基于陷波滤波器的变负载伺服系统振动抑制方法及系统与流程

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种基于陷波滤波器的变负载伺服系统振动抑制方法及系统。

背景技术：

伺服系统是工业自动化的重要组成部分，是自动化行业中实现精确定位、精准运动必要途径。伺服系统可以使系统终端执行机构的位置、速度、转矩等输出参数准确地跟随输入量变化。

近些年来，交流伺服技术发展迅速，性能优异，逐渐成为伺服的主要超产品。然而在实际使用中，系统的快速性和定位精度往往不能同时兼顾，在要求快速性较高的系统中通常会牺牲一些系统的稳态精度，系统出现较大超调甚至是抖振现象。比如伺服机械臂系统中的末端机械手，若抖振现象严重，机械臂的末端机械手根本无法工作。

定位抖振现象造成伺服系统的带宽变窄,定位稳定性下降,迫使设计人员不得不降低伺服增益,从而导致伺服系统的刚度变低,响应时间变长,影响伺服系统的轨迹跟踪和高速定位的性能。高精度机床上的定位末端抖振会严重影响被加工工件的表面质量,损坏机床等。长期作用还会造成机械联接装置的磨损,严重时会酿成生产事故。因此,伺服系统定位抖动的抑制是电机驱动领域的关键共性技术,对于提高伺服系统系统稳定性、提升系统动态响应品质具有十分重要的意义。

现有类似已公开的专利有一种电机振动抑制的控制方法(cn105375850b)该专利的方法是：首先对电机转动进行全程采样，将采样结果先保存在缓冲区，然后对保存的采样结果做快速傅里叶变换，转到频域，方便分析；然后以电机转速振动频率平均值ω0为基础，并且同时分析周围的频率，对不同的情况根据其幅值进行大小，根据中心频率设计符合实际工程需要的滤波器参数，以达到振动末端抑制的目的；最后分析滤波器设计之后的幅频特性，判断振动抑制情况是否满足实际需求。若满足要求，则结束滤波器配置；若不满足需求，分析其中原因，最大可能是由于滤波器参数取值不当造成振动中心频率出没有完全衰减，此时返回重新采样并且配置滤波器。

现有方法是针对负载不变的情况，在负载发生变化时，振动中心频率会发生改变，需要重新配置滤波器，然而实际中过程中配置滤波器是离线的，具体配置过程是在振动之后才进行，这种方法在变负载情况下不能使用。

快速傅里叶变换技术将信号从时域转换到频域，其结果非常直观，便于分析频率，但是傅里叶变换需要一定数量基础的数据，才能得到准确的频谱，而在实际过程中，机械臂伺服系统中电机高速的状态变换，实时性要求较高，如果先采样分析，结束之后再将前段时间的数据带入后段时间的中，由于负载的实时变化，不足以支撑傅里叶变换需要的足量数据，因此采用傅里叶变换分析参数设计陷波滤波器的方法在变负载的情况下不可行。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于陷波滤波器的变负载伺服系统振动抑制方法及系统，一种基于陷波滤波器的变负载伺服系统振动抑制方法，主要包括以下步骤：

s101：对需要抑制振动的伺服系统的弹性连接装置建模，得到伺服系统的二阶模型；所述伺服系统中安装有测量系统振幅的位置传感器；

s102：获取伺服系统中的位置传感器的振幅数据；

s103：根据振幅数据判断系统是否存在残余振动？若是，则到步骤s104；否则，返回步骤s102；

s104：根据伺服系统模型，设计陷波滤波器，并利用设计好的陷波滤波器对伺服系统的残余振动进行抑制；所述伺服系统的残余振动的初始中心频率为ω0，根据所述振幅数据计算获得；

s105：利用位置传感器获取残余振动抑制后的伺服系统的振幅数据；并根据振动抑制后的伺服系统的振幅数据判断当前伺服系统是否存在残余振动？若是，则到步骤s106；否则，返回步骤s102；

s106：根据振动抑制后的伺服系统的振幅数据，计算得到振动抑制后的伺服系统残余振动的第一中心频率ω'0；

s107：根据ω'0和ω0的关系，对所述陷波滤波器在线进行参数更新；

s108：判断伺服系统是否停止？若是，则到步骤s109；否则，利用更新后的陷波滤波器对系统残余振动进行再次抑制，并返回步骤s107；

s109：结束残余振动抑制程序。

进一步地，步骤s101中，伺服系统模型的电机的负载转速间的传递函数如公式(1)所示：

上式中，j2为负载转动惯量；ω1为电机转轴转速；ω2为负载转速；θ1为电机转轴转角；θ2为负载转角；k为传动轴扭转弹性系数。

进一步地，步骤s103中，根据振幅数据判断系统是否存在残余振动的方法为：获取所述振幅数据中的最大振幅hmax；判断条件hmax≥x是否成立？若是，则判断为存在残余振动；否则，判断为不存在残余振动；其中，x大于0，为振动阈值，且为预设值。

进一步地，步骤s104中，设计的陷波滤波器的传递函数如公式(2)所示：

上式中，k1为陷波宽度，k2为陷波深度，k1＝5k2，ω0为伺服系统残余振动的初始中心频率，根据所述振幅数据计算获得；ω1和ω2分别为陷波滤波器的起始抑制频率和终止抑制频率，ω1和ω2关于ω0左右对称，其中初始的陷波宽度k1为初始的陷波深度k2为初始的ω2和ω1根据初始k1和k2求得。

进一步地，根据所述振幅数据计算获得伺服系统残余振动的中心频率的方法如下：

s201：根据位置传感器的振幅数据，得到伺服系统振动的位移时间关系图；并根据位移时间关系图得到振幅的最大波峰出现时刻t1和次大波峰出现时刻t2；

s202：根据t1和t2，采用频率计算公式，计算得到伺服系统的振动中心频率ω0；计算公式如公式(3)所示：

进一步地，步骤s105中，根据振动抑制后的伺服系统的振幅数据判断当前伺服系统是否存在残余振动的方法为：

获取振动抑制后的伺服系统的振幅数据中的最大振幅hmax1；判断条件hmax1≥x是否成立？若是，则判断为存在残余振动；否则，则判断为不存在残余振动；其中，x大于0，为振动阈值，且为预设值。

进一步地，步骤s107中，根据第一中心频率ω'0和初始中心频率ω0的关系，对所述陷波滤波器进行参数进行在线更新方法为：

若ω'0＜ω0；则将初始中心频率ω0调整为和第一中心频率ω'0相等，将第一中心频率ω'0调整为陷波宽度调整为：陷波深度调整为：其中，ω′1＝2ω′0-ω′2；

若ω′0＝ω0；ω0和ω'0均不变，陷波宽度调整为原来的陷波宽度的陷波深度调整为调整后的陷波宽度的1/5；

若ω′0＞ω0，则将初始中心频率ω0调整为和第一中心频率ω'0相等，将第一中心频率ω'0调整为陷波宽度调整为：陷波深度调整为：

进一步地，一种基于陷波滤波器的变负载伺服系统振动抑制系统，其特征在于：包括以下模块：

模型建立模块，用于对需要抑制振动的伺服系统的弹性连接装置建模，得到伺服系统模型；所述伺服系统中安装有测量系统振幅的位置传感器；

第一数据获取模块，用于获取伺服系统中的位置传感器的振幅数据；

第一判断模块，用于根据振幅数据判断系统是否存在残余振动？若是，则到滤波器设计模块；否则，返回第一数据获取模块；

滤波器设计模块，用于根据伺服系统模型，设计陷波滤波器，并利用设计好的陷波滤波器对伺服系统的残余振动进行抑制；所述伺服系统的残余振动的初始中心频率为ω0，根据所述振幅数据计算获得；

第二判断模块，用于利用位置传感器获取残余振动抑制后的伺服系统的振幅数据；并根据振动抑制后的伺服系统的振幅数据判断当前伺服系统是否存在残余振动？若是，则到计算模块；否则，返回第一数据获取模块；

计算模块，用于根据振动抑制后的伺服系统的振幅数据，计算得到振动抑制

后的伺服系统残余振动的第一中心频率ω′0；

参数更新模块，用于根据ω′0和ω0的关系，对所述陷波滤波器在线进行参数更新；

第三判断模块，用于判断系统是否停止？若是，则到终止模块；否则，利用更新后的陷波滤波器对系统残余振动进行再次抑制，并返回参数更新模块；

终止模块，用于结束残余振动抑制程序。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所提出的技术方案所采用的时域分析的方法可以快速检测中心频率的变化，在负载变化产生振动之后一个周期便可得到中心频率，实时性强，并且根据后续振动情况进行滤波器参数和中心频率的实时修正，可以得到优良的滤波效果，在变负载的情况下，是一种简便高实时性的振动抑制方法。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中一种基于陷波滤波器的变负载伺服系统振动抑制方法的流程图；

图2是本发明实施例中带弹性装置的位置环系统模型框图；

图3是本发明实施例中加入陷波滤波器的系统结构图；

图4是本发明实施例中伺服系统振动的位移时间关系图；

图5是本发明实施例中陷波滤波器参数调节前后对比图；

图6是本发明实施例中一种基于陷波滤波器的变负载伺服系统振动抑制系统的模块组成示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的实施例提供了一种基于陷波滤波器的变负载伺服系统振动抑制方法及系统。

请参考图1，图1是本发明实施例中一种基于陷波滤波器的变负载伺服系统振动抑制方法的流程图，具体包括如下步骤：

s101：对需要抑制振动的伺服系统的弹性连接装置建模，得到伺服系统的二阶模型；所述伺服系统中安装有测量系统振幅的位置传感器；

s102：获取伺服系统中的位置传感器的振幅数据；

s103：根据振幅数据判断系统是否存在残余振动？若是，则到步骤s104；否则，返回步骤s102；

s104：根据伺服系统模型，设计陷波滤波器，并利用设计好的陷波滤波器对伺服系统的残余振动进行抑制；所述伺服系统的残余振动的初始中心频率为ω0，根据所述振幅数据计算获得；

s105：利用位置传感器获取残余振动抑制后的伺服系统的振幅数据；并根据振动抑制后的伺服系统的振幅数据判断当前伺服系统是否存在残余振动？若是，则到步骤s106；否则，返回步骤s102；

s106：根据振动抑制后的伺服系统的振幅数据，计算得到振动抑制后的伺服系统残余振动的第一中心频率ω'0；

s107：根据ω'0和ω0的关系，对所述陷波滤波器进行参数进行在线更新配置，并判断系统是否停止？若是，则到步骤s108；否则，利用更新后的陷波滤波器对系统残余振动进行再次抑制，并返回步骤s105；

s108：结束残余振动抑制程序。

步骤s101中，伺服系统模型的电机的负载转速间的传递函数的时域表示形式和频域表示形式如公式(1)和公式(2)所示：

公式(1)和公式(2)中，c1为电机转轴阻尼系数；c2为负载阻尼系数；cw为传动轴阻尼系数；j1为电机转轴转动惯量(kg·m²)；j2为负载转动惯量(kg·m²)；ω1为电机转轴转速(rad/s)；ω2为负载转速(rad/s)；θ1为电机转轴转角(rad)；θ2为负载转角(rad)；te为电机电磁转矩(n·m)；tl为电机电磁转矩(n·m)；tw为传动轴系转矩(n·m)；k为传动轴扭转弹性系数(n·m/rad)。

伺服系统的位置环系统模型框图如图2所示，加入陷波滤波器的伺服系统结构如图3所示。

步骤s103中，根据振幅数据判断系统是否存在残余振动的方法为：获取所述振幅数据中的最大振幅hmax；判断条件hmax≥x是否成立？若是，则判断为存在残余振动；否则，判断为不存在残余振动；其中，x大于0，为振动阈值，且为预设值。

步骤s104中，设计的陷波滤波器的传递函数如公式(3)所示：

上式中，k1为陷波宽度，k2为陷波深度，k1＝5k2，ω0为伺服系统残余振动的初始中心频率，根据所述振幅数据计算获得；ω1和ω2分别为陷波滤波器的起始抑制频率和终止抑制频率，其中初始的陷波宽度k1为初始的陷波深度k2为初始的ω2和ω1根据初始k1和k2求得。

根据所述振幅数据计算获得伺服系统残余振动的中心频率的方法如下：

s201：根据位置传感器的振幅数据，得到伺服系统振动的位移时间关系图(如图4所示)；并根据位移时间关系图得到振幅的最大波峰出现时刻t1和次大波峰出现时刻t2；

s202：根据t1和t2，采用频率计算公式，计算得到伺服系统的振动中心频率ω0；计算公式如公式(4)所示：

步骤s105中，根据振动抑制后的伺服系统的振幅数据判断当前伺服系统是否存在残余振动的方法为：

获取振动抑制后的伺服系统的振幅数据中的最大振幅hmax1；判断条件hmax1≥x是否成立？若是，则判断为存在残余振动；否则，则判断为不存在残余振动；其中，x为振动阈值大于0，为预设值。

步骤s106中，计算振动抑制后的伺服系统的振动中心频率ω′0的步骤如下：

s301：根据振动抑制后的伺服系统的振幅数据，得到振动抑制后的伺服系统振动的第一位移时间关系图；并根据第一位移时间关系图得到振幅的最大波峰出现时刻t1′和次大波峰出现时刻t2′；

s302：根据t1′和t2′，采用频率计算公式，计算得到振动抑制后的伺服系统的振动中心频率ω'0；计算公式如公式(5)所示：

步骤s107中，根据ω'0和ω0的关系，对所述陷波滤波器进行参数进行在线更新配置的方法为：

滤波器参数在线更新前后对比图如图5所示，图中虚线为更新后的陷波滤波器，实线为更新前的陷波滤波器。可以看到，后续的参数ω′0在初始中心频率ω0的左侧，因此调整后的第一中心频率调整为ω″0也应向左偏移，同时陷波宽度进行相应的缩减，具体分如下三种情况对陷波滤波器的参数进行更新：

情况一：ω'0＜ω0，此时将初始中心频率ω0调整为和第一中心频率ω'0相等，将第一中心频率ω'0调整为中心频率向左偏移，陷波宽度调整策略为：为保证幅频特性对称性，取ω′1＝2ω′0-ω′2。经过调整，陷波带宽逐步变窄，对周围频率的响应影响变小。

情况二：ω′0＝ω0，此时的滤波器中心频率相对较准，不需要改动，但是陷波宽度相应缩窄，方法与情况一类似，不同的是此时直接将带宽缩减到原来的然后继续分析后续振动情况。

情况三：ω′0＞ω0，则将初始中心频率ω0调整为和第一中心频率ω'0相等，将第一中心频率ω'0调整为但与情况一相反，中心频率向右偏移。此时中心频率，左右陷波宽度调整与情况一相同，左边频率调整为右边频率调整为ω′2＝2ω0-ω′1。

由ω′1和ω′2确定带宽，由此确定陷波滤波器的参数k1和k2，再通过中心频率ω'0确定参数a,b和c，完成对滤波器的配置。

请参阅图6，为本发明实施例中一种基于陷波滤波器的变负载伺服系统振动抑制系统的模块组成示意图，其特征在于：包括顺次连接的：模型建立模块11、第一数据获取模块12、第一判断模块13、滤波器设计模块14、第二判断模块15、计算模块16、参数更新模块17、第三判断模块18和终止模块19；

模型建立模块11，用于对需要抑制振动的伺服系统的弹性连接装置建模，得到伺服系统模型；所述伺服系统中安装有测量系统振幅的位置传感器；

第一数据获取模块12，用于获取伺服系统中的位置传感器的振幅数据；

第一判断模块13，用于根据振幅数据判断系统是否存在残余振动？若是，则到滤波器设计模块14；否则，返回第一数据获取模块12；

滤波器设计模块14，用于根据伺服系统模型，设计陷波滤波器，并利用设计好的陷波滤波器对伺服系统的残余振动进行抑制；所述伺服系统的残余振动的初始中心频率为ω0，根据所述振幅数据计算获得；

第二判断模块15，用于利用位置传感器获取残余振动抑制后的伺服系统的振幅数据；并根据振动抑制后的伺服系统的振幅数据判断当前伺服系统是否存在残余振动？若是，则到计算模块16；否则，返回第一数据获取模块12；

计算模块16，用于根据振动抑制后的伺服系统的振幅数据，计算得到振动抑制后的伺服系统残余振动的第一中心频率ω'0；

参数更新模块17，用于根据ω′0和ω0的关系，对所述陷波滤波器在线进行参数更新；

第三判断模块18，用于判断系统是否停止？若是，则到终止模块；否则，利用更新后的陷波滤波器对系统残余振动进行再次抑制，并返回参数更新模块；

终止模块19，用于结束残余振动抑制程序。

本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案所采用的时域分析的方法可以快速检测中心频率的变化，在负载变化产生振动之后一个周期便可得到中心频率，实时性强，并且根据后续振动情况进行滤波器参数和中心频率的实时修正，可以得到优良的滤波效果，在变负载的情况下，是一种简便高实时性的振动抑制方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。