CN104076745B - 一种基于实验的伺服电动缸控制器参数设定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实验的伺服电动缸控制器参数设定方法，首先搭建包含计算机（1）、伺服驱动器（2）、电动缸（3）、多圈绝对位置传感器（4）、运动控制板（5）、SSI接口板（6）、电流控制模块（7）、转速控制模块（8）和位置控制模块（9）在内的电动缸伺服控制系统；然后根据自动控制原理及电动缸的参数对电流控制模块（7）、转速控制模块（8）的参数进行设定；再通过实验测定速度环的传递函数，并结合自动控制原理设定位置控制模块（9）的参数以完成对伺服电动缸控制参数的设定。由于采用实验的方式对速度控制环的参数进行了测量，因此位置控制环的参数较为准确，可以优化电动缸伺服控制系统的性能，减少参数调试的过程。

Description

一种基于实验的伺服电动缸控制器参数设定方法

技术领域

本发明涉及一种伺服电动缸控制器参数设定方法，特别是一种基于实验的伺服电动缸控制器参数设定方法。

背景技术

典型的伺服电动缸控制系统的硬件结构由计算机、伺服驱动器和电动缸等组成，软件则主要由电流控制模块、速度控制模块和位置控制模块组成。其中，电流控制模块和速度控制模块置于伺服驱动器中，而位置控制模块置于计算机中。电流控制模块通过控制电动缸上电机的电流形成电流控制环，速度控制模块通过控制电动缸上电机的转速形成速度控制环，位置控制模块通过控制电动缸的位置形成位置控制环，其中电流控制环为内环，速度控制环为中间环，位置控制环为外环。

传统的方法中，电流控制模块、转速控制模块和位置控制模块的参数设定基于伺服电功缸的数学模型进行设置，并利用经验进行调节，在实际中效率较低。而且伺服电动缸的数学模型较为复杂，再加上伺服驱动器和计算机，使得伺服电动缸系统的模型难以准确建立，因此利用传统方法往往难以达到满意的性能。

此外，国内外相关文献中对电动缸控制器参数设置的方法介绍较少，多是基于工程经验，不利于通用化设计。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于实验的伺服电动缸控制器参数设定方法，解决目前电动缸控制器参数设置复杂、性能差别较大的问题。

一种基于实验的伺服电动缸控制器参数设定方法的具体步骤如下：

第一步搭建伺服电动缸控制系统

伺服电动缸控制系统，包括：计算机、伺服驱动器、电动缸、多圈绝对位置传感器、运动控制板、SSI接口板、电流控制模块、转速控制模块和位置控制模块。

运动控制板和SSI接口板安装在计算机中，运动控制板的输出端与伺服驱动器的输入端连接，伺服驱动器的输出端与电动缸的输入端连接，多圈绝对位置传感器与电动缸的丝杠同轴连接，多圈绝对位置传感器的输出端与SSI接口板的输入端连接。电流控制模块和转速控制模块安装在伺服驱动器中，位置控制模块安装在计算机中。

电流控制模块的功能是：根据电流指令，实现对电动缸中电机电流的控制；转速控制模块的功能是：根据转速指令实现对电动缸中电机转速的控制；位置控制模块的功能是：根据位置指令实现对电动缸的伺服控制。

第二步设置电流控制模块的参数

电流控制模块的参数包括其内部比例积分环节的比例参数K_pi和积分参数K_ii，其组成的比例积分环节的传递函数G_PI(s)如式(1)所示。

$G_{PI}\left(s\right)=K_{pi}+\frac{K_{ii}}{s}---\left(1\right)$

而电流控制模块对应的负载的传递函数G_M(s)如式(2)所示。

$G_M\left(s\right)=\frac{1}{Ls+R}---\left(2\right)$

其中L、R分别为电动缸上电机的电感和电阻。

根据自动控制原理对比例积分环节的参数进行设定，将电流控制环配置为一阶惯性环节，则应当按照式(3)对比例和积分参数进行设定，其中k为常数。

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{pi}=kL\\ K_{ii}=kR\end{array}\right.---\left(3\right)$

则电流控制环的传递函数G_I(s)如式(4)所示。

$G_I\left(s\right)=\frac{G_{PI}\left(s\right)G_M\left(s\right)}{1+G_{PI}\left(s\right)G_M\left(s\right)}=\frac{k}{s+k}---\left(4\right)$

其中k应根据频率响应的要求进行设定，当给定截止频率为f_i时，则k应当设定如下：

k＝2πf_i (5)

从而可得，电流控制环截止频率为f_i时，电流控制模块比例和积分参数的设定值应当设定如下：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{pi}=2{\mathrm{\πf}}_{i}L\\ K_{ii}=2{\mathrm{\πf}}_{i}R\end{array}\right.---\left(6\right)$

第三步设置转速控制模块的参数

转速控制模块参数包括其内部的比例参数K_pω和积分参数K_iω，其设置过程与电流控制模块的参数设置过程相同，但速度控制环的响应速度远低于电流控制环，因此在设置转速控制模块的参数时，认为电流控制环的传递函数G_I(s)为1。

当速度控制环的截止频率配置为f_ω时，比例参数K_pω和积分参数K_iω应设置如下：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{p\mathrm{\ω}}=2{\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\ω}}J\\ K_{i\mathrm{\ω}}=2{\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\ω}}D\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，J为电机的转动惯量、D为摩擦系数。

此时，转速控制模块的传递函数近似为：

$G_{\mathrm{\ω}}\left(s\right)\≈\frac{k_{\mathrm{\ω}}}{s+k_{\mathrm{\ω}}}---\left(8\right)$

其中，k_ω＝2πf_ω。

第四步测量速度控制环的精确参数

计算机控制运动控制卡，向伺服驱动器给定式(9)中表述的正弦速度指令ω_c。

ω_c＝Asin(2πft) (9)

其中，A为正弦速度指令的幅值，f为给定频率，t表示时间。

通过SSI接口板读取电动缸的位移，并提取频率为f的信号θ_c有如下的形式：

其中B为对应频率f信号的幅值，为相位差。

进而通过式(11)求取电机的转速。

其中m为电机到丝杠的减速比，C＝2πfB。

根据式(11)的相位差，推导出式(8)中的k_ω为：

第五步设置位置控制模块的参数

位置控制模块由比例积分控制环节和前馈控制环节组成，参数有比例参数K_pp和前馈参数K_fd，在位置控制模块的作用下，位置控制环的传递函数G_p(s)如(13)式所示。

$G_p\left(s\right)=\frac{{\mathrm{mk}}_{\mathrm{\ω}}({\mathrm{sK}}_{fd}+K_{pp})}{s^2+k_{\mathrm{\ω}}s+k_{\mathrm{\ω}}{K}_{pp}}---\left(13\right)$

按照自动控制原理，将上述二阶系统的阻尼系数设置为0.707，应设置

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{pp}=k_{\mathrm{\ω}}/2\\ K_{fd}=1\end{array}\right.---\left(14\right)$

至此完成了基于实验的伺服电动缸控制参数设定。

由于本方法采用实验对速度控制环的参数进行了测量，因此位置控制环的参数将可以设置的较为准确，与传统方法相比，可以提高参数设置的效率，减少参数调试的过程。

附图说明

图1一种基于实验的伺服电动缸控制器参数设定方法中伺服电动缸控制系统的结构图。

1.计算机 2.伺服驱动器 3.电动缸 4.多圈绝对位置传感器 5.运动控制板6.SSI接口板 7.电流控制模块 8.转速控制模块 9.位置控制模块

具体实施方式

一种基于实验的伺服电动缸控制器参数设定方法的具体步骤如下：

第一步 搭建伺服电动缸控制系统

伺服电动缸控制系统，包括：计算机1、伺服驱动器2、电动缸3、多圈绝对位置传感器4、运动控制板5、SSI接口板6、电流控制模块7、转速控制模块8和位置控制模块9。

运动控制板5和SSI接口板6安装在计算机1中，运动控制板5的输出端与伺服驱动器2的输入端连接，伺服驱动器2的输出端与电动缸3的输入端连接，多圈绝对位置传感器4与电动缸3的丝杠同轴连接，多圈绝对位置传感器4的输出端与SSI接口板6的输入端连接。电流控制模块7和转速控制模块8安装在伺服驱动器中，位置控制模块9安装在计算机中。

电流控制模块7的功能是根据电流指令，实现对电动缸3中电机电流的控制；转速控制模块8的功能是根据转速指令实现对电动缸3中电机转速的控制；位置控制模块9的功能是根据位置指令实现对电动缸3的伺服控制。

第二步 设置电流控制模块7的参数

电流控制模块7的参数包括其内部比例积分环节的比例参数K_pi和积分参数K_ii，其组成的比例积分环节的传递函数G_PI(s)如式(1)所示。

$G_{PI}\left(s\right)=K_{pi}+\frac{K_{ii}}{s}---\left(1\right)$

而电流控制模块7对应的负载的传递函数G_M(s)如式(2)所示。

$G_M\left(s\right)=\frac{1}{Ls+R}---\left(2\right)$

其中L、R分别为电动缸3上电机的电感和电阻。

根据自动控制原理对比例积分环节的参数进行设定，将电流控制环配置为一阶惯性环节，则应当按照式(3)对比例和积分参数进行设定，其中k为常数。

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{pi}=kL\\ K_{ii}=kR\end{array}\right.---\left(3\right)$

则电流控制环的传递函数G_I(s)如式(4)所示。

$G_I\left(s\right)=\frac{G_{PI}\left(s\right)G_M\left(s\right)}{1+G_{PI}\left(s\right)G_M\left(s\right)}=\frac{k}{s+k}---\left(4\right)$

其中k应根据频率响应的要求进行设定，当给定截止频率为f_i时，则k应当设定如下。

k＝2πf_i (5)

从而可得，电流控制环截止频率为f_i时，电流控制模块比例和积分参数的设定值应当设定如下。

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{pi}=2{\mathrm{\πf}}_{i}L\\ K_{ii}=2{\mathrm{\πf}}_{i}R\end{array}\right.---\left(6\right)$

第三步 设置转速控制模块8的参数

转速控制模块8参数包括其内部的比例参数K_pω和积分参数K_iω，其设置过程与电流控制模块7的参数设置过程相同，但速度控制环的响应速度远低于电流控制环，因此在设置转速控制模块的参数时，认为电流控制环的传递函数G_I(s)为1。

当速度控制环的截止频率配置为f_ω时，比例参数K_pω和积分参数K_iω应设置如下：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{p\mathrm{\ω}}=2{\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\ω}}J\\ K_{i\mathrm{\ω}}=2{\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\ω}}D\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，J为电机的转动惯量、D为摩擦系数。

此时，转速控制模块8的传递函数近似为：

$G_{\mathrm{\ω}}\left(s\right)\≈\frac{k_{\mathrm{\ω}}}{s+k_{\mathrm{\ω}}}---\left(8\right)$

其中，k_ω＝2πf_ω。

第四步 测量速度控制环的精确参数

计算机控制运动控制卡5，向伺服驱动器3给定式(9)中表述的正弦速度指令ω_c。

ω_c＝Asin(2πft) (9)

其中，A为正弦速度指令的幅值，f为给定频率，t表示时间。

通过SSI接口板6读取电动缸3的位移，并提取频率为f的信号θ_c应有如下的形式：

其中B为对应频率f信号的幅值，为相位差。

进而通过式(11)求取电机的转速。

其中m为电机到丝杠的减速比，C＝2πfB。

根据式(11)的相位差，可推导出式(8)中的k_ω为：

第五步设置位置控制模块9的参数

位置控制模块9由比例积分控制环节和前馈控制环节组成，参数有比例参数K_pp和前馈参数K_fd，在位置控制模块9的作用下，位置控制环的传递函数G_p(s)如(13)式所示。

$G_p\left(s\right)=\frac{{\mathrm{mk}}_{\mathrm{\ω}}({\mathrm{sK}}_{fd}+K_{pp})}{s^2+k_{\mathrm{\ω}}s+k_{\mathrm{\ω}}{K}_{pp}}---\left(13\right)$

按照自动控制原理，将上述二阶系统的阻尼系数设置为0.707，应设置

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{pp}=k_{\mathrm{\ω}}/2\\ K_{fd}=1\end{array}\right.---\left(14\right)$

至此完成了基于实验的伺服电动缸控制参数设定。

Claims (1)

1.一种基于实验的伺服电动缸(3)控制器参数设定方法，其特征在于具体步骤为：

第一步搭建伺服电动缸控制系统

伺服电动缸控制系统，包括：计算机(1)、伺服驱动器(2)、电动缸(3)、多圈绝对位置传感器(4)、运动控制板(5)、SSI接口板(6)、电流控制模块(7)、转速控制模块(8)和位置控制模块(9)；

运动控制板(5)和SSI接口板(6)安装在计算机(1)中，运动控制板(5)的输出端与伺服驱动器(2)的输入端连接，伺服驱动器(2)的输出端与电动缸(3)的输入端连接，多圈绝对位置传感器(4)与电动缸(3)的丝杠同轴连接，多圈绝对位置传感器(4)的输出端与SSI接口板(6)的输入端连接；电流控制模块(7)和转速控制模块(8)安装在伺服驱动器(2)中，位置控制模块(9)安装在计算机(1)中；

电流控制模块(7)的功能是：根据电流指令，实现对电动缸(3)中电机电流的控制；转速控制模块(8)的功能是：根据转速指令实现对电动缸(3)中电机转速的控制；位置控制模块(9)的功能是：根据位置指令实现对电动缸(3)的伺服控制；

第二步设置电流控制模块(7)的参数

电流控制模块(7)的参数包括其内部比例积分环节的比例参数K_pi和积分参数K_ii，其组成的比例积分环节的传递函数G_PI(s)如式(1)所示；

$G_{PI}\left(s\right)=K_{pi}+\frac{K_{ii}}{s}---\left(1\right)$

而电流控制模块(7)对应的负载的传递函数G_M(s)如式(2)所示；

$G_M\left(s\right)=\frac{1}{Ls+R}---\left(2\right)$

其中L、R分别为电动缸(3)上电机的电感和电阻；

根据自动控制原理对比例积分环节的参数进行设定，将电流控制环配置为一阶惯性环节，则按照式(3)对比例和积分参数进行设定，其中k为常数；

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{pi}=kL\\ K_{ii}=kR\end{array}\right.---\left(3\right)$

则电流控制环的传递函数G_I(s)如式(4)所示；

$G_I\left(s\right)=\frac{G_{PI}\left(s\right)G_M\left(s\right)}{1+G_{PI}\left(s\right)G_M\left(s\right)}=\frac{k}{s+k}---\left(4\right)$

其中k根据频率响应的要求进行设定，当给定截止频率为f_i时，则k设定如下：

k＝2πf_i (5)

从而得到，电流控制环截止频率为f_i时，电流控制模块(7)比例和积分参数的设定值设定如下：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{pi}=2{\mathrm{\πf}}_{i}L\\ K_{ii}=2{\mathrm{\πf}}_{i}R\end{array}\right.---\left(6\right)$

第三步设置转速控制模块(8)的参数

转速控制模块(8)参数包括其内部的比例参数K_pω和积分参数K_iω，其设置过程与电流控制模块(7)的参数设置过程相同，但速度控制环的响应速度远低于电流控制环，因此在设置转速控制模块(8)的参数时，认为电流控制环的传递函数G_I(s)为1；

当速度控制环的截止频率配置为f_ω时，比例参数K_pω和积分参数K_iω设置如下：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{p\mathrm{\ω}}=2{\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\ω}}J\\ K_{i\mathrm{\ω}}=2{\mathrm{\πf}}_{\mathrm{\ω}}D\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，J为电机的转动惯量、D为摩擦系数；

此时，转速控制模块(8)的传递函数近似为：

$G_{\mathrm{\ω}}\left(s\right)\≈\frac{k_{\mathrm{\ω}}}{s+k_{\mathrm{\ω}}}---\left(8\right)$

其中，k_ω＝2πf_ω；

第四步测量速度控制环的精确参数

计算机(1)控制运动控制卡，向伺服驱动器(2)给定式(9)中表述的正弦速度指令ω_c；

ω_c＝A sin(2πft) (9)

其中，A为正弦速度指令的幅值，f为给定频率，t表示时间；

通过SSI接口板(6)读取电动缸(3)的位移，并提取频率为f的信号θ_c有如下的形式：

其中B为对应频率f信号的幅值，为相位差；

进而通过式(11)求取电机的转速；

其中m为电机到丝杠的减速比，C＝2πfB；

根据式(11)的相位差，推导出式(8)中的k_ω为：

第五步设置位置控制模块(9)的参数

位置控制模块(9)由比例积分控制环节和前馈控制环节组成，参数有比例参数K_pp和前馈参数K_fd，在位置控制模块(9)的作用下，位置控制环的传递函数G_p(s)如(13)式所示；

$G_p\left(s\right)=\frac{{\mathrm{mk}}_{\mathrm{\ω}}({\mathrm{sK}}_{fd}+K_{pp})}{s^2+k_{\mathrm{\ω}}s+k_{\mathrm{\ω}}{K}_{pp}}---\left(13\right)$

按照自动控制原理，将上述二阶系统的阻尼系数设置为0.707，设置

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{pp}=k_{\mathrm{\ω}}/2\\ K_{fd}=1\end{array}\right.---\left(14\right)$

至此完成了基于实验的伺服电动缸(3)控制参数设定。