CN104834271A - 基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于动刚度评价的伺服参数优化方法及系统，具体对象为直接进给轴，其步骤包括：确认系统性能参数，保证驱动直线电机的伺服系统正常使能；逐步增大速度环增益，当进给轴发生共振啸叫时，读取速度环伯德图各超调点所在频段以及带宽数据；通过本发明提出的动刚度测量方法，计算得到动刚度频谱图，确定伺服系统共振频段，结合伯德图确定共振频段带宽，在伺服系统中设置相应的电子滤波器，对共振频段进行抑制。本发明提供的基于动刚度评价的伺服参数优化方法，能够有效地优化直接进给轴伺服参数。

Description

基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法

技术领域

本发明涉及一种动刚度的测试方法和伺服参数优化方法，尤其是一种直接进给轴的参数优化方法。

背景技术

直线电机具有响应速度快、定位精度高、无行程限制、效率高等优点，在高速高精度运动中，直线电机驱动的进给轴不需要中间传动环节，是实现直接驱动技术的一种理想进给驱动机构。然而，这种直接驱动进给轴特有的“零传动”方式使负载变化、内部扰动和外部干扰不经过中间传递环节直接作用在工作平台上，阻碍了直线电机优点的进一步发挥，也给其伺服控制带来了很大的难度。

通过对直接进给轴进行优化，进而提高其抗干扰性能的技术已得到了较大的关注，国外有学者探索了进给轴中各部件的匹配性；国内学者分析了进给轴不同条件下的运行工况；还有学者研究了进给轴有效的控制算法和控制参数。其中，合适的进给轴部件匹配性和经过优化设计的运行工况，可使进给轴工作避开共振频段，但是当进给轴投入使用后，已有部件或运行工况条件已基本确定，优化这两个条件已有较大难度。通过调整控制参数却可以较容易地改变进给轴的运行特性，这种方法具有成本低、效率高等优点。

在数控系统中，调整控制参数主要通过反复调试速度环的增益或积分时间参数进而调整伯德图0dB频带宽度来实现。但是应用这种方法实现伺服参数优化时，存在多个方面的不足：当出现多个超调点时，经常无法准确判断进给轴的共振点；在未充分认识机床各部件机械特性的情况下，无法确定机械本身特性需要优化的工作频段；若没有足够的伺服参数优化经验或缺乏指导规则，改变伺服参数存在较大的盲目性。

由于伺服动刚度可反映进给轴的伺服系统在宽频干扰下抵抗位置偏移的能力，若能把伺服动刚度引入作为伺服参数优化评价指标，在得知进给轴动刚度频谱图的条件下，对伺服参数进行优化，可使进给轴需要优化的工作频段、超调抑制等目标更加清晰，克服数控系统优化伺服参数的盲目性。

本发明专利应用动刚度为评价指标，研究直接进给轴的伺服参数优化方法，给出伺服系统动刚度测量方案，建立直接进给轴伺服系统动刚度模型，确定动刚度影响因素，结合动刚度频谱分布，给出与数控系统调试匹配的伺服参数优化策略，为直接进给轴伺服参数优化自动化提供一种反馈方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行改进和完善，提供一种基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法，该方法以使进给轴需要优化的工作频段、超调抑制等目标更加清晰，克服数控系统优化伺服参数的盲目性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确认伺服系统性能参数，保证驱动直线电机的伺服系统正常工作，伺服性能参数包括系统周期、系统插补周期，保证静态时系统负载不超过40％；

步骤2：建立伺服动刚度模型

建立直接进给轴伺服系统数学模型，其中，伺服系统包括位置控制环、速度控制环、电流控制环、矢量变换环节、电流控制电压型逆变器以及相应的反馈元件；

步骤3：通过速度控制环逐步增大伺服系统的速度环增益，当进给轴发生共振啸叫时，读取速度环伯德图各超调点所在频段以及带宽数据；

步骤4：通过动刚度测量和计算得到动刚度频谱图

其中，动刚度测量系统包括：直接进给轴、激振锤、加速度传感器、激光干涉仪、数据采集板卡、计算机动刚度测试系统，激振锤与数据采集板卡信号输入端连接，信号采集板卡输出端与计算机连接，激光干涉仪安装于试验平台上，信号输出端与计算机相连；

测量及计算方法是，用激振锤敲击直接进给轴产生激励脉冲，然后用数据采集板卡采集激振信号，激光干涉仪采集位移响应信号，再将采集到的激励力信号和位移响应信号传输到计算机，由计算机将采集到的时域信号转至频率，最后经计算机处理输出所测动刚度频谱图，确定伺服系统共振频段。

步骤5：结合伯德图确定共振频段带宽，在伺服系统中设置相应的电子滤波器，对共振频段进行抑制；

步骤6：重复第三步骤、第四步骤和第五步骤，继续增大速度环增益，针对需要优化的频段，调整伺服参数，增加进给轴无超调频段宽度；在超调频段的幅值不超过3dB的条件下，实现进给轴在工作频段的0dB频段带宽得到优化调整，获得其宽度最大值，也使首个超调点所处频率值最高。

上述动刚度测量中，为减小位移信号的中间环节的衰减和阿贝误差，测量点安装于工作台位移方向中间处，且紧贴工作平台。

本发明的有益效果：

1)在测量直接进给轴动刚度的过程中，直接将激振锤测得的驱动力信号和激光干涉仪测得的响应位移时域信号通过傅里叶变换直接转换到频域，提供了一种简单、方便且有效地测量直接进给轴动刚度的方法。

2)通过测得的直接进给轴动刚度频谱图，提供了一种快速确定直接进给伺服系统共振点和共振频段的方法。

3)本发明提供的参数优化方法，增加了直接进给轴无超调频段，提高了其抗干扰性能。

附图说明

图1是动刚度测量平台结构示意图；

图2是本发明实施例一中动刚度测试系统；

图3是本发明实施例一中试验例动刚度频谱图；

图4是本发明实施例一中试验例速度环伯德图；

图5是本发明实施例二中试验例应用伯德图和基于动刚度两种优化方法对比结果分析。

具体实施方法

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将以实施例一和实施例二对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明的实施例一提供一种直接进给轴的动刚度测量方案，其包括下列步骤：

步骤1：搭建直接进给轴动刚度测量系统，如图1所示，激振锤给直接进给轴施加脉冲激励，其激励力信号由数据采集板卡采集；在激励力的作用下产生的位移响应和进给轴反馈有效的激励频段两种信号分别由激光干涉仪以及加速度传感器进行采集；测量平台将采集到的数据传输至计算机进行后期处理得到动刚度频谱图。

在图1所示动刚度测试平台结构示意图的基础上，本实施例搭建了如图2所示动刚度测试系统，信号采集系统包括计算机和数据采集板卡，激振锤与数据采集板卡信号输入端连接，信号采集板卡输出端与计算机连接，激光干涉仪安装于试验平台上，信号输出端与计算机相连。

步骤2：测量动刚度频谱图，在上述动刚度测试系统的基础上，测量动刚度频谱图：首先，在保证数控系统正常使能的情况下，用激振锤敲击直接进给轴产生激励脉冲，然后用数据采集板卡采集激振信号和加速度信号，激光干涉仪采集位移响应信号，再将采集到的激励力信号和位移响应信号传输到计算机，由计算机将采集到的时域信号转至频率，最后经计算机处理输出所测动刚度频谱图。

测量中关键点包括激振的频率上限、激振位置、有效激振频段以及位移响应的测量位置。测量中需要的频率上限为1000Hz，根据脉冲宽度确定锤头垫材料为钢，脉冲宽度为0.289ms，频率上限为2KHz满足测量需求。为减少激励在中间环节传递时产生的衰减，激振位置设置于工作平台与直接进给轴连接处。为检测直接进给轴所接收到激振的有效频段，在激振位置相对处安装加速度传感器，测得有效激振频段在1.5KHz以上，满足测量需要。使用激光干涉仪高频采集直接进给轴的位移响应，为减小位移响应在中间环节的衰减以及在测量过程产生的阿贝误差，测量点设置于工作平台在位移方向上的正中位置。

利用FFT将脉冲激励与位移响应转换至频域，由于脉冲信号为非平稳信号，使用FFT所得到的频谱无法反应信号瞬间频率的真值，所以在满足采样定理的前提下，需要将采样频率提高大于一倍，使脉冲信号平稳化。

本发明的实施例二提供直接进给轴的伺服参数优化方法，其包括下列部分：

第一部分：建立伺服动刚度模型

若把直线电机驱动的伺服系统近似为线性系统，可建立直接进给轴伺服系统数学模型。该伺服系统包括位置控制环、速度控制环、电流控制环、矢量变换环节、电流控制电压型逆变器以及相应的反馈元件。

根据伺服动刚度定义，伺服动刚度K_d表达式为：

$K_d\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{T_i\left(\mathrm{j\ω}\right)}{X_o\left(\mathrm{j\ω}\right)}$

式中，ω为外部干扰的圆频率；T_i(jω)为外部干扰力；X_o(jω)为外部干扰引起的响应。

根据直接进给轴伺服系统数学模型，推导出伺服系统动刚度表达式：

$K_d=\frac{K_v(K_p{C}_p-K_p{P}_i)}{T_{v}S(J_{d}S+f_d)(R+\mathrm{LS})+T_v{\mathrm{SC}}_e+K_v{C}_v}+1$

根据动刚度模型可知对动刚度影响主要有两点，速度环增益和电流环输出电流，可以通过增大速度环的增益，以及设置电子滤波器调理输出电流，提高伺服系统的动刚度，增强抗干扰性能。

第二部分：通过本发明提出的动刚度测量方法，计算得到动刚度频谱图

根据直线电机工作原理，建立进给轴动力学模型，可得在外部干扰力作用下，直接进给轴的动力学方程：

$m\·\frac{d^{2}x\left(t\right)}{d^{2}t}+\frac{K_i}{K_I}\·\frac{\mathrm{dx}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+(\frac{K_i}{K_p}-K_x)\·x\left(t\right)=\mathrm{\δ}$

式中，δ——干扰力(无确定方向)；m——直接进给轴质量；

x(t)——X方向上的位置偏移；K_i——电流与电磁力转换系数；K_x-位移与电磁力转换系数；K_p——比例控制系数；K_I——积分控制系数。

基于以上动力学模型提出测量方案，在进给轴的进给方向上施加脉冲激励，伺服系统可受到一个宽频干扰，然后分析其受到激励后的位移响应情况，实现直接进给轴伺服系统动刚度的测量。

动刚度频谱图计算思路：分别用激振锤和激光干涉仪测量激励力数据与时间的对应关系和响应位移数据与时间的对应关系，然后将利用短时傅里叶变换，将力与位移信号转至频率，在频率中对采集的数据进行分析，计算出伺服系统动刚度频谱图。

提出的动刚度测量系统，包括：直接进给轴、激振锤、加速度传感器、激光干涉仪、数据采集板卡、计算机，所述激振锤包括冲击锤和力传感器，所述加速度传感器用于检测直接进给轴有效频段。激振锤和加速度传感器与数据采集板卡相连，数据采集板卡与计算机相连，激光干涉仪直接与计算机相连，加速度传感器安装于直接进给轴工作台上。

第三部分：伺服参数优化策略

为了使直接进给轴能有更好的抗干扰性能，对伺服系统速度环进行优化，以提高伺服增益和调理输出电流为手段，延长频率响应0dB频段，使共振点延后，以进给轴工作频段无超调为优化条件，以数控系统为控制实现载体，实现如下的伺服参数优化策略：

第一步，保证驱动直线电机的伺服系统正常使能。

第二步，逐步增大速度环增益，当进给轴发生共振啸叫时，也就是表示伺服系统产生超调，读取速度环伯德图各超调点所在频段以及带宽数据。

第三步，通过本发明实施例一提出的测量方法，计算得到动刚度频谱图，确定伺服系统共振频段，结合伯德图确定共振频段带宽，在伺服系统中设置相应的电子滤波器，对共振频段进行抑制。

重复第二步和第三步，继续增大速度环增益，针对需要优化的频段，调整伺服参数。在超调频段的幅值不超过3dB的条件下，实现进给轴在工作频段的0dB频段带宽得到优化调整，获得其宽度最大值，也使首个超调点所处频率值最高。

作为上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征：

根据直接进给轴伺服系统数学模型，推导出伺服系统动刚度表达式，进而确定影响直接进给轴伺服系统动刚度的因素，从而确定把提高速度增益和调理输出电流作为参数优化的手段。

电子滤波器的用于调理输出电流，其应设置在共振频段处，并且相应的设置电子滤波器的阻断频率和阻断宽度，阻断频率应设置为直接进给轴共振点频率，阻断宽度应设置为频带宽度。

此外，本实施例还提供了具体的试验例，进一步验证本实施例的有益结果，具体如下：

试验例：如图2所示，对图中2直接进给轴的伺服系统参数进行优化。

优化步骤：

步骤1：参照图2连接各仪器，图中：激光干涉仪1、直接进给轴2、数控系统(SINMMERIK 840D)3、激振锤(9722A)4、信号采集系统5，其中信号采集系统5包括NI9234数据采集板卡和计算机；激振锤4与数据采集板卡信号输入端连接，信号采集板卡输出端与计算机连接，激光干涉仪1安装于试验平台上，信号输出端与计算机相连。

步骤2：确认系统性能参数，如：系统周期、系统插补、系统负载等，保证驱动直线电机的伺服系统正常使用。

步骤3：调节驱动系统参数，使速度环增益增大，其它伺服参数保持不变，当机床发生啸叫时，说明直接进给系统产生了共振，此时，通过计算机读取速度环伯德图。

步骤4：用激振锤敲击直线电机工作台，产生激励脉冲，与此同时通过数据采集系统采集时域激励信号和响应信号，将采集的时域信号经计算机处理，转换成频域信号，即可得直接进给轴动刚度频谱图，在动刚度频谱图中动刚度最小处即为伺服系统共振频段，从而确定伺服系统共振频段，再结合第三步所述伯德图确定共振频带带宽。

步骤5：在共振频段设置相应的电子滤波器，设置电子滤波器阻断频率与带阻宽度，阻断频率应设置为直接进给轴共振点频率，阻断宽度应设置为频带宽度。

步骤6：重复上述第三步、第四步、第五步，针对所需优化频段，调整伺服参数，当超调量不超过20％时，伺服参数优化完成。

图3为本试验例中所测的动刚度频谱图和图4为本试验例中所测的动刚度伯德图；图5为应用伯德图和基于动刚度两种优化方法对比结果分析，由图5可知，基于动刚度优化后使伯德图0dB频段增加58.6Hz，首个尖峰延后11.7HZ。因此，本发明提供的基于动刚度评价的伺服参数优化方法，能够有效地优化直接进给轴伺服参数。

Claims (2)

1.一种基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确认伺服系统性能参数，保证驱动直线电机的伺服系统正常工作，伺服性能参数包括系统周期、系统插补周期，保证静态时系统负载不超过40%；

步骤2：建立伺服动刚度模型

建立直接进给轴伺服系统数学模型，其中，伺服系统包括位置控制环、速度控制环、电流控制环、矢量变换环节、电流控制电压型逆变器以及相应的反馈元件；

步骤3：通过速度控制环逐步增大伺服系统的速度环增益，当进给轴发生共振啸叫时，读取速度环伯德图各超调点所在频段以及带宽数据；

步骤4：通过动刚度测量和计算得到动刚度频谱图

其中，动刚度测量系统包括：直接进给轴、激振锤、加速度传感器、激光干涉仪、数据采集板卡、计算机动刚度测试系统，激振锤与数据采集板卡信号输入端连接，信号采集板卡输出端与计算机连接，激光干涉仪安装于试验平台上，信号输出端与计算机相连；

其测量及计算方法为，使用激振锤敲击直接进给轴产生激励脉冲，然后用数据采集板卡采集激振信号，激光干涉仪采集位移响应信号，再将采集到的激励力信号和位移响应信号传输到计算机，由计算机将采集到的时域信号转至频率，最后经计算机处理输出所测动刚度频谱图，确定伺服系统共振频段；

步骤5：结合伯德图确定共振频段带宽，在伺服系统中设置相应的电子滤波器，对共振频段进行抑制；

步骤6：重复第三步骤、第四步骤和第五步骤，继续增大速度环增益，针对需要优化的频段，调整伺服参数，增加进给轴无超调频段宽度；在超调频段的幅值不超过3dB的条件下，实现进给轴在工作频段的0dB频段带宽得到优化调整，获得其宽度最大值，也使首个超调点所处频率值最高。

2.根据权利要求1所述的基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法，其特征在于：所述动刚度测量中，为减小位移信号的中间环节的衰减和阿贝误差，测量点安装于工作台位移方向中间处，且紧贴工作平台。