CN101562422B - 一种交流伺服驱动器速度环控制参数的自动整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流伺服驱动器速度环控制参数的自动整定方法。该方法先使交流伺服驱动器工作在力矩模式；再从伺服驱动器内部产生至少两种频率的力矩指令，其频率和输入幅值分别为ω_i和A_i；观测记录伺服系统的速度输出数据；从记录的速度输出数据中得到对应不同激励频率的输出幅值B_i，计算各频率输出幅值与其对应的输入幅值之间的比值M_i，再计算得到伺服系统速度开环近似模型特征值k，T，最后计算伺服系统速度调节器比例系数K_P和惯性时间系数T_i。通过该方法可以实现对交流伺服驱动器的速度环控制参数进行自动整定，并且具有易于实现、速度快和效率高的特点。

Description

一种交流伺服驱动器速度环控制参数的自动整定方法 

技术领域

本发明属于交流伺服驱动技术，具体涉及一种交流伺服驱动器速度环控制参数自动整定方法。 

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展，特别是微电子、计算机、电力半导体和电机制造技术的巨大进步，使得交流伺服系统在许多高科技领域得到了非常广泛的应用：如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、柔性制造系统以及雷达和各种军用武器的随动系统等。 

交流伺服驱动器是交流伺服系统的控制核心，通常包括位置环、速度环和电流环三层控制环节，其中，电流环为内层控制环，速度环为中间层控制环，位置环为外层控制环。三环控制结构可以使伺服系统获得较好的动态跟随性能和抗干扰性能，其中，电流环的作用是改造内环控制对象的传递函数，提高系统的快速性，及时抑制电流环内部的干扰；速度环的作用是增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动。位置环的作用是保证系统静态精度和动态跟踪性能，使整个伺服系统能稳定、高精度运行。各控制环节均采用PID(Proportion Integration Differentiation，比例积分微分)调节器来完成控制过程，其中，电流环采用PI(Proportion Integration)调节器或者P(Proportion)调节器，速度环采用PI调节器，位置环采用P调节器。 

交流伺服系统的性能不仅取决于其采用的控制策略，而且决定于驱动器各控制环节调节器中设置的控制参数。只有当交流伺服驱动器中设置的控制参数、采用的控制策略和伺服驱动系统的固有特性构成良好匹配时，才能使伺服驱动系统工作在最佳状态。因此，必须根据交流伺服系统的实 际运行状态对伺服驱动器中的控制参数进行整定，参数整定的目的是使交流伺服系统获得最佳的控制性能。 

通常，对于多环结构的控制系统，其调节器参数整定的过程如下：从内环开始，先整定内环调节器参数，然后将整个内环作为外环中的一个环节，再整定外环调节器，直到所有控制环的调节器都整定好为止。交流伺服驱动器的电流环是交流伺服驱动器三环控制结构中的最内环，其控制参数一般根据交流伺服系统的固有电气参数(如：伺服电机电枢电感、逆变器放大系数等)进行整定，与外部负载无关，在伺服系统出厂时，其电流环控制参数已经过整定。由于在实际应用过程中，伺服系统的固有电气参数变化不大，故无需频繁对交流伺服驱动器的电流环控制参数进行整定。 

交流伺服系统的负载惯量、运动摩擦系数等因素的改变，会导致速度环的控制对象特性发生变化，在上述工作状态发生变化后，必须对速度环控制参数进行重新整定，才能使交流伺服系统速度环始终获得优良的控制性能。在实际应用过程中，由于负载对象不同、运行环境发生变化，会导致负载惯量、摩擦系数等速度环影响因素发生变化，故常常需要工程调试人员对速度环的控制参数进行整定，在工程上，这是交流伺服驱动器的控制参数整定的主要内容。 

目前，交流伺服驱动器的控制参数主要由操作人员手动整定完成，人工整定一般通过频繁改变相关控制参数，并观察、比较其对应的伺服系统性能来得出优化的控制参数，整定过程在很大程度上依赖人的经验。由于人工整定对操作人员的要求较高，整定过程繁琐复杂，许多交流驱动器的控制参数在没有得到良好整定甚至没有得到整定便投入运行，以致无法得到满意的伺服控制性能。 

自整定是指控制器根据对象特性变化自动整定控制参数，是实现交流伺服驱动器控制参数整定的高效途径，通过自整定可以稳定可靠地得到交流伺服驱动系统的最优或次优参数，使其获得优良的控制性能。因此，寻找一种简单高效的伺服驱动器速度环控制参数自动整定方法，对提高交流伺服系统的性能具有重要意义和实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交流伺服驱动器速度控制环的参数自动整定方法，该方法可以对交流伺服驱动器的速度环控制参数进行自动整定，并且具有易于实现、速度快和效率高的特点。 

本发明提供的交流伺服驱动器的速度环控制参数自动整定方法，其步骤包括： 

第1步使交流伺服驱动器工作在力矩模式； 

第2步从伺服驱动器内部产生N种频率的力矩指令，其频率为ω_i，其输入幅值为A_i，其中i＝1、2、…、N，N表示力矩指令的频率数量，N≥2； 

第3步观测记录伺服系统的速度输出数据； 

第4步从记录的速度输出数据中得到对应不同激励频率的输出幅值B_i； 

第5步根据公式M_i＝B_i/A_i计算得到各输出幅值与其对应的输入幅值之间的比值； 

第6步N＝2时，根据利用公式(I)计算得到伺服系统速度开环近似模型特征值k，T，k表示近似模型放大系数，T表示近似模型的惯性时间系数； 

$M_i=\left|\frac{k}{\sqrt{1+T^2{\mathrm{\ω}}_i^2}}\right|$ 公式(I)； 

当N大于2时，利用公式(I)计算得到多个一阶近似模型特征值k，T，取各特征值计算结果的平均值作为第7步中公式(II)使用的参数； 

第7步利用公式(II)计算比例系数K_P和惯性时间系数T_i： 

$\left\{\begin{array}{c}{K}_p=(1.038\±0.02)k^{-1}{T}^{(0.875\±0.01)}{\mathrm{\τ}}^{-(0.8813\±0.01)}\\ T_i=(1.6\±0.1)T^{(0.9021\±0.01)}{\mathrm{\τ}}^{(0.0881\±0.005)}\end{array}\right.$ 公式(II) 

其中，τ为伺服系统速度开环近似模型特征值，τ≈Tc/2+0.6/R，Tc为速度检测周期，R为光栅编码器的分辨率。 

本发明通过对交流伺服系统的速度环控制参数进行大量优化试验后，获得了一组根据伺服系统一阶惯性近似模型特征值的参数整定公式，并设计了一种操作简便的获取伺服速度环近似模型的特征值k，T方法，并通过对交流伺服系统速度检测环节的分析，得出了在一般的速度工作范围内，伺服速度环开环近似模型的特征值τ≈Tc/2+0.6/R的结论，利用得到的伺服速度环近似模型特征值，根据得到的整定公式对交流伺服驱动器中速度环的比例系数、积分时间常数等控制参数进行自动整定，从而使交流伺服系统工作在良好状态，获得满意的控制性能。 

附图说明

图1为交流伺服驱动器力矩指令信号曲线图； 

图2为交流伺服系统速度开环响应示意图； 

图3为本发明提供的交流伺服器的参数自动整定方法的流程图。 

具体实现方式 

根据对交流伺服系统的速度环数学模型分析可知，可以用带有时间延迟的一阶惯性滞后模型来近似交流伺服系统速度环开环特性，即： 

$G\left(s\right)=k\frac{e^{-\mathrm{\τs}}}{\mathrm{Ts}+1}---\left(1\right)$

近似模型的特征值为k、T、τ，其中，k表示系统放大系数，T表示近似模型的惯性时间常数，τ为近似模型的延迟时间，e表示自然对数，s表示复数变量。 

由公式(1)，可得交流伺服系统速度环的近似开环增益为： 

$M\left(\mathrm{\ω}\right)=\left|\frac{k}{\sqrt{1+T^2{\mathrm{\ω}}^2}}\right|---\left(2\right)$

其中，ω为输入信号的频率，M(ω)表示系统对不同频率的开环增益。 

由公式(2)可以得出，对一阶惯性滞后对象，若能获得其在两种不同已知频率下的开环增益M(ω)，则可求出其特征值k，T，因此，若以一阶惯性滞后模型来近似伺服系统的速度开环特性，则可通过对伺服系统施加不同频率的正弦激励，并求取其不同频率对应的开环增益，根据公式(2)，可得到伺服系统近似模型的特征值k，T。 

伺服驱动器中的速度检测一般通过光电编码器实现，由于在一般的速度范围内，编码器输出的脉冲频率比采样频率高很多，因此，在一个采样周期内可以采样的脉冲数足够多。而在极低的转速范围内，尽管采用高分辨率的光电编码器，编码器的输出脉冲间隔仍可能比采样周期长很多。故转速测量值可以表示为： 

其中，Rpm_n表示转速测量值，m是每一采样周期内的计数脉冲值；Tm是m个计数脉冲的采样时间间隔；t_p是光电编码器相邻的两个脉冲时间间隔；K_n是转换系数，和光电编码器分辨率有关。 

在大部分转速范围内，每一次采样周期测量一次转速，在低速范围内，转速测量值通过光电编码器输出脉冲间隔得到。若电动机的速度在测量时间间隔内呈线性变化，则交流伺服系统的最大测速延迟为： 

其中，T_sd为速度检测延迟，Tc为速度检测周期。对于一般的转速范围(大于100转/分)，若光栅编码器分辨率为R，其单位为脉冲/转，故t_p＜0.6/R秒，因此，在一般的转速范围下速度检测延迟T_sd≈Tc/2+0.6/R秒，若以一阶惯性滞后模型来近似伺服系统速度环开环工作特性，则在一般的速度工作范围内，近似模型的特征值τ≈Tc/2+0.6/R。 

根据上述分析可得到伺服系统近似模型的特征值τ。 

在交流伺服驱动器中，由于速度环采用PI控制结构，控制器的传递函数可以表示为： 

$G_c\left(s\right)=K_P[1+\frac{1}{T_{i}s}]---\left(5\right)$

公式(5)中，K_P为控制器比例系数，T_i为控制器惯性时间系数。 

ITAE(integrated time and absolute error积分时间和绝对误差)指标是一种常用的PID控制系统评价指标，若以误差时间积分值作为控制系统性能评价指标，误差积分值越小时系统响应性能和稳定性越好，对应的控制参数更合适。 

$J_{\mathrm{ITAE}}={\∫}_0^{\∞}t\left|e\left(t\right)\right|\mathrm{dt}---\left(6\right)$

公式(6)为误差时间积分指标表达式，其中，e(t)为指令给定输入与系统实际输出的误差，t为积分时间，为了便于观测比较，指令输入一般采用阶跃信号，考察区间为一固定范围值；因此，对于交流伺服系统，ITAE指标可以表示为： 

$J_{\mathrm{ITAE}}={\∫}_0^{\mathrm{Tm}}t|V_C-v_r|\mathrm{dt}---\left(7\right)$

公式(7)中，V_C为伺服给定阶跃指令输入，v_r为伺服系统实际输出，Tm为考察时间；交流伺服系统控制参数整定即为求得满足J_ITAE指标最小的最优控制参数。 

以公式(1)表示的一阶滞后模型来近似交流伺服系统速度环开环特征，通过分别更改k，T，τ可以构造不同的伺服系统近似模型，在构造样本数据时，使其处于伺服系统近似模型实际可能的取值范围内，可以得到了对应不同特征值的三组伺服系统速度环开环近似数学模型集合。 

根据得到的伺服速度环开环近似数学模型和控制器传递函数，可以得到伺服速度环闭环传递函数，从而获得伺服系统在给定阶跃指令输入下速度环实际输出v_r的数学表达式。以公式(7)表示的评价指标J_ITAE为目标函数，对构造的速度环开环近似数学模型集合中的每个模型，通过控制参数优化，求取使评价指标J_ITAE为最小的速度环控制参数K_P、T_i值，获得了对应三组近似模型特征值的优化控制参数集合。 

以表达式(8)来描述最优控制参数与速度开环近似模型特征值之间的关系： 

$\left\{\begin{array}{c}{K}_p=a_1{k}^{b1}{T}^{c1}{\mathrm{\τ}}^{d1}\\ T_i=a_2{k}^{b2}{T}^{c2}{\mathrm{\τ}}^{d2}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，a₁、b₁、c₁、d₁、a₂、b₂、c₂、d₂为常数， 

通过对获得的优化控制参数集合进行曲线拟合确定上述常数，为了简化计算，对其中部分参数进行近似处理，从而得出伺服系统速度环控制参数整定公式： 

$\left\{\begin{array}{c}{K}_P=(1.038\±0.02)k^{-1}{T}^{(0.875\±0.01)}{\mathrm{\τ}}^{-(0.8813\±0.01)}\\ T_i=(1.6\±0.1)T^{(0.9021\±0.01)}{\mathrm{\τ}}^{(0.0881\±0.005)}\end{array}\right.---\left(9\right)$

由此，可根据获得的交流伺服速度开环近似模型特征值，利用公式(9)来对其速度环控制参数进行整定。 

下面举例说明本发明方法的具体实施过程。 

本发明通过使交流伺服驱动器处于力矩工作模式，对其施加一种图1所示的的力矩指令信号，并观察其速度响应输出，来求取交流伺服驱动器速度环对应的动态特性。图1为所施加的力矩指令波形示意图，其中ω₁＝4rad/s(弧度/秒)，ω₂＝8rad/s，ω₃＝16rad/s，ω₄＝32rad/s，对应不同频率的信号幅值分别为A₁、A₂、A₃、A₄，观测并记录交流伺服驱动器在力矩指令激励后的速度输出值，求得在激励信号作用下的对应不同激励频率的输出波形频率幅值B₁、B₂、B₃、B₄，如图2所示，因此，可以得到系统在不同频率信号激励下的开环放大倍数M_n＝B_n/A_n(n＝1，2，3，4)，根据公式(2)，求出伺服系统速度开环近似模型特征值k、T。特征值τ根据编码器分辨率和速度环检测周期，由公式分析为：τ≈Tc/2+0.6/R。 

根据得到速度开环近似模型特征值，代入获得的控制参数整定公式：K_P＝(1.038±0.02)k^-1T^{(0.875±0.01)}τ^{-(0.8813±0.01)}，T_i＝(1.6±0.1)T^{(0.9021±0.01)}τ^{(0.0881±0.005)}。从而得到伺服速度环整定参数。在一个实际的应用系统中，伺服系统速度开环近似模型的特征值k一般不会发生变化，因此，若一个已经完成整定的伺服速度环控制参数为：K_P1，T_i1，当伺服系统的负载惯量发生变化时，主要导致伺服系统速度开环近似模型的特征值T发生变化，若变化后的速度开环近似模型特征值T₂与变化前的特征值T₁的关系为：T₂＝n*T₁，则速度环 控制参数可以直接根据以下简化公式获得： 

K_P2＝n^0.9*K_P1，T_i2＝n^0.9*T_i1，(10) 

因此，若伺服系统已完成一次速度环控制参数整定，可根据得到的速度开环近似模型特征值T的变化，以及上次整定获得速度环控制参数，根据公式(10)快速得到负载惯量变化后的控制参数。 

如图3所示，速度环控制参数自动整定过程为： 

步骤1：使交流伺服驱动器工作在力矩模式； 

步骤2：从伺服驱动器内部产生如图1所示的变频变幅力矩指令，其中A₁＝1(ω₁＝4rad/s)、A₂＝1.5(ω₂＝8rad/s)、A₃＝2.25(ω₃＝16rad/s)、A₄＝3.3(ω₄＝32rad/s)； 

步骤3：观测记录伺服驱动器的速度输出； 

步骤4：从记录的伺服速度输出数据中得到对应不同激励频率的输出幅值B₁＝255(ω₁＝4rad/s)、B₂＝320(ω₂＝8rad/s)、B₃＝315(ω₃＝16rad/s)、B₄＝190(ω₄＝32rad/s)； 

步骤5：根据公式：M＝B/A，计算M₁＝255(ω₁＝4rad/s)、M₂＝219(ω₂＝8rad/s)、M₃＝140(ω₃＝16rad/s)、M₄＝58(ω₄＝32rad/s)； 

步骤6：根据计算得到的M₁、M₂、M₃、M₄，利用公式(2)，将M₁和M₂、M₁和M₃、M₁和M₄构成三组以近似模型特征值k和T为变量的方程，得到三组近似模型特征值计算结果：k₁＝262，T₁＝0.0593；k₂＝277.3，T₂＝0.1068；k₃＝292.9，T₃＝0.141。取上述计算结果的平均值，得到伺服驱动器一阶近似模型特征值：k＝(k₁+k₂+k₃)/3＝277.4，T＝(T₁+T₂+T₃)/3＝0.102； 

步骤7：根据伺服驱动器速度环控制周期Tc＝0.0005，及设置的伺服电机 编码器分辨率R＝10000，代入公式τ≈Tc/2+0.6/R，计算速度环特征值：τ＝0.00031； 

步骤8：将特征值k＝277.4、T＝0.102、τ＝0.00031代入公式(9)： 

具体实施时，可以利用公式(9)中所限定的范围内任意选择一个值计算，通常可优选其中间值，即：K_P＝1.038k^-1T^0.875τ^-0.8813，T_i＝1.6T^0.9021τ^0.0881，计算得到速度环控制参数K_P＝0.649，T_i＝0.1。 

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。 

Claims (1)

1.一种交流伺服驱动器的速度环控制参数自动整定方法，其步骤包括：

第1步使交流伺服驱动器工作在力矩模式；

第2步从伺服驱动器内部产生N种频率的力矩指令，其频率为ω_i，其输入幅值为A_i，其中i＝1、2、…、N，N表示力矩指令的频率数量，N≥2；

第3步观测记录伺服系统的速度输出数据；

第4步从记录的速度输出数据中得到对应不同激励频率的输出幅值B_i；

第5步根据公式M_i＝B_i/A_i计算得到各输出幅值与其对应的输入幅值之间的比值；

第6步当N＝2时，根据利用公式(I)计算得到伺服系统速度开环近似模型特征值k，T，k表示近似模型放大系数，T表示近似模型的惯性时间系数；

公式(I)

当N大于2时，利用公式(I)计算得到多个一阶近似模型特征值k，T，取各特征值计算结果的平均值作为第7步中公式(II)使用的参数；

第7步利用公式(II)计算比例系数K_P和惯性时间系数T_i：

公式(II)

其中，τ为伺服系统速度开环近似模型特征值，τ≈Tc/2+0.6/R，Tc为速度检测周期，R为光栅编码器的分辨率。 

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