对噪声敏感，而由编码器传递上来的位置信息又或多或少的包含噪声，尤其是对精度较低的编码器来说，噪声则比精度高的编码器更大，微分对噪声的放大容易使得系统变得不稳定，所以传统微分在实际运用不太合适。运用如图5所示的观测器求微分结构，具有很好的抗噪音能力。假设：

kg＝k2k3，

k2＝ωcf，

则可得到观测器求微分法的传递函数：

其中kg,ωcf取值与振动频率相关。

根据上述要求，转矩前馈参数kg,ωcf设计分为两部分；包括以下步骤：

(1)pi控制器参数kp,ki；

(2)转矩前馈控制参数kg,ωcf。

所述步骤(1)中具体实施方法可转化为：

(1-1)pi控制器参数设计采用图表系数法(cdm)。由图2可列出系统的特征多项式为：

其中ωres为振动频率，ks为弹性系数，jl为负载转动惯量。

(1-2)根据cdm，使系统的特征多项式系数满足γ1＝2.5,γn-1＝γn-2＝…＝γ2＝2，其中，则可以解出kp,ki：

所述步骤(2)中具体实施方法可转化为：

(2-1)为了抵消在振动频点出的峰值，期望ωl与ωref之间的传递函数的分子分母在振动频点出的幅值相等或者接近，于是有：

其中，gv(s)＝kp+ki/s；

(2-2)根据2-1)ωl与ωref之间的传递函数，则kg,ωcf需满足：

本实施例提出的低频振动抑制控制系统设计，能够有效地抑制定位时发生的位置振动，提高了伺服系统的响应速度、响应精度，有利于伺服系统在更高精度、高响应的工况场合运用。