电机的控制模式切换方法、装置、伺服驱动设备和介质与流程

1.本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种电机的控制模式切换方法、装置、伺服驱动设备和存储介质，尤其涉及一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换方法、装置、伺服驱动设备和存储介质。


背景技术：

2.随着伺服驱动领域的快速发展，单轴伺服驱动器已经广泛应用于数控复合机床、全自动伺服拧螺丝机、绕线机、抛光机等的多种加工系统，其对加工的精度和效率也越来越高。随着用户对加工要求的提高，单轴伺服驱动器不只局限于单模式运行，也需要电机能够对两种不同控制模式进行在线切换，例如数控机床需要在速度模式和位置模式之间进行切换，伺服拧螺丝机需要在速度模式和转矩模式之间切换，抛光机需要位置模式和转矩之间切换，等等。
3.一些方案中，电机在两种控制模式之间的切换方法是电机直接切换或者是减速到目标速度后再切换，这种直接切换方式、以及减速到目标速度后再切换方式在减速时间设置较短时，均存在较大的超调或者速度的抖动，影响实际加工的精度。还有一些方案中，电机在两种控制模式之间的切换方法，是电机在一种控制模式下先减速到零附近然后切换至另一种控制模式，这种先减速到零再切换的方式，会影响加工的效率。
4.上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种电机的控制模式切换方法、装置、伺服驱动设备和存储介质，以解决电机在两种控制模式之间切换时，采用直接切换或者减速到目标速度后再切换的方式，均会存在较大超调或者较大速度抖动而影响控制精度；而采用先减速到零附近然后切换的方式，会影响控制效率的问题，达到通过根据电机的负载转矩和电机的目标速度，动态调节电机由第一模式(如速度模式)至第二模式(如位置模式)的切换时间点，实现电机由第一模式(如速度模式)至第二模式(如位置模式)的平滑切换，有利于提升电机的控制精度和控制效率的效果。
6.本发明提供一种电机的控制模式切换方法中，所述电机的控制模式，包括：第一模式和第二模式；所述电机的控制模式切换方法，包括：确定是否接收到所述电机的模式切换指令；所述电机的模式切换指令，是用于指示所述电机的控制模式需要由所述第一模式切换至所述第二模式的指令；若接收到所述电机的模式切换指令，则获取所述电机的目标速度，并获取所述电机的负载转矩；根据所述电机的目标速度、以及所述电机的负载转矩，确定所述电机在所述第一模式下的响应速度；控制所述电机按所述响应速度进行加速或减速，以使所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度；在所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度的情况下，执行所述模式切换指令，即，控制所述电机的控制模式由所述第
一模式切换至所述第二模式，实现所述电机的控制模式由所述第一模式切换至所述第二模式的平滑切换。
7.在一些实施方式中，获取所述电机的目标速度，包括：获取所述电机的位置指令；根据所述电机的位置指令，确定所述电机的目标速度；其中，根据所述电机的位置指令，确定所述电机的目标速度，包括：根据设定位置指令与设定目标速度之间的对应关系，将该对应关系中与所述电机的位置指令相同的设定位置指令所对应的设定目标速度，确定为与所述电机的位置指令对应的所述电机的目标速度。
8.在一些实施方式中，根据所述电机的目标速度、以及所述电机的负载转矩，确定所述电机在所述第一模式下的响应速度，包括：根据所述电机的目标速度，计算所述电机的转矩变化率；根据所述电机的转矩变化率和所述电机的负载转矩，计算所述电机在所述第一模式下的响应速度。
9.在一些实施方式中，其中，根据所述电机的目标速度，计算所述电机的转矩变化率，包括：根据所述电机的目标速度，采用以下公式，计算所述电机的转矩变化率：
[0010][0011]
其中，ste为转矩变化率，u
dc
为直流母线电压，iq为q轴电流，lq为q轴电感，r为电机定子电阻，为所述电机的目标速度，ψf为转子磁链，pn为电机极对数；和/或，根据所述电机的转矩变化率和所述电机的负载转矩，计算所述电机在所述第一模式下的响应速度，包括：根据所述电机的转矩变化率和所述电机的负载转矩，采用以下公式，计算所述电机在所述第一模式下的响应速度：
[0012][0013]
其中，ωe为所述电机的响应速度，te为所述电机输出的电磁转矩，t
l
为所述电机的负载转矩，t
emax
为所述电机在所述第一模式下运行至所述电机的响应速度时的最大电磁转矩，j是电机转动惯量，ste为转矩变化率，pn为电机极对数，为所述电机的目标速度。
[0014]
在一些实施方式中，控制所述电机按所述响应速度进行加速或减速，以使所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度，包括：根据所述电机的速度指令、以及所述电机的速度反馈值，确定所述电机按所述响应速度进行加速或减速的斜坡起点速度；将所述响应速度作为所述电机的斜坡终点速度，控制所述电机按所述电机的转矩变化率进行加速或减速，以使所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度。
[0015]
与上述方法相匹配，本发明另一方面提供一种电机的控制模式切换装置中，所述电机的控制模式，包括：第一模式和第二模式；所述电机的控制模式切换装置，包括：控制单元，被配置为确定是否接收到所述电机的模式切换指令；所述电机的模式切换指令，是用于指示所述电机的控制模式需要由所述第一模式切换至所述第二模式的指令；获取单元，被配置为若接收到所述电机的模式切换指令，则获取所述电机的目标速度，并获取所述电机的负载转矩；所述控制单元，还被配置为根据所述电机的目标速度、以及所述电机的负载转
矩，确定所述电机在所述第一模式下的响应速度；所述控制单元，还被配置为控制所述电机按所述响应速度进行加速或减速，以使所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度；所述控制单元，还被配置为在所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度的情况下，执行所述模式切换指令，即，控制所述电机的控制模式由所述第一模式切换至所述第二模式，实现所述电机的控制模式由所述第一模式切换至所述第二模式的平滑切换。
[0016]
在一些实施方式中，所述获取单元，获取所述电机的目标速度，包括：获取所述电机的位置指令；根据所述电机的位置指令，确定所述电机的目标速度；其中，根据所述电机的位置指令，确定所述电机的目标速度，包括：根据设定位置指令与设定目标速度之间的对应关系，将该对应关系中与所述电机的位置指令相同的设定位置指令所对应的设定目标速度，确定为与所述电机的位置指令对应的所述电机的目标速度。
[0017]
在一些实施方式中，所述控制单元，根据所述电机的目标速度、以及所述电机的负载转矩，确定所述电机在所述第一模式下的响应速度，包括：根据所述电机的目标速度，计算所述电机的转矩变化率；根据所述电机的转矩变化率和所述电机的负载转矩，计算所述电机在所述第一模式下的响应速度。
[0018]
在一些实施方式中，其中，所述控制单元，根据所述电机的目标速度，计算所述电机的转矩变化率，包括：根据所述电机的目标速度，采用以下公式，计算所述电机的转矩变化率：
[0019][0020]
其中，ste为转矩变化率，u
dc
为直流母线电压，iq为q轴电流，lq为q轴电感，r为电机定子电阻，为所述电机的目标速度，ψf为转子磁链，pn为电机极对数；和/或，所述控制单元，根据所述电机的转矩变化率和所述电机的负载转矩，计算所述电机在所述第一模式下的响应速度，包括：根据所述电机的转矩变化率和所述电机的负载转矩，采用以下公式，计算所述电机在所述第一模式下的响应速度：
[0021][0022]
其中，ωe为所述电机的响应速度，te为所述电机输出的电磁转矩，t
l
为所述电机的负载转矩，t
emax
为所述电机在所述第一模式下运行至所述电机的响应速度时的最大电磁转矩，j是电机转动惯量，ste为转矩变化率，pn为电机极对数，为所述电机的目标速度。
[0023]
在一些实施方式中，所述控制单元，控制所述电机按所述响应速度进行加速或减速，以使所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度，包括：根据所述电机的速度指令、以及所述电机的速度反馈值，确定所述电机按所述响应速度进行加速或减速的斜坡起点速度；将所述响应速度作为所述电机的斜坡终点速度，控制所述电机按所述电机的转矩变化率进行加速或减速，以使所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度。
[0024]
与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种伺服驱动设备，包括：以上所述的电机的控制模式切换装置。
[0025]
与上述方法相匹配，本发明再一方面提供一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行以上所述的电机的控制模式切换方法。
[0026]
由此，本发明的方案，通过确定电机由第一模式(如速度模式)切换至第二模式(如位置模式)的目标速度，根据电机的目标速度匹配电机的转矩变化率，进而根据电机的转矩变化率计算出电机的响应速度；进而，基于电机的响应速度、并结合负载转矩状态观测器观测到的负载转矩，确定电机由第一模式(如速度模式)切换至第二模式(如位置模式)的切换点，实现电机由第一模式(如速度模式)至第二模式(如位置模式)的平滑切换，从而，通过根据电机的负载转矩和目标速度动态调节电机的模式切换时间点，实现电机模式的平滑切换，提升电机的控制精度和控制效率。
[0027]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
[0028]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0029]
图1为本发明的电机的控制模式切换方法的一实施例的流程示意图；
[0030]
图2为本发明的方法中确定电机在第一模式如速度模式下的响应速度的一实施例的流程示意图；
[0031]
图3为本发明的方法中控制电机按响应速度进行加速或减速的一实施例的流程示意图；
[0032]
图4为本发明的电机的控制模式切换装置的一实施例的结构示意图；
[0033]
图5为一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换方法的一实施例的控制模式切换曲线图；
[0034]
图6为一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换方法的一实施例的控制模式切换流程示意图；
[0035]
图7为一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换系统的一实施例的结构示意图。
[0036]
结合附图，本发明实施例中附图标记如下：
[0037]
102-获取单元；104-控制单元。
具体实施方式
[0038]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
相关方案，通过确定切换前的当前速度与切换后的目标速度的差值，判断切换前的当前速度与切换后的目标速度的差值是否处于安全范围，以使切换前的当前速度与切换后的目标速度的差值处于安全范围之后，再进行切换，以此达到快速切换的目的。但这种切换方法，需要人为设置安全切换范围，且需要考虑电机在不同的负载转矩情况的重新设置
安全切换范围参数，如果切换的范围过小则导致切换效率过低，如果切换范围设置过大则导致切换时出现速度抖动或超调。
[0040]
考虑到，数控复合机床、全自动伺服拧螺丝机、绕线机、抛光机等多种加工系统中，电机对两种不同控制模式进行在线切换时，采用直接切换或者减速到目标速度后再切换的方式，均会存在较大超调或者较大速度抖动而影响控制精度；而采用先减速到零附近然后切换的方式，会影响控制效率的问题。而相关方案，使切换前的当前速度与切换后的目标速度的差值处于安全范围之后再进行切换，虽然可以实现快速切换，但需要人为设置安全切换范围，且需要考虑电机在不同的负载转矩情况的重新设置安全切换范围参数，如果切换的范围过小则导致切换效率过低，如果切换范围设置过大则导致切换时出现速度抖动或超调。本发明的方案，提出一种伺服驱动设备中电机的控制模式切换方案，具体是一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换方案。
[0041]
根据本发明的实施例，提供了一种电机的控制模式切换方法，如图1所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。所述电机的控制模式，包括：第一模式和第二模式，第一模式如速度模式，第二模式如位置模式。所述电机的控制模式切换方法，包括：步骤s110至步骤s150。
[0042]
在步骤s110处，确定是否接收到所述电机的模式切换指令。所述电机的模式切换指令，是用于指示所述电机的控制模式需要由所述第一模式切换至所述第二模式的指令。所述电机的模式切换指令，即所述电机的模式切换信号。
[0043]
在步骤s120处，若接收到所述电机的模式切换指令，则获取所述电机的目标速度，并获取所述电机的负载转矩。其中，获取所述电机的负载转矩，具体是获取由负载转矩状态观测器观测到的负载转矩状态观测值。
[0044]
在一些实施方式中，步骤s120中获取所述电机的目标速度，包括：获取所述电机的位置指令，具体是获取由上位机发送的位置指令，所述电机的位置指令具体是脉冲位置指令，该脉冲位置指令是电机在位置环的控制指令；根据所述电机的位置指令，确定所述电机的目标速度；其中，根据所述电机的位置指令，确定所述电机的目标速度，包括：根据设定位置指令与设定目标速度之间的对应关系，将该对应关系中与所述电机的位置指令相同的设定位置指令所对应的设定目标速度，确定为与所述电机的位置指令对应的所述电机的目标速度。
[0045]
图6为一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换方法的一实施例的控制模式切换流程示意图。如图6所示，本发明的方案中一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换方法，包括：
[0046]
步骤1、伺服驱动器接收电机的控制模式切换信号，之后执行步骤2。
[0047]
步骤2、当伺服驱动器接收到电机的控制模式切换信号时，伺服驱动器进入切换处理过程。在切换处理过程中，具体执行以下各步骤。
[0048]
步骤21、伺服驱动器根据上位机发送的位置指令计算位置速度指令，并将位置速度指令作为目标速度，之后执行步骤22。其中，上位机指的是运动控制器和示教器，当上位机需要切换至位置模式时，需要发送位置指令。
[0049]
在步骤s130处，根据所述电机的目标速度、以及所述电机的负载转矩，确定所述电机在所述第一模式下的响应速度。所述响应速度，是能够使所述电机按设定的转矩变化率
到达所述电机的目标速度的速度。
[0050]
在一些实施方式中，步骤s130中根据所述电机的目标速度、以及所述电机的负载转矩，确定所述电机在所述第一模式下的响应速度的具体过程，参见以下示例性说明。
[0051]
下面结合图2所示本发明的方法中确定电机在第一模式如速度模式下的响应速度的一实施例流程示意图，进一步说明步骤s130中确定电机在第一模式如速度模式下的响应速度的具体过程，包括：步骤s210和步骤s220。
[0052]
步骤s210，根据所述电机的目标速度，计算所述电机的转矩变化率。
[0053]
在一些实施方式中，步骤s210中根据所述电机的目标速度，计算所述电机的转矩变化率，包括：根据所述电机的目标速度，采用以下公式，计算所述电机的转矩变化率：
[0054][0055]
其中，ste为转矩变化率，u
dc
为直流母线电压，iq为q轴电流，lq为q轴电感，r为电机定子电阻，为所述电机的目标速度，ψf为转子磁链，pn为电机极对数。
[0056]
步骤s220根据所述电机的转矩变化率和所述电机的负载转矩，计算所述电机在所述第一模式下的响应速度。
[0057]
在一些实施方式中，步骤s220中根据所述电机的转矩变化率和所述电机的负载转矩，计算所述电机在所述第一模式下的响应速度，包括：根据所述电机的转矩变化率和所述电机的负载转矩，采用以下公式，计算所述电机在所述第一模式下的响应速度：
[0058][0059]
其中，ωe为所述电机的响应速度，te为所述电机输出的电磁转矩，t
l
为所述电机的负载转矩，t
emax
为所述电机在所述第一模式下运行至所述电机的响应速度时的最大电磁转矩，j是电机转动惯量，ste为转矩变化率，pn为电机极对数，为所述电机的目标速度。
[0060]
如图6所示，本发明的方案中一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换方法，还包括：
[0061]
步骤22、伺服驱动器根据目标速度，计算出目标速度的转矩变化率，之后执行步骤23。
[0062]
步骤23、由状态观测器观测得到负载转矩状态观测值，作为电机的负载转矩。通过目标速度的转矩变化率和负载转矩计算出响应速度，之后执行步骤24。
[0063]
步骤24、伺服驱动器内部接收到控制模式切换信号后，开始执行速度斜坡处理模块以到达响应速度，记为当前速度，之后执行步骤25。
[0064]
步骤25、伺服驱动器将计算的位置速度指令、以及所述当前速度均作为速度pi控制器的输入，当步骤24经速度斜坡处理模块得到的当前速度与计算的位置速度指令相同时，作为模式切换时间点，开始执行控制模式切换。其中，计算的位置速度指令，即目标速度。
[0065]
为了进一步说明本发明的方案的实现过程，下面根据结合一些实施案例对本发明
的方案的实现过程进行示例性说明。本实施例提出的一种基于状态观测器的伺服驱动设备控制模式快速切换方法，是通过匹配目标速度的转矩变化率来保证在不同的负载转矩情况下控制模式能够平滑快速切换。以速度模式-位置模式的模式切换方式为例，当伺服驱动器以速度模式运行时，接收到控制模式切换信号后，伺服驱动器进入切换处理过程，伺服驱动器根据上位机发送的位置指令计算出位置速度指令，位置速度指令是切换处理过程的目标速度，通过目标速度计算出转矩变化率的允许值，模式切换过程的速度差值会导致速度环pi控制器输出的电流值变得很大，对电机和逆变器造成电流冲击，本实施案例采用id＝0的控制方案，因此以q轴母线电压为依据设计转矩变化率，采用以下计算公式：
[0066][0067]
ste＝1.5pnψfsiqꢀꢀ
(2)。
[0068]
式(1)、(2)中，s为微分算子d/dt,u
dc
为直流母线电压，iq为q轴电流，lq为q轴电感，r为电机定子电阻，为转子电角速度即目标速度，ψf为转子磁链，pn为电机极对数，ste即为转矩变化率。由式(1)和式(2)可设计出转矩变化率ste的对应关系：
[0069][0070]
其中，根据位置指令计算得到位置速度指令，具体可以是：在程序内部按照位置环p控制器的计算方式，位置偏差乘上比例增益系数kp，比例增益系数kp可按照实际情况进行给定。
[0071]
如图5所示，伺服驱动器根据上位机发送的位置指令计算出位置速度指令即对应图中c点的目标速度，由式(3)可计算c点附近的转矩变化率。如图5所示，考虑极端情况，由a点到b点的速度差导致的电流冲击达到最大时即电磁转矩值为最大电磁转矩t
emax
时，由运动平衡方程可得转矩和速度的关系式：
[0072][0073]
t
e*
(t)＝t
emax
+ste[t-tc]
ꢀꢀ
(5)。
[0074][0075]
由式(4)、(5)、(6)整理可得关系式：
[0076][0077]
式(7)中，te为所述电机输出的电磁转矩，t
l
为电机的负载转矩，t
emax
为a点到b点达到的最大电磁转矩，j是电机转动惯量，ste是电磁转矩对时间的微分，ste为转矩变化率，pn为电机极对数，为c点的目标速度，负载转矩t
l
在可通过算法观测器来得到，t
e*
(t)为t时刻电机输出的电磁转矩。本实施例中电机的负载转矩t
l
采用线性扩张状态观测器进行观
测，该线性扩张状态观测器的观测算法简单，响应速度快，能够减少电机控制系统的相位滞后。根据式(7)可最终得到b点的响应速度。
[0078]
当伺服驱动器接收到模式切换信号后，根据上述公式(7)可计算出b点对应的速度(即响应速度)，伺服驱动器内部先经过速度斜坡处理模块进行加减速处理，本实施例需进行加速至响应速度后，目标速度作为速度环pi控制器的输入，目标速度将以指定的转矩变化率达到c点附近，当c点对应的速度等于目标速度时，输出的电磁转矩也刚好达到电机的负载转矩t
l
，最后完成控制模式切换。
[0079]
在步骤s140处，控制所述电机按所述响应速度进行加速或减速，以使所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度，具体是使所述电机的当前速度以设定的转矩变化率达到所述电机的目标速度。
[0080]
在一些实施方式中，步骤s140中控制所述电机按所述响应速度进行加速或减速，以使所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度的具体过程，参见以下示例性说明。
[0081]
下面结合图3所示本发明的方法中控制电机按响应速度进行加速或减速的一实施例流程示意图，进一步说明步骤s140中控制电机按响应速度进行加速或减速的具体过程，包括：步骤s310和步骤s320。
[0082]
步骤s310，根据所述电机的速度指令、以及所述电机的速度反馈值，确定所述电机按所述响应速度进行加速或减速的斜坡起点速度。
[0083]
步骤s320，将所述响应速度作为所述电机的斜坡终点速度，控制所述电机按所述电机的转矩变化率进行加速或减速，以使所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度。
[0084]
在步骤s150处，在所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度的情况下，执行所述模式切换指令，即，控制所述电机的控制模式由所述第一模式切换至所述第二模式，实现所述电机的控制模式由所述第一模式切换至所述第二模式的平滑切换。
[0085]
本发明的方案提出的一种基于状态观测器的伺服驱动设备控制模式快速切换方案，是通过匹配目标速度的转矩变化率，使在不同的负载转矩情况下动态调节切换时间点，保证控制模式能够平滑快速切换。具体地，在本发明的方案中，可根据负载转矩和切换的目标速度设计转矩变化率，计算出响应速度，响应速度能够以设计的转矩变化率达到目标速度，以此能够根据负载转矩和目标速度动态调节切换时间点，保证速度模式和位置模式之间的平稳快速切换。
[0086]
图5为一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换方法的一实施例的控制模式切换曲线图。如图5所示，本发明的方案中电机的控制模式，经a点-b点-c点的切换处理过程，实现由速度模式至位置模式的模式平滑切换。其中，a点为速度模式，a点-b点为速度模式下确定并到达响应速度的过程，b点-c点为速度模式下到达响应速度之后的过程，c点为模式切换时间点，c点之后为位置模式。
[0087]
图7为一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换系统的一实施例的结构示意图。如图7所示，本发明的方案中，与种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换方法所对应的种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换系统，具有位置环和速度环。
[0088]
在速度环，位置脉冲指令经计算位置速度指令模块计算，得到位置速度指令。计算转矩变化率模块基于位置速度指令计算，得到转矩变化率。负载转矩状态观测器，基于电机
的q轴电流反馈和电机的速度反馈，得到电机的负载转矩状态观测值，作为电机的负载转矩。计算响应速度模块基于转矩变化率和负载转矩计算，得到响应速度。速度指令和速度反馈经速度环比较器后，输出斜坡起点速度。响应速度作为斜坡终点速度，输入至速度斜坡处理模块，速度斜坡处理模块执行速度斜坡处理以到达响应速度，记为当前速度。该过程，对应于图5中的a点-b点的过程。
[0089]
伺服驱动器将计算的位置速度指令、以及所述当前速度均作为速度pi控制器的输入，在当前速度与计算的位置速度指令相同的情况下，开始执行控制模式切换指令，即执行模式切换模块由速度环切换到位置环。该过程，对应于图5中的b点之后但c点之前的过程。该过程，还未切换到位置环，只是把计算得到的位置速度指令作为速度环的速度给定，这个速度给定不经过加减速模块处理直接作为速度pi控制器的输入，这是一个速度阶跃，在极短时间内完成，当判断速度反馈与这个速度给定值相同时，再切换至位置环，这属于一个预切换过程，切换至位置环也就相当于切换至位置模式了。
[0090]
在位置环中，位置脉冲指令和位移反馈值经位置环比较强后再经位置p控制器，输出位置速度指令，执行模式切换模块将该位置速度指令输入至速度pi控制器，再经电流环控制电机在位置模式下运行。该过程，对应于图5中的c点之后的过程，c点为由速度模式切换至位置模式的切换时机点。
[0091]
这样，本发明的方案，通过自动辨识负载转矩，保证切换过程平滑运行无超调，解决在不同的负载转矩情况下能够自动调节切换时间点，减少控制模式切换过程产生的超调或者速度抖动，保证模式的平滑切换，提高模式切换过程的效率。并且，本发明的方案，无需用户手动设置切换条件，避免出现错误判断。
[0092]
本发明的方案所述的控制模式切换方法，不仅限于速度-位置模式切换，经过简单修改可扩展应用于其他两种不同控制模式之间的切换。其中，模式切换的方法及条件：根据负载转矩和转矩变化率计算响应速度，当目标速度与位置指令相同则执行切换。这样，基于负载观测器的模式切换，可根据负载转矩的变化来动态调节执行切换的时间点保证能够快速平滑切换。
[0093]
采用本实施例的技术方案，通过确定电机由第一模式(如速度模式)切换至第二模式(如位置模式)的目标速度，根据电机的目标速度匹配电机的转矩变化率，进而根据电机的转矩变化率计算出电机的响应速度。进而，基于电机的响应速度、并结合负载转矩状态观测器观测到的负载转矩，确定电机由第一模式(如速度模式)切换至第二模式(如位置模式)的切换点，实现电机由第一模式(如速度模式)至第二模式(如位置模式)的平滑切换，从而，通过根据电机的负载转矩和目标速度动态调节电机的模式切换时间点，实现电机模式的平滑切换，提升电机的控制精度和控制效率。
[0094]
根据本发明的实施例，还提供了对应于电机的控制模式切换方法的一种电机的控制模式切换装置。参见图4所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。所述电机的控制模式，包括：第一模式和第二模式，第一模式如速度模式，第二模式如位置模式。所述电机的控制模式切换装置，包括：获取单元102和控制单元104。
[0095]
其中，控制单元104，被配置为确定是否接收到所述电机的模式切换指令。所述电机的模式切换指令，是用于指示所述电机的控制模式需要由所述第一模式切换至所述第二模式的指令。所述电机的模式切换指令，即所述电机的模式切换信号。该控制单元104的具
体功能及处理参见步骤s110。
[0096]
获取单元102，被配置为若接收到所述电机的模式切换指令，则获取所述电机的目标速度，并获取所述电机的负载转矩，具体是获取由负载转矩状态观测器观测到的负载转矩状态观测值。该获取单元102的具体功能及处理参见步骤s120。
[0097]
在一些实施方式中，所述获取单元102，获取所述电机的目标速度，包括：获取所述电机的位置指令，具体是获取由上位机发送的位置指令，所述电机的位置指令具体是脉冲位置指令，该脉冲位置指令是电机在位置环的控制指令；进而，根据所述电机的位置指令，确定所述电机的目标速度。
[0098]
其中，所述获取单元102，根据所述电机的位置指令，确定所述电机的目标速度，包括：所述获取单元102，具体还被配置为根据设定位置指令与设定目标速度之间的对应关系，将该对应关系中与所述电机的位置指令相同的设定位置指令所对应的设定目标速度，确定为与所述电机的位置指令对应的所述电机的目标速度。
[0099]
图6为一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换装置的一实施例的控制模式切换流程示意图。如图6所示，本发明的方案中一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换装置，包括：
[0100]
步骤1、伺服驱动器接收电机的控制模式切换信号，之后执行步骤2。
[0101]
步骤2、当伺服驱动器接收到电机的控制模式切换信号时，伺服驱动器进入切换处理过程。在切换处理过程中，具体执行以下各步骤。
[0102]
步骤21、伺服驱动器根据上位机发送的位置指令计算位置速度指令，并将位置速度指令作为目标速度，之后执行步骤22。
[0103]
所述控制单元104，还被配置为根据所述电机的目标速度、以及所述电机的负载转矩，确定所述电机在所述第一模式下的响应速度。所述响应速度，是能够使所述电机按设定的转矩变化率到达所述电机的目标速度的速度。该控制单元104的具体功能及处理还参见步骤s130。
[0104]
在一些实施方式中，所述控制单元104，根据所述电机的目标速度、以及所述电机的负载转矩，确定所述电机在所述第一模式下的响应速度，包括：
[0105]
所述控制单元104，具体还被配置为根据所述电机的目标速度，计算所述电机的转矩变化率。该控制单元104的具体功能及处理还参见步骤s210。
[0106]
在一些实施方式中，所述控制单元104，根据所述电机的目标速度，计算所述电机的转矩变化率，包括：所述控制单元104，具体还被配置为根据所述电机的目标速度，采用以下公式，计算所述电机的转矩变化率：
[0107][0108]
其中，ste为转矩变化率，u
dc
为直流母线电压，iq为q轴电流，lq为q轴电感，r为电机定子电阻，为所述电机的目标速度，ψf为转子磁链，pn为电机极对数。
[0109]
所述控制单元104，具体还被配置为根据所述电机的转矩变化率和所述电机的负载转矩，计算所述电机在所述第一模式下的响应速度。该控制单元104的具体功能及处理还参见步骤s220。
[0110]
在一些实施方式中，所述控制单元104，根据所述电机的转矩变化率和所述电机的负载转矩，计算所述电机在所述第一模式下的响应速度，包括：所述控制单元104，具体还被配置为根据所述电机的转矩变化率和所述电机的负载转矩，采用以下公式，计算所述电机在所述第一模式下的响应速度：
[0111][0112]
其中，ωe为所述电机的响应速度，te为所述电机输出的电磁转矩，t
l
为所述电机的负载转矩，t
emax
为所述电机在所述第一模式下运行至所述电机的响应速度时的最大电磁转矩，j是电机转动惯量，ste为转矩变化率，pn为电机极对数，为所述电机的目标速度。
[0113]
如图6所示，本发明的方案中一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换装置，还包括：
[0114]
步骤22、伺服驱动器根据目标速度，计算出目标速度的转矩变化率，之后执行步骤23。
[0115]
步骤23、由状态观测器观测得到负载转矩状态观测值，作为电机的负载转矩。通过目标速度的转矩变化率和负载转矩计算出响应速度，之后执行步骤24。
[0116]
步骤24、伺服驱动器内部接收到控制模式切换信号后，开始执行速度斜坡处理模块以到达响应速度，记为当前速度，之后执行步骤25。
[0117]
步骤25、伺服驱动器将计算的位置速度指令、以及所述当前速度均作为速度pi控制器的输入，当步骤24经速度斜坡处理模块得到的当前速度与计算的位置速度指令相同时，作为模式切换时间点，开始执行控制模式切换。其中，计算的位置速度指令，即目标速度。
[0118]
为了进一步说明本发明的方案的实现过程，下面根据结合一些实施案例对本发明的方案的实现过程进行示例性说明。本实施例提出的一种基于状态观测器的伺服驱动设备控制模式快速切换装置，是通过匹配目标速度的转矩变化率来保证在不同的负载转矩情况下控制模式能够平滑快速切换。以速度模式-位置模式的模式切换方式为例，当伺服驱动器以速度模式运行时，接收到控制模式切换信号后，伺服驱动器进入切换处理过程，伺服驱动器根据上位机发送的位置指令计算出位置速度指令，位置速度指令是切换处理过程的目标速度，通过目标速度计算出转矩变化率的允许值，模式切换过程的速度差值会导致速度环pi控制器输出的电流值变得很大，对电机和逆变器造成电流冲击，本实施案例采用id＝0的控制方案，因此以q轴母线电压为依据设计转矩变化率，采用以下计算公式：
[0119][0120]
ste＝1.5pnψfsiqꢀꢀ
(2)。
[0121]
式(1)、(2)中，s为微分算子d/dt,u
dc
为直流母线电压，iq为q轴电流，lq为q轴电感，r为电机定子电阻，为转子电角速度即目标速度，ψf为转子磁链，pn为电机极对数，ste即为转矩变化率。由式(1)和式(2)可设计出转矩变化率ste的对应关系：
[0122][0123]
如图5所示，伺服驱动器根据上位机发送的位置指令计算出位置速度指令即对应图中c点的目标速度，由式(3)可计算c点附近的转矩变化率。如图5所示，考虑极端情况，由a点到b点的速度差导致的电流冲击达到最大时即电磁转矩值为最大电磁转矩t
emax
时，由运动平衡方程可得转矩和速度的关系式：
[0124][0125]
t
e*
(t)＝t
e max
+ste[t-tc]
ꢀꢀ
(5)。
[0126][0127]
由式(4)、(5)、(6)整理可得关系式：
[0128][0129]
式(7)中，te为所述电机输出的电磁转矩，t
l
为电机的负载转矩，t
emax
为a点到b点达到的最大电磁转矩，j是电机转动惯量，ste是电磁转矩对时间的微分，ste为转矩变化率，pn为电机极对数，为c点的目标速度，负载转矩t
l
在可通过算法观测器来得到，本实施例中电机的负载转矩t
l
采用线性扩张状态观测器进行观测，该线性扩张状态观测器的观测算法简单，响应速度快，能够减少电机控制系统的相位滞后。根据式(7)可最终得到b点的响应速度。
[0130]
当伺服驱动器接收到模式切换信号后，根据上述公式(7)可计算出b点对应的速度(即响应速度)，伺服驱动器内部先经过速度斜坡处理模块进行加减速处理，本实施例需进行加速至响应速度后，目标速度作为速度环pi控制器的输入，目标速度将以指定的转矩变化率达到c点附近，当c点对应的速度等于目标速度时，输出的电磁转矩也刚好达到电机的负载转矩t
l
，最后完成控制模式切换。
[0131]
所述控制单元104，还被配置为控制所述电机按所述响应速度进行加速或减速，以使所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度，具体是使所述电机的当前速度以设定的转矩变化率达到所述电机的目标速度。该控制单元104的具体功能及处理还参见步骤s140。
[0132]
在一些实施方式中，所述控制单元104，控制所述电机按所述响应速度进行加速或减速，以使所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度，包括：
[0133]
所述控制单元104，具体还被配置为根据所述电机的速度指令、以及所述电机的速度反馈值，确定所述电机按所述响应速度进行加速或减速的斜坡起点速度。该控制单元104的具体功能及处理还参见步骤s310。
[0134]
所述控制单元104，具体还被配置为将所述响应速度作为所述电机的斜坡终点速度，控制所述电机按所述电机的转矩变化率进行加速或减速，以使所述电机的当前速度达
到所述电机的目标速度。该控制单元104的具体功能及处理还参见步骤s320。
[0135]
所述控制单元104，还被配置为在所述电机的当前速度达到所述电机的目标速度的情况下，执行所述模式切换指令，即，控制所述电机的控制模式由所述第一模式切换至所述第二模式，实现所述电机的控制模式由所述第一模式切换至所述第二模式的平滑切换。该控制单元104的具体功能及处理还参见步骤s150。
[0136]
本发明的方案提出的一种基于状态观测器的伺服驱动设备控制模式快速切换方案，是通过匹配目标速度的转矩变化率，使在不同的负载转矩情况下动态调节切换时间点，保证控制模式能够平滑快速切换。具体地，在本发明的方案中，可根据负载转矩和切换的目标速度设计转矩变化率，计算出响应速度，响应速度能够以设计的转矩变化率达到目标速度，以此能够根据负载转矩和目标速度动态调节切换时间点，保证速度模式和位置模式之间的平稳快速切换。
[0137]
图5为一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换装置的一实施例的控制模式切换曲线图。如图5所示，本发明的方案中电机的控制模式，经a点-b点-c点的切换处理过程，实现由速度模式至位置模式的模式平滑切换。其中，a点为速度模式，a点-b点为速度模式下确定并到达响应速度的过程，b点-c点为速度模式下到达响应速度之后的过程，c点为模式切换时间点，c点之后为位置模式。
[0138]
图7为一种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换系统的一实施例的结构示意图。如图7所示，本发明的方案中，与种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换装置所对应的种基于状态观测器的伺服驱动设备中电机的控制模式快速切换系统，具有位置环和速度环。
[0139]
在速度环，位置脉冲指令经计算位置速度指令模块计算，得到位置速度指令。计算转矩变化率模块基于位置速度指令计算，得到转矩变化率。负载转矩状态观测器，基于电机的q轴电流反馈和电机的速度反馈，得到电机的负载转矩状态观测值，作为电机的负载转矩。计算响应速度模块基于转矩变化率和负载转矩计算，得到响应速度。速度指令和速度反馈经速度环比较器后，输出斜坡起点速度。响应速度作为斜坡终点速度，输入至速度斜坡处理模块，速度斜坡处理模块执行速度斜坡处理以到达响应速度，记为当前速度。该过程，对应于图5中的a点-b点的过程。
[0140]
伺服驱动器将计算的位置速度指令、以及所述当前速度均作为速度pi控制器的输入，在当前速度与计算的位置速度指令相同的情况下，开始执行控制模式切换指令，即执行模式切换模块由速度环切换到位置环。该过程，对应于图5中的b点之后但c点之前的过程。
[0141]
在位置环中，位置脉冲指令和位移反馈值经位置环比较强后再经位置p控制器，输出位置速度指令，执行模式切换模块将该位置速度指令输入至速度pi控制器，再经电流环控制电机在位置模式下运行。该过程，对应于图5中的c点之后的过程，c点为由速度模式切换至位置模式的切换时机点。
[0142]
这样，本发明的方案，通过自动辨识负载转矩，保证切换过程平滑运行无超调，解决在不同的负载转矩情况下能够自动调节切换时间点，减少控制模式切换过程产生的超调或者速度抖动，保证模式的平滑切换，提高模式切换过程的效率。并且，本发明的方案，无需用户手动设置切换条件，避免出现错误判断。
[0143]
本发明的方案所述的控制模式切换装置，不仅限于速度-位置模式切换，经过简单
修改可扩展应用于其他两种不同控制模式之间的切换。其中，模式切换的方法及条件：根据负载转矩和转矩变化率计算响应速度，当目标速度与位置指令相同则执行切换。这样，基于负载观测器的模式切换，可根据负载转矩的变化来动态调节执行切换的时间点保证能够快速平滑切换。
[0144]
由于本实施例的装置所实现的处理及功能基本相应于前述方法的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
[0145]
采用本发明的技术方案，通过确定电机由第一模式(如速度模式)切换至第二模式(如位置模式)的目标速度，根据电机的目标速度匹配电机的转矩变化率，进而根据电机的转矩变化率计算出电机的响应速度；进而，基于电机的响应速度、并结合负载转矩状态观测器观测到的负载转矩，确定电机由第一模式(如速度模式)切换至第二模式(如位置模式)的切换点，实现电机由第一模式(如速度模式)至第二模式(如位置模式)的平滑切换，减少控制模式切换过程产生的超调或者速度抖动，保证模式的平滑切换，提高模式切换过程的效率。
[0146]
根据本发明的实施例，还提供了对应于电机的控制模式切换装置的一种伺服驱动设备。该伺服驱动设备可以包括：以上所述的电机的控制模式切换装置。
[0147]
由于本实施例的伺服驱动设备所实现的处理及功能基本相应于前述装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
[0148]
采用本发明的技术方案，通过确定电机由第一模式(如速度模式)切换至第二模式(如位置模式)的目标速度，根据电机的目标速度匹配电机的转矩变化率，进而根据电机的转矩变化率计算出电机的响应速度；进而，基于电机的响应速度、并结合负载转矩状态观测器观测到的负载转矩，确定电机由第一模式(如速度模式)切换至第二模式(如位置模式)的切换点，实现电机由第一模式(如速度模式)至第二模式(如位置模式)的平滑切换，切换效率高，且无需用户手动设置切换条件，避免出现错误判断。
[0149]
根据本发明的实施例，还提供了对应于电机的控制模式切换方法的一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行以上所述的电机的控制模式切换方法。
[0150]
由于本实施例的存储介质所实现的处理及功能基本相应于前述方法的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
[0151]
采用本发明的技术方案，通过确定电机由第一模式(如速度模式)切换至第二模式(如位置模式)的目标速度，根据电机的目标速度匹配电机的转矩变化率，进而根据电机的转矩变化率计算出电机的响应速度；进而，基于电机的响应速度、并结合负载转矩状态观测器观测到的负载转矩，确定电机由第一模式(如速度模式)切换至第二模式(如位置模式)的切换点，实现电机由第一模式(如速度模式)至第二模式(如位置模式)的平滑切换，保证了电机的控制精度和控制效率，进而保证了电机所在伺服驱动设备的加工精度和加工效率。
[0152]
综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
[0153]
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。