基于饱和激励信号的直线伺服系统特征分析方法
【专利摘要】本发明提供一种直线伺服系统特征分析方法，根据直线伺服系统的电气和机械特征，选择饱和激励信号、幅值及持续时间；在幅值和持续时间下，进行直线伺服系统的饱和激励实验，并记录直线伺服系统运动方向上的实际位移数据；通过差分方法分析实际位移数据，获取直线伺服系统在极限运动状况下直线伺服系统运动方向上的速度数据和加速度数据；通过Morlet小波变换分析加速度数据，得到直线伺服系统在极限运动状况下的频率数据；为运动控制器设计和开发，以及运动规划及控制方法研究提供直接的数据参考依据。本发明提供一种直线伺服系统特征分析方法实验简便，算法运算量小，易于现场实现，调试过程灵活。
【专利说明】基于饱和激励信号的直线伺服系统特征分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是运动控制【技术领域】的系统特征分析方法，具体是一种基于饱和激励信号的直线伺服系统特征分析方法。
【背景技术】
[0002]相比传统旋转电机，直线电机革命性的特点是直接将电能转换为直线运动的机械能，省去了旋转运动向直线运动转换的中间环节。直线电机凭借其高推重比、高刚度、高加速度和高精度等特点，成为高加速高速高精度运动系统装备的主流核心部件，在高端数控机床、IC封装与制造及微电子等领域得到广泛的应用。随着生产效率和生产质量的不断提高，相关生产设备的加速度、速度和定位精度的要求越来越高。这给运动控制开发人员带来了严峻的挑战，它需要设计开发的运动控制器能够在合理利用直线伺服系统特征的前提下，实现高加速高速高精度运动系统装备的生产要求。
[0003]直线伺服系统是一个集机、电、磁和热能等多种能量形式于一体的复杂系统。直线电机作为系统的主要组成部分，其性能不仅与本身的机、电、磁等特性相关，而且与机械系统息息相关。因此传统的针对电机或机械系统单独研究很难实现系统整体特征分析。在控制领域，研究人员所关心的直线伺服系统特征是指其系统极限运动过程中的速度信息、力口速度信息及频率信息等。在运动控制器开发过程中，如何确定直线伺服系统在极限运动过程中的速度信息、加速度信息及频率信息成为设计开发人员的首要解决问题。
[0004]在控制领域中，常采用线性或对数扫频方法测定伺服系统的固有频率，用以表征伺服系统在运动过程中的频率信息。然而，这些方法在获得频率信息的同时，很难获取更多的系统特征，如速度信息和加速度信息。为了获取伺服系统的速度信息和加速度信息，测试人员需要更多的方法及实验来测定。此外，通过此类方法获取的固有频率，并不能直接代表伺服系统在运动过程中的频率信息。
[0005]经检索发现，Kim等在文献 “Design and performance tuning of sliding-modecontroller for high-speed and high-accuracy positioning systems in disturbanceobserver framework，，(IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56 (10):3798-3809.)中通过计算动态模型参数的方式获取被控对象的固有频率来表征运动过程中的频率信息，但是这种方法需要准确的动态模型参数，在实际应用中的可操作性不强。
[0006]综上所述，现有技术中采用固有频率来表征运动过程中的频率信息，很难准确表征运动过程中的频率信息；此外获得频率信息的同时，很难获取其它系统特征，如速度信息和加速度信息，因而影响运动控制器设计和开发。
【发明内容】
[0007]针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种基于饱和激励信号的直线伺服系统特征分析方法。该方法不仅能有效获取极限运动状况下直线伺服系统的速度信息和加速度信息，而且可准确分析直线伺服系统在相同极限运动条件下的频率信息，为运动控制器设计和开发，以及运动规划及控制方法研究提供直接的数据参考依据。
[0008]本发明提供一种直线伺服系统特征分析方法，包括:
[0009](1)根据直线伺服系统的电气和机械特征，选择饱和激励信号、幅值及持续时间；
[0010](2)在幅值和持续时间下，进行直线伺服系统的饱和激励实验，并记录直线伺服系统运动方向上的实际位移数据；
[0011](3)通过差分方法分析实际位移数据，获取直线伺服系统在极限运动状况下直线伺服系统运动方向上的速度信息和加速度信息；
[0012](4)通过Morlet小波变换分析步骤(3)中获取的加速度信息，得到直线伺服系统在极限运动状况下的频率信息；
[0013]极限运动状况为直线伺服系统加上饱和激励信号时的运动状况。
[0014]进一步地，步骤(1)中饱和激励信号为饱和电压激励信号或者饱和电流激励信号。
[0015]进一步地，直线伺服系统包括运动控制器、驱动单元、执行机构及附属装置。
[0016]进一步地，步骤(2)中进行直线伺服系统的饱和激励实验，包括以下步骤:
[0017](21)通过运动控制器发送饱和激励信号，驱动直线伺服系统运动；
[0018](22)记录非接触式光栅尺反馈信号，非接触式光栅尺反馈信号为相应的实际位移数据。
[0019]进一步地，步骤(22)中饱和激励信号为饱和电压激励信号，饱和电压激励信号的幅值为±10V，正负饱和电压的持续时间均为5ms。
[0020]进一步地，步骤(22)中记录非接触式光栅尺反馈信号时，选择有效保存长度。通过选择有效的保存长度，在存储容量一定的条件下，可以确定保存位移数据的数量。
[0021]进一步地，有效保存长度为200。
[0022]进一步地，步骤(4)包括步骤:
[0023](41)连续小波变换是信号与小波函数的内积:
[0024]
【权利要求】
1.一种直线伺服系统特征分析方法，其特征在于，所述方法包括: (1)根据直线伺服系统的电气和机械特征，选择饱和激励信号、幅值及持续时间； (2)在所述幅值和所述持续时间下，进行所述直线伺服系统的饱和激励实验，并记录所述直线伺服系统运动方向上的实际位移数据； (3)通过差分方法分析所述实际位移数据，获取所述直线伺服系统在极限运动状况下的所述直线伺服系统运动方向上的速度信息和加速度信息； (4)通过Morlet小波变换分析步骤(3)中获取的所述加速度信息，得到所述直线伺服系统在极限运动状况下的频率信息； 所述极限运动状况为所述直线伺服系统加上所述饱和激励信号时的运动状况。
2.如权利要求1所述的直线伺服系统特征分析方法，其特征在于，步骤(1)中所述饱和激励信号为饱和电压激励信号或者饱和电流激励信号。
3.如权利要求2所述的直线伺服系统特征分析方法，其特征在于，所述直线伺服系统包括运动控制器、驱动单元、执行机构及附属装置。
4.如权利要求3所述的直线伺服系统特征分析方法，其特征在于，步骤(2)中进行所述直线伺服系统的饱和激励实验，包括以下步骤: (21)通过所述运动控制器发送所述饱和激励信号，驱动所述直线伺服系统运动； (22)记录非接触式光栅尺反馈信号，所述非接触式光栅尺反馈信号为相应的实际位移数据。
5.如权利要求4所述的直线伺服系统特征分析方法，其特征在于，步骤(22)中所述饱和激励信号为饱和电压激励信号，所述饱和电压激励信号的幅值为土 10V，正负饱和电压的持续时间均为5ms。
6.如权利要求4所述的直线伺服系统特征分析方法，其特征在于，步骤(22)中记录所述非接触式光栅尺反馈信号时，选择有效保存长度。
7.如权利要求5所述的直线伺服系统特征分析方法，其特征在于，所述有效保存长度为 200。
8.如权利要求1所述的直线伺服系统特征分析方法，其特征在于，步骤(4)包括步骤: (41)连续小波变换是信号与小波函数的内积:
9.如权利要求8所述的直线伺服系统特征分析方法，其特征在于，步骤(41)中采用的Morlet小波变换的公式为:
10.如权利要求8所述的直线伺服系统特征分析方法，其特征在于，步骤(42)中所述频率下限为1OOHz，所述频率上限为5000Hz，所述频率点数为256。
【文档编号】G05B23/02GK103792936SQ201410014394
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月13日 优先权日:2014年1月13日
【发明者】熊振华, 刘超, 吴建华, 孙宇昕, 朱向阳 申请人:上海交通大学