一种结构优化的伺服电机速度闭环控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于伺服控制技术领域，具体涉及一种结构优化的伺服电机速度闭环控制 方法。
【背景技术】
[0002] 目前，伺服驱动器基本采用位置、速度和转矩三闭环控制结构，其大致工作原理为 驱动器通过采集编码器的脉冲信号进行位置闭环控制，同时，利用编码器脉冲信号的差分 得到电机旋转的角速度进行速度闭环控制。对于诸如高档数控机床、工业机器人等多伺服 电机高速高精度同步运动的应用场合，需要精确控制各个伺服电机的位置跟踪轨迹来实现 机械臂末端的高精度运动路径。由于伺服驱动器的位置环普遍采用比例控制结合速度前馈 补偿的模式，无法完全消除位置偏差，因此，其速度环的控制精度对于提高伺服电机的位置 轨迹跟踪精度有着重要的作用。在伺服控制系统的速度环内，各类干扰、噪声及非线性等因 素都会影响速度信号的平稳性，降低速度环的控制精度，并进一步影响到位置轨迹的跟踪 精度。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种结构优化的伺服电机速 度闭环控制方法，以消除速度反馈信号中的干扰及电流环实际数学模型中的高阶成分的影 响，提高速度输出的平稳性和速度环的控制精度。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] -种结构优化的伺服电机速度闭环控制方法，其采用的速度闭环控制系统包括速 度控制器、转矩前馈、电流环、速度观测器、频率分析器和低通滤波器；
[0006] 所述速度闭环控制方法包括如下步骤：
[0007] 速度环指令信号^进入速度闭环控制系统后分为两路;一路速度环指令信号^减 去速度反馈信号ω 3后形成偏差信号er，偏差信号er进入速度控制器的输入端；另一路速度 环指令信号r s进入转矩前馈的输入端;速度控制器的输出与转矩前馈的输出相加形成电流 环的输入指令信号u，输入指令信号u分为两路;一路输入指令信号u作为电流环的指令信号 进入伺服驱动系统的电流环，电流环的控制器通过控制伺服电机绕组的电流产生转矩，带 动伺服电机输出轴旋转并通过编码器输出的脉冲信号得到电机转过的角度Θ，将角度Θ对时 间求导得到实时的角速度另外一路输入指令信号u进入速度观测器，根据速度观测器 中电流环的简化数学模型观测出伺服电机的角速度ω。，角速度ω。分为三路;一路角速度 ω。进入频率分析器，通过频率分析器中的快速傅立叶变换算法获取角速度ω。变化的最大 频率Ω m，并将最大频率Ω m作为截止频率送入低通滤波器中；另一路角速度ω。取反后与角 速度相加得到偏差信号e。，偏差信号e。进入低通滤波器，经过滤波后成为偏差信号e s;最 后一路角速度ω。与偏差信号es相加形成速度反馈信号ω s，速度反馈信号ω s反馈至速度控 制器的输入端。
[0008] 优选地，速度观测器依据伺服驱动系统的电流环等效简化数学模型实时计算出电 机旋转的角速度，该电流环等效简化数学模型的传递函数为：
[0009]
[0010] 其中，K。是电流环的等效增益，T是电流环等效的惯性环节时间常数，《。(8)为电机 旋转的角速度的复数域表示形式，u(s)为电流环的输入指令信号u(t)的复数域表示 形式;该传递函数反映了电机旋转的角速度与电流环的输入指令之间的数学关系，如果to 时刻电流环的输入指令为阶跃信号，幅值为u(to)，角速度的时域表达式为：
[0011]
[0012] 通过以卜网个步骤计算公式（1)和（2)中的禾知参数Kc和T:
[0013] 步骤a为了使用一阶系统阶跃响应的特征计算参数K。和T，将公式（1)中的分母去 掉一个s，其传递函数变为：
[0014]
[0015]其中，a(s)为电机旋转的角加速度a(t)的复数域表示形式，该传递函数反映了电 机旋转的角加速度与电流环的输入指令之间的数学关系，如果to时刻电流环的输入指令为 阶跃信号，幅值为u(to)，角加速度a(t)的时域表达式为：
[0016]
[0017] 步骤b施加一个电流环的阶跃指令信号并实时计算电机的角加速度，根据一阶系 统阶跃响应的特征计算未知参数，其具体过程如下：
[0018] 步骤bl使伺服控制系统工作在位置环和速度环都开环的状态；
[0019] 步骤b2当伺服电机转速为0时，在to时刻对电流环输入端施加一个阶跃指令信号， 幅值为Uc，电机开始旋转并逐渐加速；
[0020] 步骤b3以采样周期Te为间隔周期性的采集编码器输出的脉冲信号，^，。，…，。分 别表示以I为周期的采样点时刻;在^时刻与时刻之间，编码器输出的脉冲数除以采样 周期Τη得到米样点ti时刻伺服电机的角速度ω i;ti时刻伺服电机的角速度ω i与ti-i时刻伺 服电机的角速度ω η的偏差（ωι-ω η)除以采样周期，得到采样点U时刻伺服电机的角 加速度ai ;
[0021] 步骤b4监控各个采样点时刻角加速度值的变化趋势并记录采样点的数量，如果连 续四个采样点时刻的角加速度都满足:该采样点时刻的角加速度与前一时刻采样点时刻的 角加速度的偏差小于或等于该采样点时刻角加速度值的2%，则认为角加速度已经达到一 个稳定值a。;根据达到a。时采样点的数量乘以采样周期I可得到从开始施加阶跃信号到达 至 1J角加速度稳定值所经历的时间Tc，参数T = Tc/4，参数Kc = ac/uc;
[0022] 设速度环的循环周期和电流环的指令周期均为……，tn分别表示间隔 为1的时间刻度;速度观测器实时计算伺服电机角速度的具体过程如下：
[0023]在to时刻产生第一个电流环指令信号U(tQ)，U(t Q)作为阶跃信号施加到电流环的 输入端，经过Ts得到以时刻的角速度值ω。( tl)，由公式⑵得到ω。(七)的表达式为：
[0024]
[0025] 在以时刻产生第二个电流环指令信号uUihuUO-uUo)作为阶跃信号施加到电 流环的输入端，经过Ts得到城寸刻的角速度值ω。( t2)，其表达式为：
[0026]
[0027] 依次类推，在tn-l时刻产生第η个电流环指令信号U(tn-l)，U(tn-l)-U(tn-2)作为阶跃 信号施加到电流环的输入端，经过T s得到^时刻的角速度值《。(^)，其表达式为：
[0028]
[0029] 由此求得各个时刻速度观测器观测的速度值ω。(tn)，n = 1，2，3，……。
[0030] 优选地，在一个速度环周期内，频率分析器获取速度观测器输出的角速度值的最 大频率，并将最大频率作为截止频率送入低通滤波器中，其获取最大频率的具体过程如下：
[0031] 设Tf为采集编码器脉冲信号的采样周期，其倒数为采样频率&;1为速度环的循环 周期，其倒数为速度环的频率F s;
[0032] 在某个速度环周期开始后，以采样周期Tf为间隔周期性的采集编码器输出的脉冲 信号，采样周期Tf与速度环的循环周期T s满足如下关系：
[0033] Ts = 2n · Tf,N>4 (8)
[0034] 在一个速度环周期内，利用步骤b3中的方法计算出2N个采样点时刻的角速度值， 分别为叫《，6^，…，气 2、_,，其中，表示速度环周期开始后经过Tf到达第一个采样点时刻的 角速度值，ω。:表示第二个采样点时刻的角速度值;依次类推，气 2、」表示第2N个采样点即速 度环周期结束时刻的角速度值；
[0035] 当第2~个采样点时刻的角速度值计算出来后，将2~个角速度值进行快速傅立叶变 换，得到反映角速度频率特性的2N个复数X(k)，k = 0，1，…，2N-1，其中，X(0)表示直流分量，X (1)表示频率为Fs时的矢量，X (2)表示频率为2倍匕时的矢量;依次类推，X (2N-1)则表示频率 为2n_1倍Fs时的矢量；
[0036] 选取快速傅立叶变换的前半部分变换结果X( i )，i = 0，1，…，2^-1进行分析：
[0037] 当i依次取…，2，1时，计算X(i)的幅值并判断幅值是否为0,当X(i) 的幅值第一次出现不为〇时，停止后续矢量幅值的计算，将不为〇的矢量对应的频率，即最大 频率Ω m= i X Fs作为截止频率F。传递给低通滤波器。
[0038] 优选地，低通滤波器采用二阶数字低通滤波器，其设计过程是先设计模拟滤波器， 然后采用双线性变换将其转化为数字滤