CN104104296B - 用于机械谐振抑制的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于机械谐振抑制的方法，包括：从电机侧传感器获取电机转速，并利用所述电机转速计算获得观测的传动轴轴矩Tg’；利用速度控制器输出信号Te *计算轴距给定信号Tg *；将所述轴距给定信号Tg *减去观测的传动轴轴矩Tg’获得轴矩偏差；利用所述轴矩偏差计算电磁转矩的补偿反馈值；利用所述电磁转矩的补偿反馈值对所述速度控制器的输出信号Te *进行补偿，并将补偿后获得的电磁转矩信号Te输出给电机侧。该方法可以使得传动轴上的轴矩振荡信息不会传递到电机侧，从而达到抑制间隙谐振的目的。本发明还公开一种用于机械谐振抑制的装置。

Description

用于机械谐振抑制的方法和装置
技术领域
本发明属于传动系统的机械谐振抑制技术领域，尤其涉及一种基于轴矩观测器的带间隙双惯量弹性系统机械谐振抑制方法和装置。
背景技术
在机电一体化的伺服系统中，驱动部分(电机)与从动部分(负载)往往不是直接接触的，而是采用齿轮或者是丝杠传动，这就不可避免的产生了间隙。由于实际系统中传动装置的刚度有限，尤其是在传动轴细长的情况下，就会引发机械谐振，而间隙非线性会进一步加剧机械谐振。间隙非线性不仅会增大系统的静差，而且还会影响系统的动态品质，使系统在单位阶跃信号作用下过渡过程时间加长。如果不能消除间隙的影响，就会使得负载暂时失控，对驱动单元产生冲击，从而导致稳态误差、时滞，更坏的情况会产生极限环，这就限制了系统的动态性能和稳态精度并产生机械部件的附加磨损。因此，对带间隙双惯量弹性系统机械谐振进行有效抑制很有必要。
目前，针对间隙谐振抑制的方法大多数为基于间隙模型的补偿控制方法。概括来说，对间隙非线性的补偿控制方法主要包括逆模型补偿、切换控制补偿和基于线性控制补偿等。逆模型补偿方法是把间隙非线性的迟滞模型作为逆补偿对象，将间隙非线性的逆引入到控制信号的输入端来抵消间隙非线性的影响。切换补偿方法的思想是在系统处于间隙阶段和接触阶段时采用不同的控制方法。基于线性控制的补偿方法，是将观测器方式、描述函数法、智能方法等运用在线性控制的基础上来对间隙非线性进行补偿控制。现有的方法无法较好地解决带间隙双惯量传动系统的机械谐振问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的是提出一种基于轴矩观测器的带间隙双惯量弹性系统机械谐振抑制方法，以解决带间隙双惯量传动系统的机械谐振问题。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
在一些说明性实施例中，所述用于机械谐振抑制的方法，包括：从电机侧传感器获取电机转速，并利用所述电机转速计算获得观测的传动轴轴矩Tg’；利用速度控制器输出信号Te *计算轴距给定信号Tg *；将所述轴距给定信号Tg *减去观测的传动轴轴矩Tg’获得轴矩偏差；利用所述轴矩偏差计算电磁转矩的补偿反馈值；利用所述电磁转矩的补偿反馈值对所述速度控制器的输出信号Te *进行补偿，并将补偿后获得的电磁转矩信号Te输出给电机侧。
本发明的另一个目的是提出一种用于机械谐振抑制的装置。
在一些说明性实施例中，所述用于机械谐振抑制的装置包括：第三乘法器，用于将电机侧传感器获取的电机转速乘以电机惯量Jm；微分器，用于对所述第三乘法器的输出结果进行微分处理，得到作用在电机转子的净转矩；第三减法器，用于将电机的电磁转矩Te减去所述电机转子的净转矩，得到观测的传动轴轴矩Tg’；第一乘法器，用于将速度控制器的输出信号Te *乘以转矩系数Kb，得到轴矩给定信号Tg *；第二减法器，用于将获得的轴矩给定信号Tg *减去所述观测的轴矩Tg’，得到轴矩偏差；第二乘法器，用于将所述轴矩偏差乘以反馈系数Kpf，得到电磁转矩的补偿反馈值；和，第一减法器，用于将速度控制器的输出信号Te *减去所述电磁转矩的补偿反馈值，得到补偿后的电磁转矩信号Te；所述补偿后的电磁转矩信号Te被输出给电机侧。
采用上述实施例，可以使得传动轴上的轴矩振荡信息不会传递到电机侧，从而更好地达到抑制间隙谐振的目的。
为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
说明书附图
图1是本发明实施例中带间隙双惯量弹性系统伺服轴示意图；
图2是本发明实施例中基于轴矩观测器的带间隙双惯量弹性系统机械谐振抑制方法的原理框图；
图3是本发明实施例中基于轴矩观测器的带间隙双惯量弹性系统机械谐振抑制方法的流程图；
图4是未加轴矩观测器的间隙谐振波形图；
图5是图2所示系统下Kpf＝1时间隙谐振的抑制效果波形图；
图6是图2所示系统下Kpf＝0.9时间隙谐振的抑制效果波形图；
图7是本发明实施例中基于轴矩观测器的带间隙双惯量弹性系统机械谐振抑制装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为带间隙双惯量弹性系统伺服轴示意图，图2为基于轴矩观测器的带间隙双惯量弹性系统机械谐振抑制方法的原理框图。系统为速度和电流双闭环调速系统，其中电流环简化为单位一。速度偏差信号经过速度控制器之后，得到补偿前的电磁转矩Te *。通过将该转矩减去轴矩观测反馈回来的具体补偿轴矩值，得到补偿后的电磁转矩Te。图1和图2中，K为传动轴的弹性系数，2b为间隙值的大小。
下面结合图1、图2和图3说明本发明的实施例。
在一个说明性的实施例中，所述基于轴矩观测器的带间隙双惯量弹性系统机械谐振抑制方法，包括以下步骤：
步骤S11，从电机侧传感器获取电机转速。
步骤S12，利用电机转速计算获得观测的传动轴轴矩Tg’。
利用电机转速计算获得观测的传动轴轴矩Tg’的方式有很多，应根据实际需求而定。一种可选的方式包括：将电机转速乘以电机惯量Jm并作微分，得到作用在电机转子的净转矩；然后，将电机的电磁转矩Te减去所述作用在电机转子的净转矩，获得所述观测的传动轴轴矩Tg’。
步骤S13，利用速度控制器输出信号Te *计算轴距给定信号Tg *。
利用速度控制器输出信号Te *计算轴距给定信号Tg *的方式有很多，应根据实际需求而定，
一种可选的方式是将所述速度控制器的输出信号Te *乘以转矩系数Kb，得到所述轴矩给定信号Tg *。
本领域技术人员完全能够知道，可以根据实际的需求和不同的方式确定转矩系数Kb，一种可选的确定转矩系数Kb的方式是其中，Jl表示负载惯量，Jm表示电机惯量。
步骤S14，将轴距给定信号Tg *减去观测的传动轴轴矩Tg’获得轴矩偏差；
步骤S15，利用轴矩偏差计算电磁转矩的补偿值。
利用轴矩偏差计算电磁转矩的补偿值的方式有很多，应根据实际需求而定。一种可选的方式是，将所述轴矩偏差乘以补偿系数Kpf获得所述电磁转矩的补偿反馈值。
步骤S16，利用电磁转矩的补偿值对速度控制器的输出信号Te *进行补偿。
利用电磁转矩的补偿值对速度控制器的输出信号Te *进行补偿的方式有很多，一种可选的方式是，将速度控制器的输出信号Te *减去所述补偿值，得到所述补偿后的电磁转矩给定Te。
步骤S17，将补偿后获得的电磁转矩信号Te输出给电机侧。
在上述实施例中，当Kpf＝1时，原双惯量弹性系统可以等效为单惯量弹性系统，轴上的转矩振荡信息就不会传递到电机侧，从而抑制间隙谐振。由于在实际系统中还存在摩擦和饱和等非线性因素，当Kpf＝1时，并不能完全补偿掉轴矩Tg对电机转速ωm的影响，故Kpf的值一般略小于1，取值范围介于0与1之间。
为了验证上述实施例的可实施性，在交流伺服系统间隙平台上实现该方法。设定速度指令依次为+600rpm，0rpm和-600rpm，得到图4所示未加轴矩观测器的电机转速、电磁转矩和相电流的谐振波形图。在上述实验基础上，引入轴矩观测器来抑制间隙谐振，分别令Kpf＝1和Kpf＝0.9，得到图5和图6所示的间隙谐振抑制效果波形图，可以发现间隙谐振明显得到抑制。而且对比图5和图6，可以发现转矩系数Kpf对间隙谐振的抑制效果有较大影响，考虑到摩擦和饱和等非线性因素，一般取值略小于1的间隙谐振抑制效果最佳。优选地，反馈系数Kpf的取值范围在0.7和1之间。在一些情况下，所述反馈系数Kpf的取值可以为0.75、0.8、0.85、0.9或0.95。
可以看出，采用本发明提供的实施例可以使得传动轴上的轴矩振荡信息不会传递到电机侧，从而达到抑制间隙谐振的目的。
图7示出了一个基于轴矩观测器的带间隙双惯量弹性系统机械谐振抑制装置的示意图。
在该实施例中，所述装置包括第一乘法器11、第二乘法器12、第三乘法器13、第一减法器21、第二减法器22、第三减法器23和微分器。
其中，第三乘法器13用于将电机侧传感器获取的电机转速乘以电机惯量Jm；微分器用于对第三乘法器13的输出结果进行微分处理，得到作用在电机转子的净转矩。第三减法器23用于将电机的电磁转矩Te减去电机转子的净转矩，得到观测的传动轴轴矩Tg’。第一乘法器11用于将速度控制器的输出信号Te *乘以转矩系数Kb，得到轴矩给定信号Tg *。第二减法器22用于将获得的轴矩给定信号Tg *减去观测的轴矩Tg’，得到轴矩偏差。第二乘法器12用于将轴矩偏差乘以反馈系数Kpf，得到电磁转矩的补偿值。第一减法器21用于将速度控制器的输出信号Te *减去电磁转矩的补偿值，得到补偿后的电磁转矩信号Te。补偿后的电磁转矩信号Te被输出给电机侧。
采用上述实施例公开的装置可以使得传动轴上的轴矩振荡信息不会传递到电机侧，从而达到抑制间隙谐振的目的。
以上参照附图说明了本发明的实施例，并非因此局限本发明的权利范围。凡在运用本发明的技术构思之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。

Claims (8)

1.一种用于机械谐振抑制的方法，包括：
从电机侧传感器获取电机转速，并利用所述电机转速计算获得观测的传动轴轴矩Tg’；
利用速度控制器输出信号Te *计算轴距给定信号Tg *；
将所述轴距给定信号Tg *减去观测的传动轴轴矩Tg’获得轴矩偏差；
利用所述轴矩偏差计算电磁转矩的补偿反馈值；
利用所述电磁转矩的补偿反馈值对所述速度控制器的输出信号Te *进行补偿，并将补偿后获得的电磁转矩信号Te输出给电机侧；
其特征在于，所述利用速度控制器输出信号Te *计算轴距给定信号Tg *的操作包括：
将所述速度控制器的输出信号Te *乘以转矩系数Kb，得到所述轴矩给定信号Tg *；其中，Jl表示负载惯量，Jm表示电机惯量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述电机转速计算获得观测的传动轴轴矩Tg’，包括：
将电机转速乘以电机惯量Jm并作微分，得到作用在电机转子的净转矩；
将电机的电磁转矩Te减去所述作用在电机转子的净转矩，获得所述观测的传动轴轴矩Tg’。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将速度控制器的输出信号Te *减去所述补偿反馈值，得到所述补偿后的电磁转矩给定Te。
4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，将所述轴矩偏差乘以反馈系数Kpf获得所述电磁转矩的补偿反馈值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述反馈系数Kpf的取值范围在0.7和1之间。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述反馈系数Kpf的取值为0.75、0.8、0.85、0.9或0.95。
7.一种用于机械谐振抑制的装置，其特征在于，包括：
第三乘法器，用于将电机侧传感器获取的电机转速乘以电机惯量Jm；
微分器，用于对所述第三乘法器的输出结果进行微分处理，得到作用在电机转子的净转矩；
第三减法器，用于将电机的电磁转矩Te减去所述电机转子的净转矩，得到观测的传动轴轴矩Tg’；
第一乘法器，用于将速度控制器的输出信号Te *乘以转矩系数Kb，得到轴矩给定信号Tg *；第二减法器，用于将获得的轴矩给定信号Tg *减去所述观测的轴矩Tg’，得到轴矩偏差；其中，Jl表示负载惯量，Jm表示电机惯量；
第二乘法器，用于将所述轴矩偏差乘以反馈系数Kpf，得到电磁转矩的补偿反馈值；和，
第一减法器，用于将速度控制器的输出信号Te *减去所述电磁转矩的补偿反馈值，得到补偿后的电磁转矩信号Te；
所述补偿后的电磁转矩信号Te被输出给电机侧。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述反馈系数Kpf的取值范围在0.7和1之间。
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