CN105375850B - 一种电机振动抑制的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种电机振动抑制的控制方法，采用峰值‑带通滤波器进行电机转速振动量的提取，所述峰值‑带通滤波器仅供设定频率点的信号通过，且保持幅值和相位不变；首先对电机转速信号进行分析得到振动频率，根据振动频率类型设定峰值‑带通滤波器的中心频率和频带宽度系数，然后将电机转速信号通过峰值‑带通滤波器，提取电机转速信号的振动量，再将振动量通过高通滤波和调相，所得输出乘以振动补偿系数后，加算到速度给定指令中，用于对电机转速振动的抑制控制。本发明可以有效抑制伺服系统振动，有效提取电机转速振动量，且无幅值和相位的变化，不依赖于实际系统机械模型，适用性广，易于工程实现。
Description
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，涉及伺服系统电机的振动抑制，为一种电机振动抑制的控制方法。
背景技术
当伺服系统的增益提高时，振动现象普遍存在于非刚性系统中，影响系统的控制精度。
专利ZL96197475.3公开了一种机械振动检测及抑振装置：首先建立等效刚性模型，其次将电机速度信号减去等效刚体模型输出速度，将此差值输入比例运算单元和高通滤波器，将高通滤波器输出作为机构振动信号，该振动抑制方法的核心是对于振动量的提取。然而上述文献记载的技术中，在对振动量提取时，建立等效刚体模型的过程中，利用的是二质量系统的理想模型。在实际工程运用中，控制对象往往是复杂的多质量系统，此情况下，该技术方案中模型建立不准确，从而带来振动量检测的相位畸变和幅值不准确问题，不能够充分地起到振动抑制的作用，甚至会使得系统性能恶化，加剧振动。同时，在实际伺服系统运行过程中，除机械共振外，还有其他因素导致电机振动，如电机的齿槽效应等。针对此类场合，该方案的方法亦无法准确获取振动量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有对电机的振动抑制方法，建立的控制模型为理想模型，在实际应用中不准确，无法有效抑制振动，甚至会加剧振动。
本发明的技术方案为：一种电机振动抑制的控制方法，采用峰值-带通滤波器进行电机转速振动量的提取，所述峰值-带通滤波器具有峰值滤波的特性，仅供设定频率点的信号通过，且保持幅值和相位不变；首先对电机转速信号进行傅里叶分析，得到振动频率，根据振动频率类型设定峰值-带通滤波器的中心频率和频带宽度系数，使得中心频率处的信号通过，将其他频率点的信号进行衰减，同时调节滤波器的频带宽度系数，来调整滤波器在中心频率附近的幅频特性；然后将电机转速信号通过峰值-带通滤波器，提取电机转速信号的振动量，再将振动量通过一个高通滤波器，进一步滤除直流量，将高通滤波器的输出乘以振动补偿系数后，加算到速度给定指令中，用于对电机转速振动的抑制控制。
所述峰值-带通滤波器设计为二阶滤波器，其传递函数如式(1)所示：
其中：fn为峰值-带通滤波器中心频率，m为频带宽度系数，s为拉普拉斯变换算子；
本发明根据实际振动频率的类型设定峰值滤波器中心频率fn和频带宽度系数m。
(1)系统不具备在线傅里叶分析功能时：
将伺服系统进行试运行一次，机械振动分析单元对伺服运行过程中的电机转速进行全程采样，对全程采样的电机转速进行分段振动频率点分析，分析方法采用离线傅里叶分析方法，最后求取各段电机转速振动频率平均值f0，以及全程采样的电机转速振动频率在f0附近的频率变化量最大值f△。
根据全程采样的电机转速振动频率在电机转速振动频率平均值f0附近的变化范围，将振动情况分为以下三种。
情况一：f△/f0＜频率波动下限，则认为实际系统振动频率点为一个。峰值-带通滤波器的中心频率fn设为电机转速振动频率平均值f0，频带宽度系数m设置为0.2。
情况二：频率波动下限≤f△/f0<频率波动上限，则认为实际系统振动频率点会发生小范围偏移。峰值-带通滤波器的中心频率fn设为电机转速振动频率平均值f0，频带宽度系数m在0.2基础上适当加大，设置为0.2+0.5×(f△/f0)。
情况三：f△/f0≥频率波动上限，则认为实际系统中有两个或两个以上的振动频率点。峰值-带通滤波器的中心频率fn设为振动幅值最大的频率点，频带宽度系数m设置为0.1，可根据实际运行情况在0.05到0.15之间微调。
其中，频率波动下限可根据实际工程需要确定，如10％。频率波动上限可根据实际工程需要确定，如30％。
(2)系统具备在线傅里叶分析功能时：
对电机转速ωm进行实时傅里叶分析，得到实时的振动频率fm。将峰值-带通滤波器的中心频率fn设为电机转速实时振动频率fm，频带宽度系数m设置为0.2。
进一步的，在上述情况三，电机系统中有多个相差较大的振动频率点时，使用一个峰值-带通滤波器难以保证多个不同频率点的振动量同时通过。针对此种情况，使用多个峰值-带通滤波器并联的形式，对多个振动频率点的振动量进行同时提取。
本发明的特点在于用于电机振动抑制算法的电机转速振动量的提取采用一个特殊的带通滤波器，该滤波器具有峰值滤波的特性。与普通带通滤波器的区别是，普通带通滤波器让特定频段的信号通过，本发明滤波器仅使得特定频率点的信号通过，且保持幅值和相位不变，而对其他频率点的信号进行有效衰减。由于滤波器只需设定中心频率和频带宽度系数即可实现对电机振动量的提取，不依赖于实际系统的机械模型，具有频率设定灵活，适用性广的特点。
本发明采用一个特殊的峰值-带通滤波器进行振动量的提取，与现有技术相比，专利ZL200510109783.8公开了一种抑制外部机械振动对硬盘驱动器系统的影响的方法。涉及一种抑制外部干扰对致动器的影响的系统，该方法将峰值滤波器用于对误差信号进行控制，与本发明中的峰值-带通滤波具有不同的设计原理、频率特性和控制作用。专利申请CN201310034746.X公开了一种用于抑制数字控制的机床的低频振动的调节器结构，其中涉及带通滤波器部分如下：将位置给定信号减去负载实际位置信号后，通过一个带通滤波，乘以一个比例系数后形成第一抑制信号，将该信号加算到速度给定中。其中带通滤波器的作用是：使用于极低的频率的设备不再对回路产生影响，也可用截低频率的高通滤波器代替。该方法主要用于抑制数字控制机床的低频振动，并不适用于抑制较高频率的振动。同时该发明中未对所述的带通滤波器进行原理阐述，为普通意义上的带通滤波器。主要用于截断低频信号，而不是用于振动量的提取。与本发明中，具有峰值特性的带通滤波器有明显区别，具有不同的设计原理、频率特性和控制作用。
综上所述，本发明利用该峰值-带通滤波器获得的电机转速振动量，乘以振动补偿系数后加算到给定速度中，可以有效抑制伺服系统振动，利用本发明方法可有效提取电机转速振动量，且无幅值和相位的变化，不依赖于实际系统机械模型，适用性广，易于工程实现。
附图说明
图1为本发明设计的峰值-带通滤波器幅频特性。
图2为本发明实施例1，实施本发明振动抑制控制方法的控制框图。
图3为本发明实施例1的控制效果图。
图4为图3中虚线方框的局部放大图。
图5为本发明实施例2的系统控制框图。
图6为本发明针对两个振动频率点的振动抑制方法控制框图。
具体实施方式
本发明采用一种新的振动量提取方法，在此基础上进行振动抑制算法的实施。目的是提供一种适用性较广，且易于工程实现的，不依赖于实际系统机械模型的振动抑制方法。
本发明的特点在于用于电机振动抑制算法的电机转速振动量的提取采用一个特殊的带通滤波器，该滤波器具有峰值滤波的特性。与普通带通滤波器的区别是，普通带通滤波器让特定频段的信号通过，本发明滤波器仅使得特定频率点的信号通过，且保持幅值和相位不变。而对其他频率点的信号进行有效衰减。该滤波器根据实际系统输入信号中需要提取的振动量频率，来设定滤波器中心频率；通过调节频带宽度系数，来调整滤波器在中心频率点附近的幅频特性。由于该滤波器只需设定中心频率和频带宽度系数即可实现对电机振动量的提取，不依赖于实际系统的机械模型。具有频率设定灵活，适用性广的特点。为区别本发明滤波器与普通带通滤波器，以下称本发明滤波器为“峰值-带通滤波器”。
利用该峰值-带通滤波器进行振动抑制的实施过程：对电机转速信号进行傅里叶分析，得到振动频率。根据振动频率类型设定峰值-带通滤波器的中心频率和频带宽度系数。将电机转速信号通过该峰值-带通滤波器，提取电机转速信号的振动量。将该振动量通过一个高通滤波器，进一步滤除直流量。将高通滤波器的输出乘以一个振动补偿系数后，加算到速度给定指令中。
下面具体说明本发明峰值-带通滤波器的设计。
(1)峰值-带通滤波器设计
本发明中峰值-带通滤波器要求为：使得滤波器中心频率处的信号通过，将其他频率点的信号进行衰减，同时需要可调节该滤波器的频带宽度系数，来调整滤波器在中心频率附近的幅频特性。为了易于工程实现，在本发明中将峰值-带通滤波器设计为二阶滤波器，其传递函数如下式所示：
其中：fn为峰值-带通滤波器中心频率，m为频带宽度系数，s为拉普拉斯变换算子。
该传递函数幅频特性如图1所示，通过图1中的峰值-带通滤波器的幅频特性可知，本发明设计的峰值-带通滤波器有如下特征。
①相位特征
输入信号频率＝峰值-带通滤波器中心频率：输出信号相位不变；
输入信号频率<峰值-带通滤波器中心频率：输出信号相位超前；
输入信号频率>峰值-带通滤波器中心频率：输出信号相位滞后。
在相同频带宽度系数m的前提下，输入信号频率与峰值-带通滤波器的中心频率fn偏差越大，输出信号的相位变化越大。
在相同输入信号频率与峰值-带通滤波器的中心频率fn偏差的情况下，频带宽度系数m的取值越小，输出信号的相位变化越大。
②幅值特征
输入信号频率＝峰值-带通滤波器中心频率：输出信号幅值不变；
输入信号频率≠峰值-带通滤波器中心频率：输出信号幅值衰减；
在相同频带宽度系数m的前提下，输入信号频率与峰值-带通滤波器的中心频率fn偏差越大，输出信号的幅值衰减越大。
在相同输入信号频率与峰值-带通滤波器的中心频率fn偏差的情况下，频带宽度系数m的取值越小，输出信号的幅值衰减越大。
(2)峰值-带通滤波器设定
针对本发明中的峰值-带通滤波器的幅频特性，在本发明的运用中，需对实际系统的振动情况进行分析，利用机械振动分析单元，对运行过程中的振动情况进行分类。首先，将伺服系统进行试运行一次，机械振动分析单元对伺服运行过程中的电机转速进行全程采样。其次对全程采样的电机转速进行分段振动频率点分析，本发明中，实际系统不具备在线傅里叶分析功能，分析方法采用离线傅里叶分析方法。最后求取各段电机转速振动频率平均值f0，以及全程采样的电机转速振动频率在f0附近的频率变化量最大值f△。
根据全程采样的电机转速振动频率在电机转速振动频率平均值f0附近的变化范围，将振动情况分为以下三种：
情况一：f△/f0＜频率波动下限，则认为实际系统振动频率点为一个。峰值-带通滤波器的中心频率fn设为电机转速振动频率平均值f0，频带宽度系数m设置为0.2。
情况二：频率波动下限≤f△/f0<频率波动上限，则认为实际系统振动频率点会发生小范围偏移。峰值-带通滤波器的中心频率fn设为电机转速振动频率平均值f0，频带宽度系数m在0.2基础上适当加大，设置为0.2+0.5×(f△/f0)。
情况三：f△/f0≥频率波动上限，则认为实际系统中有两个或两个以上相差较大的振动频率点。使用一个峰值-带通滤波器难以保证多个不同频率点的振动量同时通过，优先考虑振动幅值最大的频率点的设定。峰值-带通滤波器的中心频率fn设为振动幅值最大的频率点，频带宽度系数m设置为0.1，可根据实际运行情况在0.05到0.15之间微调。
其中，频率波动下限可根据实际工程需要确定，如10％。频率波动上限可根据实际工程需要确定，如30％。
将频带宽度系数m取值减小的原因如下：当频带宽度系数m的取值较小时，输入信号中频率等于峰值-带通滤波器的中心频率fn的成分可通过，且无相位变化。输入信号中频率不等于峰值-带通滤波器的中心频率fn的成分被较大程度衰减。而当频带宽度系数m的取值较大时，输入信号中频率不等于峰值-带通滤波器的中心频率fn的成分未被充分衰减，且相位发生较大变化，此时补偿到速度给定中的振动补偿量相位发生较大畸变，反而会给系统带来不利影响，应避免此种情况出现。
下面通过具体实施例来说明本发明的实施及其效果。
实施例1
一般伺服系统为三环控制系统，即存在位置环、速度环以及电流环三个控制环路，本发明不涉及到位置环控制，为了简便，在本实施例中省去位置环。本发明用于振动抑制实施方法如下，控制框图如图2所示。
对电机转速ωm进行机械振动分析。根据机械振动分析单元对电机转速振动频率的分析结果，设定峰值-带通滤波器的中心频率fn和频带宽度系数m。将电机转速ωm通过该峰值-带通滤波器，提取电机转速的振动量将振动量通过一个高通滤波器，进一步滤除直流量。将高通滤波器的输出经过一个调相器，进行振动量相位的调整。将调相器的输出ωc0乘以一个振动补偿系数Ks后，加算到速度给定ωref中，得到补偿后的给定速度ω'ref。最终将振动量补偿后的给定速度ω'ref与电机转速ωm做差后，输入速度控制器中。
具体实施步骤如下：
步骤一：检测电机转速ωm；
步骤二：对电机转速ωm进行振动情况分析，分析振动频率类型；
步骤三：根据实际系统振动频率的情况设定峰值-带通滤波器中心频率fn和频带宽度系数m。
步骤四：将电机转速通过峰值-带通滤波器，提取转速振动量
步骤五：将转速振动量进行高通滤波，进一步消除振动量中的直流分量。
步骤六：将高通滤波器输出输入调相器进行相位调整，得到振动补偿量基值ωc0；
步骤七：将振动补偿量基值ωc0乘以振动补偿系数Ks后得到振动补偿量ωc；
步骤八：将振动补偿量ωc加算到速度给定ωref中，得到补偿后的给定速度ω'ref。最终将补偿后的给定速度ω'ref与电机转速ωm做差后，输入速度控制器中。
本发明采用一个特殊的带通滤波器进行振动量提取，该滤波器具有峰值滤波的特性，仅使得滤波器中心频率处的信号通过，对其他频率点的信号进行有效衰减。利用该峰值-带通滤波器获得的电机转速振动量，乘以振动补偿系数后加算到给定速度中。可以有效抑制伺服系统振动，不依赖于实际系统机械模型，适用性广，易于工程实现。
本发明实施例结果如图3和图4所示，图4为图3中虚线方框部分细节放大图。(a)线表示速度指令，(b)线表示不使用本发明振动抑制控制算法时的电机转速，振动幅值为±130r/min。(c)线表示使用本发明振动抑制控制算法时的电机转速，振动幅值为±0r/min。(d)线表示在本发明使用中提取的振动量。对比(b)线和(d)线，利用本发明方法可有效提取电机转速振动量，且无幅值和相位的变化。以此为基础的振动抑制算法被有效实施。
实施例2
作为优选方案，在实际电机系统中，若具备在线傅里叶分析功能，可对电机转速ωm进行实时傅里叶分析，得到实时的振动频率fm。将峰值-带通滤波器的中心频率fn设为电机转速实时振动频率fm，频带宽度系数m设置为0.2，其控制框图如图5。
对于实施例1，进一步的，在前述情况三中，也就是实际系统中有多个相差较大的振动频率点时，使用一个峰值-带通滤波器难以保证多个不同频率点的振动量同时通过。针对此种情况，可使用多个峰值-带通滤波器并联的形式，对多个振动频率点的振动量分别进行同时提取。
例如实际系统中有两个相差较大的振动频率点时，采用两个峰值-带通滤波器并联的形式，控制框图如图6所示。
对电机转速ωm进行机械振动分析，根据机械振动分析单元对电机转速振动频率的分析结果，得到两个振动频率点，分别对应设定峰值-带通滤波器1的中心频率fn1和频带宽度系数m1，设定峰值-带通滤波器2的中心频率fn2和频带宽度系数m2。
将电机转速ωm通过该峰值-带通滤波器1，提取电机转速的第一频率点振动量将第一频率点振动量通过高通滤波器1，进一步滤除直流量。将高通滤波器1的输出经过调相器1，进行振动量1相位的调整。
将电机转速ωm通过该峰值-带通滤波器2，提取电机转速的第二频率点振动量将第二频率点振动量通过高通滤波器2，进一步滤除直流量。将高通滤波器2的输出经过调相器2，进行振动量2相位的调整。
将调相器1的输出ωc01与调相器2的输出ωc02相加得到振动补偿基值ωc0，振动补偿基值ωc0乘以振动补偿系数Ks后，加算到速度给定ωref中，得到补偿后的给定速度ω'ref。最终将补偿后的给定速度ω'ref与电机转速ωm做差后，输入速度控制器中。
本发明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明重点保护振动量的提取方法，关键点是峰值-带通滤波器的设计和关键参数的设置规则，任何形式的等同替换或等效变换，都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种电机振动抑制的控制方法，其特征是采用峰值-带通滤波器进行电机转速振动量的提取，所述峰值-带通滤波器具有峰值滤波的特性，仅供设定频率点的信号通过，且保持幅值和相位不变；首先对电机转速信号进行傅里叶分析，得到振动频率，根据振动频率类型设定峰值-带通滤波器的中心频率和频带宽度系数，使得中心频率处的信号通过，将其他频率点的信号进行衰减，同时调节滤波器的频带宽度系数，来调整滤波器在中心频率附近的幅频特性；然后将电机转速信号通过峰值-带通滤波器，提取电机转速信号的振动量，再将振动量通过一个高通滤波器，进一步滤除直流量，将高通滤波器的输出经过一个调相器，调相器的输出乘以振动补偿系数后，加算到速度给定指令中，用于对电机转速振动的抑制控制。
2.根据权利要求1所述的一种电机振动抑制的控制方法，其特征是所述峰值-带通滤波器设计为二阶滤波器，其传递函数如式(1)所示：
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</mrow>
</mrow>
其中：fn为峰值-带通滤波器中心频率，m为频带宽度系数，s为拉普拉斯变换算子。
3.根据权利要求1或2所述的一种电机振动抑制的控制方法，其特征是电机系统不具备在线傅里叶分析功能时，根据振动频率类型设定峰值-带通滤波器的中心频率和频带宽度系数具体为：
首先对电机转速进行全程采样，然后对全程采样的电机转速进行分段振动频率点分析，分析方法采用离线傅里叶分析方法，最后求取各段电机转速振动频率平均值f0，以及全程采样的电机转速振动频率在f0附近的频率变化量最大值f△，根据全程采样的电机转速振动频率在电机转速振动频率平均值f0附近的变化范围，将振动情况分为以下三种：
情况一：f△/f0＜频率波动下限，则认为实际系统振动频率点为一个，峰值-带通滤波器的中心频率fn设为电机转速振动频率平均值f0，频带宽度系数m设置为0.2；
情况二：频率波动下限≤f△/f0<频率波动上限，则认为实际系统振动频率点会发生小范围偏移，峰值-带通滤波器的中心频率fn设为电机转速振动频率平均值f0，频带宽度系数m在0.2基础上适当加大，设置为0.2+0.5×(f△/f0)；
情况三：f△/f0≥频率波动上限，则认为实际系统中有两个或两个以上的振动频率点，使用一个峰值-带通滤波器难以保证多个不同频率点的振动量同时通过，优先考虑振动幅值最大的频率点的设定，峰值-带通滤波器的中心频率fn设为振动幅值最大的频率点，频带宽度系数m设置为0.1，根据实际运行情况在0.05到0.15之间微调；
所述频率波动下限和频率波动上限根据实际工程需要确定。
4.根据权利要求3所述的一种电机振动抑制的控制方法，其特征是所述频率波动下限根据实际工程需要确定为10％，频率波动上限根据实际工程需要确定为30％。
5.根据权利要求3所述的一种电机振动抑制的控制方法，其特征是对电机转速信号进行傅里叶分析时,出现所述的情况三，有两个或两个以上相差较大的振动频率点时,采用峰值-带通滤波器并联的形式，分别采用峰值-带通滤波器对各振动频率点进行振动量提取，提取的各振动量通过高通滤波和调相，调相后的输出相加得到振动补偿基值，振动补偿基值乘以振动补偿系数后，加算到速度给定指令中。
6.根据权利要求1或2所述的一种电机振动抑制的控制方法，其特征是电机系统具备在线傅里叶分析功能时，对电机转速ωm进行实时傅里叶分析，得到实时的振动频率fm，将峰值-带通滤波器的中心频率fn设为电机转速实时振动频率fm，频带宽度系数m设置为0.2。
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