CN105759604A - 一种双核伺服驱动系统及伺服电机在线建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双核伺服驱动系统,包括:主CPU模块,用于控制算法的计算;从CPU模块,用于实时采集电机状态数据,建立电机数学模型;FPGA模块,用于数据交换中介以及相关信号的采集;存储模块;编码器接口模块,与电机编码器连接,接收电机附带的光电编码器脉冲信号或者旋转编码器输出信号;按键模块,用于配置伺服驱动器的输入参数以及控制模式,主CPU模块通过FPGA模块与从CPU模块连接,编码器接口模块、存储模块与主CPU模块连接,按键模块与FPGA模块连接。本发明还公开了一种伺服电机实时在线建模方法。本发明的伺服控制系统能实时计算出系统模型,调试人员可以根据电机模型,选用对应的控制参数,提高生产效率。
Description
技术领域
本发明属于伺服电机控制技术领域,具体涉及一种双核伺服驱动系统及伺服电机在线建模方法。
背景技术
伺服系统能够精确跟踪参考信号过程,广泛存在于数控机床、风力发电、工业机械手等领域。伺服系统的执行结构是伺服电机,由增量式光电轴角编码器检测系统的角位移和角速度并反馈给控制器,通过控制器将反馈信号和给定信号进行比较和运算,产生控制信号,实现伺服控制。
由于比例-积分-微分(PID)控制器设计简单,易于实现,工业上90%以上的电机伺服控制器都是采用PID控制算法。但这种算法存在一个弊端,那就是参数的整定相当繁琐,需要有经验的技术人员反复调试才能获得比较满意的控制性能。更具体地说,现有伺服驱动系统受到硬件处理能力的限制,即CPU不能在很短的时间内计算出相关参数,只能靠有经验的人工不断地调试得出系统优化参数。由于控制对象五花八门,必须用各种型号和类型的电机。因此,要求调试人员具有多工种的调试经验,特别地,有些经验并不适用于特殊场合,无疑给调试人员带来很大的困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处,本发明提供一种调试人员可以根据电机模型,选用对应的控制参数,快速找到达到性能要求的参数,大大提高生产效率的双核伺服驱动系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种双核伺服驱动系统,包括:
主CPU模块,用于控制算法的计算;
从CPU模块,用于实时采集电机状态数据,建立电机数学模型;
FPGA模块,用于数据交换中介以及相关信号的采集;
存储模块,用于保存信号数据和程序;
编码器接口模块,与电机编码器连接,接收电机附带的光电编码器脉冲信号或者旋转编码器输出信号;
按键模块,用于配置伺服驱动器的输入参数以及控制模式,
所述主CPU模块通过FPGA模块与从CPU模块连接,所述编码器接口模块、存储模块与主CPU模块连接,所述按键模块与FPGA模块连接。
具体的,所述双核伺服驱动系统还包括用于提供整个双核伺服驱动系统电源的电源模块,所述电源模块分别与主CPU模块、FPGA模块连接。
具体的,所述双核伺服驱动系统还包括:
整流模块,用于将输入的三相市电转换成两项直流电;
电容模块,用于对整流后的电信号进行滤波;
IPM模块,用于将直流电转换成三相交流电,所述整流模块、电容模块、IPM模块依次串联,所述整流模块的输入端外接三相市电,所述IPM模块的信号输入端连接FPGA模块,所述IPM模块的输出端连接电机。
基于同一构思,本发明还提供一种基于上述双核伺服驱动系统的伺服电机实时在线建模方法,包括以下步骤:
S1、通过按键模块,选择双核伺服驱动系统的建模功能;
S2、从CPU模块启动建模流程;
S3、从CPU模块把计算获得的数学方程,通过数显模块,把电机模型显示出来。
具体的,所述步骤S2中,从CPU启动建模流程的具体过程为:
S201、系统阶跃响应,CPU给电机输入一个恒定值,电机运行稳定后,采集若干组数量的电机输入参数及对应输出参数;
S202、得出数学方程式,通过系统输出除以输入,得出电机的数学模型:
Y=aX2+bX+c
其中,x为电机输入,Y为系统输出,a,b,c为系统参数;
S203、参数辨识,利用递推原理:新的估计值 求得系统参数,即
K时刻的估计值可以表示为
式中y(k)为S202数学方程的响应,即系统输出,通过S201采集获得,可得如下递推公式:
把采用数据根据上述三条递推公式,则可估算出系统参数:
最后,得出计算出电机的数学模型。
本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果:
1、本发明的伺服控制系统采用双核架构,能实时计算出系统模型,调试人员可以根据电机模型,选用对应的控制参数,利用理论指导实践,使得调试人员有的放矢,很快找到达到性能要求的参数,大大提高生产效率。
2、调试人员可以得到较为准确的电机模型,并根据数学模型计算出相应的控制参数,进而不用盲目地凭经验调节参数,减少调试时间,增加调试精度,提高控制性能。
附图说明
图1为本发明的双核伺服驱动系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1,一种双核伺服驱动系统,包括:
主CPU模块,用于控制算法的计算;
从CPU模块,用于实时采集电机状态数据,建立电机数学模型;
FPGA模块,用于数据交换中介以及相关信号的采集;
存储模块,用于保存信号数据和程序;
编码器接口模块,与电机编码器连接,接收电机附带的光电编码器脉冲信号或者旋转编码器输出信号;
按键模块,用于配置伺服驱动器的输入参数以及控制模式,
所述主CPU模块通过FPGA模块与从CPU模块连接,所述编码器接口模块、存储模块与主CPU模块连接,所述按键模块与FPGA模块连接。
具体的,所述双核伺服驱动系统还包括用于提供整个双核伺服驱动系统电源的电源模块,所述电源模块分别与主CPU模块、FPGA模块连接。
具体的,所述双核伺服驱动系统还包括:
整流模块,用于将输入的三相市电转换成两项直流电;
电容模块,用于对整流后的电信号进行滤波;
IPM模块,用于将直流电转换成三相交流电,所述整流模块、电容模块、IPM模块依次串联,所述整流模块的输入端外接三相市电,所述IPM模块的信号输入端连接FPGA模块,所述IPM模块的输出端连接电机。
所述功率模块包括与DC-DC模块连接的IPM模块,所述IPM模块用于将直流电370V转换成按一定规律变化的三相交流电。
基于同一构思,本发明还提供一种基于上述双核伺服驱动系统的伺服电机实时在线建模方法,包括以下步骤:
S1、通过按键模块,选择伺服驱动系统的建模功能;
S2、从CPU模块启动建模流程:
1)系统阶跃响应,CPU给电机输入一个恒定值,电机运行稳定后,采集若干组的电机输入参数和对应的输出参数;
2)数学方程式,通过系统输出除以输入,得出电机的数学模型:
Y=aX2+bX+c
其中,x为电机输入,Y为系统输出,a,b,c为系统参数;
3)参数辨识,利用递推原理:新的估计值求得系统参数,即
K时刻的估计值可以表示为
式中y(k)为2)数学方程的响应,即系统输出,通过1)采集获得。
可得如下递推公式:
把采用数据根据上述三条递推公式,则可估算出系统参数:
最后,得出计算出电机的数学模型。
STEP3,从CPU模块把计算获得的数学方程,通过数显模块,把电机模型显示出来。
因此,调试人员只要按下一个按键,伺服驱动系统就会自动建立电机模型。然后调试人员可以根据数学模型,利用不同的整定方法,把PID控制参数计算出来,使得电机达到较高的控制性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种双核伺服驱动系统,其特征在于,包括:
主CPU模块,用于控制算法的计算;
从CPU模块,用于实时采集电机状态数据,建立电机数学模型;
FPGA模块,用于数据交换中介以及相关信号的采集;
存储模块,用于保存信号数据和程序;
编码器接口模块,与电机编码器连接,接收电机附带的光电编码器脉冲信号或者旋转编码器输出信号;
按键模块,用于配置伺服驱动器的输入参数以及控制模式,
所述主CPU模块通过FPGA模块与从CPU模块连接,所述编码器接口模块、存储模块与主CPU模块连接,所述按键模块与FPGA模块连接。
2.根据权利要求1所述的双核伺服驱动系统,其特征在于,所述双核伺服驱动系统还包括用于提供整个双核伺服驱动系统电源的电源模块,所述电源模块分别与主CPU模块、FPGA模块连接。
3.根据权利要求2所述的双核伺服驱动系统,其特征在于,所述双核伺服驱动系统还包括:
整流模块,用于将输入的三相市电转换成两项直流电;
电容模块,用于对整流后的电信号进行滤波;
IPM模块,用于将直流电转换成三相交流电,所述整流模块、电容模块、IPM模块依次串联,所述整流模块的输入端外接三相市电,所述IPM模块的信号输入端连接FPGA模块,所述IPM模块的输出端连接电机。
4.一种如上述权利要求1-3所述的双核伺服驱动系统的伺服电机实时在线建模方法,包括以下步骤:
S1、通过按键模块,选择双核伺服驱动系统的建模功能;
S2、从CPU模块启动建模流程;
S3、从CPU模块把计算获得的数学方程,通过数显模块,把电机模型显示出来。
5.根据权利要求4所述的伺服电机实时在线建模方法,其特征在于,所述步骤S2中,从CPU启动建模流程的具体过程为:
S201、系统阶跃响应,CPU给电机输入一个恒定值,电机运行稳定后,采集若干组数量的电机输入参数及对应输出参数;
S202、得出数学方程式,通过系统输出除以输入,得出电机的数学模型:
Y=aX2+bX+c
其中,x为电机输入,Y为系统输出,a,b,c为系统参数;
S203、参数辨识,利用递推原理: 求得系统参数,即
K时刻的估计值可以表示为
式中y(k)为S202数学方程的响应,即系统输出,通过S201采集获得,可得如下递推公式:
①
②
③
把采用数据根据上述三条递推公式,则可估算出系统参数:
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