CN104007317A

CN104007317A - 一种获取伺服系统频率特性的方法及装置

Info

Publication number: CN104007317A
Application number: CN201410243048.5A
Authority: CN
Inventors: 杨明; 董传洋; 徐殿国
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2014-06-04
Filing date: 2014-06-04
Publication date: 2014-08-27

Abstract

一种获取伺服系统频率特性的方法，包括：将Chirp信号作为转矩指令信号输入伺服系统；对所述Chirp信号和所述伺服系统的电机的转速信号进行快速傅里叶变换，根据快速傅里叶变换的结果进行计算得到所述伺服系统的频率特性。本发明还公开了一种获取频率特性的装置。本发明解决了扫频法无法快速准确的获取伺服系统的频率特性的问题，大大提高了获取频率特性的效率，加强了获取到的频率特性的准确性。

Description

一种获取伺服系统频率特性的方法及装置

技术领域

本发明涉及伺服系统检测技术领域，尤其是涉及一种获取频率特性的方法及装置。

背景技术

目前，交流伺服系统中的频率特性在多方面为提升伺服系统性能的研究提供帮助，其中最为主要的是应用在机械谐振抑制中。若伺服系统能预先准确获得谐振特性，就可以通过参数调整或投入陷波滤波器使得系统避免机械谐振，也能减少在线抑制算法对资源的占用问题。所以快速且准确的获取频率特性在交流伺服系统中是十分必要的。

常见的频率特性获取方法主要有扫频法，冲激响应法，白噪声法等。扫频仪就是基于扫频法的频率特性获取设备。冲激响应法的脉冲信号越窄谐波分量越高，但窄脉冲一般由于冲激能量不够理想很难保证特性的准确性，易受噪声干扰。白噪声法虽然优点是可以包含所有的频率成分，但必须有足够的时间长度才能保证“白”特性，目前，许多国内外伺服驱动器厂商都在做频率特性获取方面的研究，主要的方法也都是运用扫频方式获取Bode图。而要在开环下扫频得到机械谐振特性，就要注意低频信号的累积对转速的影响，所以用扫频法很难快速准确地获取低频段的频率特性。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种获取频率特性的方法，以解决现有技术中使用扫频法无法快速准确的获取伺服系统的频率特性的问题。

在一些说明性实施例中，所述获取频率特性的方法包括：将Chirp信号作为转矩指令信号输入伺服系统；对所述Chirp信号和所述伺服系统的电机的转速信号进行快速傅里叶变换，根据快速傅里叶变换的结果进行计算得到所述伺服系统的频率特性。

本发明的另一个目的是提供一种获取频率特性的装置。

在一些说明性实施例中，所述获取频率特性的装置包括：信号输出模块，用于输出作为转矩指令信号的Chirp信号到伺服系统；解析模块，用于对所述Chirp信号和所述伺服系统的电机的转速信号进行快速傅里叶变换，根据所述快速傅里叶变换的结果进行计算获得所述伺服系统的频率特性。

与现有技术相比，本发明的说明性实施例包括以下优点：

Chirp信号的频段带有截止范围，与白噪音相比可以更快的得到伺服系统的频率特性，并且Chirp信号比白噪音的信号呈现更为平滑，使得获取到的伯德图上的噪音大大减少，得到的伺服系统的频率特性的准确性得到了保证。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是按照本发明的说明性实施例的应用框图；

图2是按照本发明的说明性实施例的流程图；

图3是按照本发明的说明性实施例的Chirp信号的波形图；

图4是按照本发明的说明性实施例的谐振测试结果伯德图；以及，

图5是按照本发明的说明性实施例的装置的结构框图。

具体实施方式

在以下详细描述中，提出大量特定细节，以便于提供对本发明的透彻理解。但是，本领域的技术人员会理解，即使没有这些特定细节也可实施本发明。在其它情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、组件和电路，以免影响对本发明的理解。

图1为带有机械谐振负载的交流伺服系统。系统为速度开环电流闭环系统，运用磁场定向的矢量控制方式，将电流i_a、i_b经过Clark变换转换到αβ两相坐标系上的i_α、i_β，再经过Park变换转换到旋转dq坐标系下i_d、i_q。通过将i_d和i_q两组PI控制器后的dq轴电压给定信号V_qref、V_dref经反Park变换和SVPWM空间电压矢量控制后作用在电机上完成伺服系统的速度开环控制。这里没有考虑闭环是因为为了获取机械谐振的频率特性，只有在开环下才能准确的得到，闭环会对部分频率特性产生抑制效果。图1中i_qref为q轴电流给定，i_dref为d轴电流给定，n为电机转速，θ_e为位置信息。

机械谐振会在原有空载系统的开环传递函数上增加一对零极点，在Bode图上的显示就是增加一对波谷、峰。所以该实施例以能准确的绘制出对应的共轭零极点频率为标准。我们将由谐振负载产生的这对共轭零极点分别称为抗谐振频率ARF和自然振动频率NTF。谐振频率与电机惯量J₁和负载惯量J₂及负载弹性系数K有关，其具体关系如下：

f_{ARF} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{K}{J_{2}}} Hz

f_{NTF} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{(J_{1} + J_{2}) K}{J_{1} J_{2}}} Hz

在电机转轴转动惯量J₁＝1.1轴转动惯量量极点分别称²，负载转动惯量分别为J₂＝2载转动惯量分别为极²和J₂＝4载转动惯量分别为极²，转动轴弹性系数K＝626N系数别为极点时的理论谐振点分别通过上式计算出ARF为89Hz和63Hz，NTF为149Hz和136Hz。

现在参照图2，图2示出了根据一些说明性实施例的获取频率特性的流程图。

如图2所示，在一些说明性实施例中，公开了一种获取频率特性的方法，包括：

S11、将chirp信号(啁啾信号)作为转矩指令信号输入伺服系统；

S12、对所述啁啾信号和所述伺服系统的电机的转速信号进行快速傅里叶变换，根据快速傅里叶变换的结果进行计算得到所述伺服系统的频率特性。

其中，Chirp信号是具有宽频带及恒定频率分量值。Chirp信号为调频脉冲扫频信号，是一种连续的余弦扫频信号。在频率特性获取中，用的是如下生成式：

u(t)＝Acos(2π(βt²+f₀t))；

其中A为扫频幅值，β为频率变化速率，f₀为初始频率，t为频率变换时间。由上式可以看出Chirp信号是随时间线性变化的余弦函数，其波形如图3所示。

通过对Chirp信号的FFT(fast Fourier transform，快速傅里叶变换)分解可以发现，该信号也有类似白噪声的统一的频率分量，也可以产生宽范围的频带。Chirp信号频带有截止范围，取决于信号的高频中止频率，频率越高，频带越宽。因此可以选择Chirp信号来代替白噪声做电流给定信号。

在一些说明性实施例中，chirp信号通过如下方式生成：

步骤1、设定chirp信号的初始频率f₀，以及设定频率变化速率β；

其中，对于指定chirp信号的最终频率为f_t，即f_t＝f₀+βt；

步骤2、确定chirp信号的扫频幅值；

其中，chirp信号的扫频幅值不宜过大或过小，过大会使电机侧转速过高，在带有谐振的情况下很容易对系统造成危害，过小会像冲激响应法能量不足，对低频特性产生误差影响。

在一些说明性实施例中，chirp信号的扫频幅值可以在伺服电机的额定工作电流的0.8-1.2倍的范围内进行选择。

在一些说明性实施例中，chirp信号的扫频幅值可以为1倍的伺服电机的额定工作电流值。

通过上述两个步骤确定chirp信号的表达式，生成作为转矩指令信号的chirp信号。其中，对于上述的步骤1和步骤2之间不存在先后顺序，可以进行颠倒。

在一些说明性实施例中，步骤S12是通过快速傅里叶变换获得所述啁啾信号及转速信号的相同频率ω_r的同相正交分量，根据所述啁啾信号及转速信号的相同频率ω_r的同相正交分量计算得到所述伺服系统的频率特性；

其中，所述啁啾信号的正交分量为R_i(ω_r)＝A_icosφ_i，Q_i(ω_r)＝A_isinφ_i；所述电机的转速信号的正交分量为R_o(ω_r)＝A_ocosφ_o，Q_o(ω_r)＝A_osinφ_o。

在一些说明性实施例中，所述计算得到所述伺服系统的频率特性的过程包括：

按照如下公式计算出所述伺服系统的幅频|G(jω_r)|，以及相角φ(ω_r)；：

| G (j ω_{r}) | = \frac{A_{0}}{A_{i}} = \sqrt{\frac{{R_{o}}^{2} + {Q_{o}}^{2}}{{R_{i}}^{2} + {Q_{i}}^{2}}}

φ (ω_{r}) = φ_{o} - φ_{i} = \tan^{- 1} \frac{Q_{o}}{R_{o}} - \tan^{- 1} \frac{Q_{i}}{R_{i}}

根据得到的所述伺服系统的所述幅频和相角，绘制出所述伺服系统的频率特性伯德图。

在带谐振负载的电机模型下的开环幅频频率特性绘制图如图3所示，其中参数与上面谐振特性分析时一致，从看出得到的谐振点频率特性如上述的理论分析一致，与其他频率特性获取方法相比准确度很高，并且总时长大大缩减，避免了机械谐振的潜在危害，并且该方法的频率测取范围是Chirp信号频率的一半，也就是说在合适的Chirp信号下可以得到比开环高速扫频法和白噪声法更好的低频效果且噪声更小。在实际应用中可以多次变频率测取，这样就可以获得精度更高、范围更宽的谐振系统频率特性。

现在参照图5，图5示出了根据一些说明性实施例的装置的框图。

如图5所示，在一些说明性实施例中，公开了一种获取频率特性的装置(例如装置100)，包括：输出作为转矩指令信号的啁啾信号到伺服系统的信号输出模块(例如信号输出模块101)；以及，对所述啁啾信号和所述伺服系统的电机的转速信号进行快速傅里叶变换，根据所述快速傅里叶变换的结果进行计算获得所述伺服系统的频率特性解析模块(例如解析模块102)。

在一些说明性实施例中，所述啁啾信号的扫频幅值为所述伺服系统的额定工作电流的0.8～1.2倍。

在一些说明性实施例中，所述啁啾信号的扫频幅值为所述伺服系统的额定工作电流的1倍。

在一些说明性实施例中，所述解析模块包括：通过快速傅里叶变换获得所述啁啾信号及转速信号的相同频率ω_r的同相正交分量的正交分量计算模块(例如正交分量计算模块1021)；以及，根据所述啁啾信号及转速信号的相同频率ω_r的同相正交分量计算得到所述伺服系统的频率特性的解析子模块(例如解析子模块1022)；

在一些说明性实施例中，所述解析子模块包括：按照公式：计算出所述伺服系统的幅频的幅频计算模块(例如幅频计算模块1023)；以及，按照公式：计算出相角的相角计算模块(例如相角计算模块1024)；以及，根据计算得到的所述幅频和所述相角，绘制出所述伺服系统的频率特性伯德图的绘图模块(例如绘图模块1025)。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种获取频率特性的方法，其特征在于，包括：

将Chirp信号作为转矩指令信号输入伺服系统；

对所述Chirp信号和所述伺服系统的电机的转速信号进行快速傅里叶变换，根据快速傅里叶变换的结果进行计算得到所述伺服系统的频率特性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Chirp信号的扫频幅值为所述伺服系统的额定工作电流的0.8～1.2倍。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Chirp信号的扫频幅值为所述伺服系统的额定工作电流的1倍。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，通过快速傅里叶变换获得所述Chirp信号及转速信号的相同频率ω_r的同相正交分量，根据所述Chirp信号及转速信号的相同频率ω_r的同相正交分量计算得到所述伺服系统的频率特性；

其中，所述Chirp信号的正交分量为R_i(ω_r)＝A_icosφ_i，Q_i(ω_r)＝A_isinφ_i；所述电机的转速信号的正交分量为R_o(ω_r)＝A_ocosφ_o，Q_o(ω_r)＝A_osinφ_o。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算得到所述伺服系统的频率特性的过程包括：

| G (j ω_{r}) | = \frac{A_{0}}{A_{i}} = \sqrt{\frac{{R_{o}}^{2} + {Q_{o}}^{2}}{{R_{i}}^{2} + {Q_{i}}^{2}}}

φ (ω_{r}) = φ_{o} - φ_{i} = \tan^{- 1} \frac{Q_{o}}{R_{o}} - \tan^{- 1} \frac{Q_{i}}{R_{i}}

6.一种获取频率特性的装置，其特征在于，包括：

信号输出模块，用于输出作为转矩指令信号的Chirp信号到伺服系统；

解析模块，用于对所述Chirp信号和所述伺服系统的电机的转速信号进行快速傅里叶变换，根据所述快速傅里叶变换的结果进行计算获得所述伺服系统的频率特性。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述Chirp信号的扫频幅值为所述伺服系统的额定工作电流的0.8～1.2倍。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述Chirp信号的扫频幅值为所述伺服系统的额定工作电流的1倍。

9.根据权利要求6、7或8所述的装置，其特征在于，所述解析模块包括：

正交分量计算模块，用于通过快速傅里叶变换获得所述Chirp信号及转速信号的相同频率ω_r的同相正交分量；以及，

解析子模块，用于根据所述Chirp信号及转速信号的相同频率ω_r的同相正交分量计算得到所述伺服系统的频率特性；

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述解析子模块包括：

幅频计算模块，用于按照公式：计算出所述伺服系统的幅频；以及，

相角计算模块，用于按照公式：计算出所述伺服电机的相角；以及，

绘图模块，用于根据计算得到的所述幅频和所述相角，绘制出所述伺服系统的频率特性伯德图。