CN105305920A - 一种抑制交流伺服系统扭转振动的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制交流伺服系统扭转振动的方法，包含以下步骤：谐振频率检测单元对电机转速误差信号进行谐振频率检测，获得谐振频率点；自适应陷波器根据谐振频率点自动调节参数，可自动跟踪谐振频率点；IIR低通滤波器抑制交流伺服系统中的中高频扭转振动，干扰观测器抑制交流伺服系统外部的扰动，实现抑制交流伺服系统扭转振动。本发明还公开了一种抑制交流伺服系统扭转振动的系统。本发明利用FPGA并行计算的特点，实时性强，可在充分保证整个交流伺服系统动态性的同时全方位的抑制交流伺服系统扭转振动。

Description

一种抑制交流伺服系统扭转振动的系统及其方法

技术领域

本发明涉及伺服控制技术领域，具体涉及一种抑制交流伺服系统扭转振动的系统及其方法。

背景技术

由于传动装置的刚度有限，在转动过程中会因为弹性形变而产生一定的角度偏移，使得机械系统中各点的位移不同。在激振频率给定的情况下，传动装置存储能量并会引起传动装置产生相位相反的角度偏移，这使得电机侧和负载侧的角度偏移量增大，从而导致交流伺服系统产生扭转振动。在实际的工业生产中，扭转振动会造成交流伺服系统的精确度和可靠性降低，甚至会因此造成系统崩溃而引发事故，造成巨大的经济损失。为了改善交流伺服系统的控制性能，如何对交流伺服系统中对扭转振动进行抑制已经成为一个重要的研究方向。因此，研究交流伺服系统中谐振频率的检测策略和抑制扭转振动的控制方法，对改善系统的动态响应、精确度和工作效率有非常大的意义，在工业机器人、数控机床等工业领域中有着很大的应用价值。

以振动抑制为目的的控制技术研究飞速发展，对因机械系统刚性低而引起的扭转振动的研究尤其广泛，提出了诸多解决方案。采用传统PID控制是过去多年常用的方法，随后出现了利用观测器、陷波器、滤波器结合PID控制的控制方法对传统的PID控制进行改进，发展至今又提出了与自适应算法、模糊控制理论、滑模变结构、H∞控制理论、神经网络以及遗传算法等结合的控制方法，还有加入快速傅里叶变换(FFT)的补偿方法。目前形成了以下几种典型的复合控制方法：

(1)基于滤波器的控制方法

为抑制伺服系统中的扭转振动，最简单的方法是在原控制系统的前向通道中增加一个滞后滤波环节，使控制系统特征频率偏离双质量系统的固有频率，从而抑制、甚至消除共振现象。滞后滤波器的控制方法简单、容易实现，但由于前向通道中加入了滞后环节，系统的动态响应变差。另一种方法是在PI控制器中加入陷波滤波器，让陷波滤波频率等于双质量系统的固有频率，通过减小共振频率增益达到消除振动现象的目的。自适应陷波器能够自动识别振动频率，自动调节陷波器的参数，从而达到自动抑制的目的，具有很强的自适应性。但通过陷波器的方法，需要快速的硬件平台以实现对振动频率的自动识别，否则会影响到整个系统的动态性，因此在工程上往往只使用陷波器抑制某一个固定振动频率。

(2)基于观测器的控制方法

这一方法的核心思想是通过设计观测器，将负荷扰动力矩检测出来，并对其加以补偿来抑制伺服系统的振动现象。该方法的特点是系统结构简单、容易实现，伺服系统能够平滑稳定地工作，但自适应性和动态性一般。

(3)基于H∞控制理论的控制方法

随着近代各种先进控制算法的出现，H∞控制理论在伺服扭振控制领域得到了广泛的应用。高阶的H∞控制器能够应用于实际系统，该方法跟传统的PI速度控制相比在鲁棒性和动态响应上有显著提高，且能够有效地抑制扭矩转动和扰动，但工程实现相对复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制交流伺服系统扭转振动的系统及其方法，利用FPGA并行计算的特点，实时性强，可在充分保证整个交流伺服系统动态性的同时全方位的抑制交流伺服系统扭转振动。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种抑制交流伺服系统扭转振动的系统，其特点是，包含：

PID算法单元；

IIR低通滤波器，其输入端与所述PID算法单元的输出端连接，用于抑制交流伺服系统中的中高频扭转振动；

谐振频率检测单元，用于对电机转速误差信号进行谐振频率检测以获得谐振频率点；

自适应陷波器，其输入端分别与所述IIR低通滤波器及谐振频率检测单元的输出端连接，用于根据谐振频率点自适应调节陷波器参数，以跟踪谐振频率抑制交流伺服系统中的中高频扭转振动；

电流控制器，其输入端与所述自适应陷波器的输出端连接，用于输出电流控制信号；

电机执行机构，其输入端与所述电流控制器的输出端连接，用于接收电流控制器输出的电流控制信号以控制电机运转；

电流传感器，用于采集电机的电流信号；

第一干扰观测器，其输入端与所述电流传感器的输出端连接；

第二干扰观测器，其输入端与所述第一观测器的输出端连接；

速度传感器，用于采集电机的转速信号；其中

电机转速误差信号为电机转速的指令信号与电机的转速信号的偏差值；

电流控制器的输入信号为电机的电流控制信号与电流信号的偏差值；

第一干扰观测器和第二干扰观测器用于抑制交流伺服系统外部的扰动；

第二干扰观测器的输入信号为电流控制器的输出信号与第一干扰感测器的输出信号的偏差值。

所述的谐振频率检测单元包含：

采样模块，用于对电机转速误差信号进行采样，形成采样信号；

存储模块，与所述采样模块连接，用于存储采样信号；

快速傅里叶变换模块，与所述存储模块连接，用于对采样信号进行快速傅里叶变换，将采样信号有时域变换到频域；

提取模块，分别与所述快速傅里叶变换模块及自适应陷波器连接，用于对经快速傅里叶变换后的采样信号采用预设算法提取谐振频率点。

所述的预设算法为谐振频率提取算法。

一种抑制交流伺服系统扭转振动的方法，其特点是，包含以下步骤：

S1、谐振频率检测单元对电机转速误差信号进行谐振频率检测，获得谐振频率点；

S2、自适应陷波器根据谐振频率点自动调节参数，可自动跟踪谐振频率点；

S3、IIR低通滤波器抑制交流伺服系统中的中高频扭转振动，干扰观测器抑制交流伺服系统外部的扰动，实现抑制交流伺服系统扭转振动。

本发明一种抑制交流伺服系统扭转振动的系统及其方法与现有技术相比具有以下优点：：由于在FPGA中对传感器信号进行了快速的FFT分析，可以实时得出系统的振动频率，从而使得自适应陷波器中心频率可以实时跟踪振动频率，自适应陷波器的作用可充分发挥，自适应性强；由于所有算法均在FPGA中实现，而现有技术多数在DSP中实现，FPGA可使得算法周期变短，从而使伺服系统的动态性得以大幅提高；由于可实现对多个振动频率的追踪，以及多种控制方法的结合，因此可以实现更强的振动抑制效果；同时，由于在电流环中加入了干扰观测器模块，可以克服传统陷波器及IIR低通滤波器所无法解决的低频振动问题，抑制能力强；相对于H∞等自适应控制算法而言，在FPGA中实现快速傅里叶变换模块、PID算法单元、IIR低通滤波器、自适应陷波器及干扰观测器模块等难度都不大，在工程中易实现。

附图说明

图1为本发明一种抑制交流伺服系统扭转振动的系统的整体结构框图；

图2为谐振频率检测单元的整体结构框图；

图3为干扰观测器的工作原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种抑制交流伺服系统扭转振动的系统，该系统共有三个回路，包括速度回路、电流回路和电流干扰观测器回路，其中：电流干扰观测器作为电流回路的内回路，而电流回路又作为了速度回路的内回路，具体地，系统包含：PID算法单元101，作为速度环的控制器；IIR低通滤波器102，其输入端与所述PID算法单元101的输出端连接，用于抑制交流伺服系统中的中高频扭转振动；谐振频率检测单元103，用于对电机转速误差信号进行谐振频率检测以获得谐振频率点；自适应陷波器104，其输入端分别与所述IIR低通滤波器102及谐振频率检测单元103的输出端连接，用于根据谐振频率点自适应调节陷波器104参数，以跟踪谐振频率抑制交流伺服系统中的中高频扭转振动；电流控制器105，其输入端与所述自适应陷波器104的输出端连接，用于输出电流控制信号；电机执行机构106，其输入端与所述电流控制器105的输出端连接，用于接收电流控制器105输出的电流控制信号以控制电机运转；电流传感器107，用于采集电机的电流信号；第一干扰观测器108，其输入端与所述电流传感器107的输出端连接；第二干扰观测器109，其输入端与所述第一观测器108的输出端连接；速度传感器110，用于采集电机的转速信号；其中，第一干扰观测器与第二干扰观测器内嵌在电流环内部，通过合理的传递函数设计，用于抑制交流伺服系统外部的扰动(包含电机扭转振动)对整个系统的影响；电机转速误差信号为电机转速的指令信号与电机的转速信号的偏差值；电流控制器105的输入信号为电机的电流控制信号与电流信号的偏差值；第二干扰观测器109的输入信号为电流控制器105的输出信号与第一干扰感测器108输出信号的偏差值；第二干扰观测器109的输入信号为电机的电流信号与电流控制信号的偏差值。

在本实施例中，所有算法均在FPGA中实现，缩短了算法周期，保证了系统的动态性。通过PID算法单元、IIR低通滤波器、自适应陷波器以及干扰观测器等多种方法的有序结合，可实现对交流伺服的扭转振动进行有效地抑制。

谐振频率检测的基本思想是，通过对电机转速误差信号进行快速傅里叶变换将信号由时域转换到频域，然后通过一定的算法找到谐振频率点。

在本实施例中，如图2所示，所述的谐振频率检测单元103包含：采样模块1031，用于对电机转速误差信号进行采样，形成采样信号；存储模块1032，与所述采样模块1031连接，用于存储采样信号；快速傅里叶变换模块1033，与所述存储模块1032连接，用于对采样信号进行快速傅里叶变换，将采样信号有时域变换到频域；提取模块1034，分别与所述快速傅里叶变换模块1033及自适应陷波器104连接，用于对经快速傅里叶变换后的采样信号采用预设算法提取谐振频率点，优选地，采用谐振频率提取算法提取谐振频率点。图2中Δw_m为电机转速误差信号；w_p为谐振频率点。

在本实施例中，自适应陷波器104的传递函数W(s)可以用式(1)来表示。

$W\left(s\right)=K\frac{s^2+Bds+{\mathrm{\ω}}_0^2}{s^2+Bs+{\mathrm{\ω}}_0^2}---\left(1\right)$

式中：K为传递函数的增益；ω₀为陷波器的中心频率；B为陷波器的凹口带宽；d为陷波器的衰减深度。设计自适应陷波器104时应对中心频率、凹口带宽和衰减深度等特征参数进行综合考虑，在保证系统稳定裕量的前提下尽可能保证衰减深度。自适应陷波器104接收谐振频率检测单元103得到的谐振频率点w_p，自动调节参数以跟踪谐振频率。

在本实施例中，干扰观测器的原理是：如图3所示在电流环的基础上增加干扰观测器。通常电流环由控制器Gc(s)、控制对象G(s)和电流传感器H(s)构成，输入U(s)为指令信号，干扰力矩Td(s)为包含摩擦、振动等干扰的等效力矩，输出信号Ω(s)为角速度输出。若不考虑力矩观测器的作用，由图3得到角速度Ω(s)为

$\mathrm{\Ω}\left(s\right)=\frac{G_c\left(s\right)G\left(s\right)}{1+G_c\left(s\right)G\left(s\right)H\left(s\right)}U\left(s\right)+\frac{G\left(s\right)}{1+G_c\left(s\right)G\left(s\right)H\left(s\right)}{T}_d\left(s\right)---\left(2\right)$

其中Td(s)是需要抑制的，为衡量对干扰力矩抑制的能力，定义式(2)中Td(s)系数项的幅值为隔离度

$\mathrm{\γ}=\left|\frac{1}{1+G_c\left(s\right)G\left(s\right)H\left(s\right)}\right|---\left(3\right)$

γ数值越小表明稳定平台隔离弹体扰动的能力越强。

若考虑干扰观测器的作用，则由图3得到的角速度Ω(s)为

$\begin{array}{c}Q\left(s\right)=\frac{G_c\left(s\right)G\left(s\right)}{1+G_c\left(s\right)G\left(s\right)H\left(s\right)+\left(G\right(s\left)H\right(s\left)G_p^{-1}\right(s)-1)Q\left(s\right)}U\left(s\right)\\ +\frac{G\left(s\right)(1-Q(s\left)\right)}{1+G_c\left(s\right)G\left(s\right)H\left(s\right)+\left(G\right(s\left)H\right(s\left)G_p^{-1}\right(s)-1)Q\left(s\right)}{T}_d\left(s\right)\end{array}---\left(4\right)$

式中，Gp(s)为GH(s)＝G(s)H(s)的名义模型。

由式(4)看出，当名义模型Gp(s)能真实反映受控对象模型GH(s)时，即则干扰观测器不会影响原稳定回路的性能，根据图2进行的Gc(s)设计参数无需调整。

设计Q(s)为低通滤波器，在低频段Q(s)趋于1，在高频段Q(s)趋于0。将式(4)与式(2)对比，可以看出采用干扰观测器后，在低频段对干扰力矩Td(s)明显提升了抑制能力，而对干扰力矩的隔离度由式(3)变为

$\mathrm{\γ}=\left|\frac{1-Q\left(s\right)}{1+G_c\left(s\right)G\left(s\right)H\left(s\right)+\left(G\right(s\left)H\right(s\left)G_p^{-1}\right(s)-1)Q\left(s\right)}\right|---\left(5\right)$

在低频段Q(s)趋于1时，隔离度γ趋于0，电流环对干扰力矩的隔离作用明显提高。

因此采用上述的干扰观测器设计，既具有抑制干扰力矩Td(s)的作用，可以提升系统的低速平稳性。

结合上述的抑制交流伺服系统扭转振动的系统，本发明还公开了一种抑制交流伺服系统扭转振动的方法，包含以下步骤：

S1、谐振频率检测单元对电机转速误差信号进行谐振频率检测，获得谐振频率点；

S2、自适应陷波器根据谐振频率点自动调节参数，可自动跟踪谐振频率点；

S3、IIR低通滤波器抑制交流伺服系统中的中高频扭转振动，干扰观测器抑制交流伺服系统外部的扰动，实现抑制交流伺服系统扭转振动。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种抑制交流伺服系统扭转振动的系统，其特征在于，包含：

PID算法单元；

IIR低通滤波器，其输入端与所述PID算法单元的输出端连接，用于抑制交流伺服系统中的中高频扭转振动；

谐振频率检测单元，用于对电机转速误差信号进行谐振频率检测以获得谐振频率点；

自适应陷波器，其输入端分别与所述IIR低通滤波器及谐振频率检测单元的输出端连接，用于根据谐振频率点自适应调节陷波器参数，以跟踪谐振频率抑制交流伺服系统中的中高频扭转振动；

电流控制器，其输入端与所述自适应陷波器的输出端连接，用于输出电流控制信号；

电机执行机构，其输入端与所述电流控制器的输出端连接，用于接收电流控制器输出的电流控制信号以控制电机运转；

电流传感器，用于采集电机的电流信号；

第一干扰观测器，其输入端与所述电流传感器的输出端连接；

第二干扰观测器，其输入端与所述第一观测器的输出端连接；

速度传感器，用于采集电机的转速信号；其中

电机转速误差信号为电机转速的指令信号与电机的转速信号的偏差值；

电流控制器的输入信号为电机的电流控制信号与电流信号的偏差值

第一干扰观测器和第二干扰观测器用于抑制交流伺服系统外部的扰动；

第二干扰观测器的输入信号为电流控制器的输出信号与第一干扰感测器的输出信号的偏差值。

2.如权利要求1所述的抑制交流伺服系统扭转振动的系统，其特征在于，所述的谐振频率检测单元包含：

采样模块，用于对电机转速误差信号进行采样，形成采样信号；

存储模块，与所述采样模块连接，用于存储采样信号；

快速傅里叶变换模块，与所述存储模块连接，用于对采样信号进行快速傅里叶变换，将采样信号有时域变换到频域；

提取模块，分别与所述快速傅里叶变换模块及自适应陷波器连接，用于对经快速傅里叶变换后的采样信号采用预设算法提取谐振频率点。

3.如权利要求2所述的抑制交流伺服系统扭转振动的系统，其特征在于，所述的预设算法为谐振频率提取算法。

4.一种抑制交流伺服系统扭转振动的方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、谐振频率检测单元对电机转速误差信号进行谐振频率检测，获得谐振频率点；

S2、自适应陷波器根据谐振频率点自动调节参数，可自动跟踪谐振频率点；

S3、IIR低通滤波器抑制交流伺服系统中的中高频扭转振动，干扰观测器抑制交流伺服系统外部的扰动，实现抑制交流伺服系统扭转振动。