CN106872771A - 一种交流伺服系统谐振频率检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种交流伺服系统谐振频率检测方法及装置，用于解决现有技术中伺服系统谐振频率的提取方法运算时间长，运算量大，且缺乏实时性，一旦伺服系统的负载发生变化，不能及时适应、检测出来的技术问题。本发明实施例方法包括：对电机的定子电流进行矢量解耦，获取所述电机的交轴电流；采用滑动DFT算法对所述交轴电流进行实时分析，获取所述电机的交流伺服系统谐振频率。

Description

一种交流伺服系统谐振频率检测方法及装置

技术领域

本发明涉及交流伺服系统谐振频率检测领域，尤其涉及一种交流伺服系统谐振频率检测方法及装置。

背景技术

在交流永磁伺服系统中，对电机定子电流进行矢量解耦之后，直轴电流表示电机电流的励磁分量，交轴电流表示电机电流的转矩分量，即交轴电流仅与电机的输出转矩有关，二者呈线性关系，而系统发生谐振时，转矩又能直接的反应谐振的特征，因此分析电机的交轴电流，即可分析电机转矩的状态特征，进而分析系统谐振时的频率特征。大多数伺服系统谐振频率的提取采用了离线的方式采集的，如扫频法、脉冲响应法、白噪声法等。就如扫频法是通过扫频的方式，使用一系列频率离散的正弦信号作为分析对象的给定信号。再分别计算分析对象对于每个频率点信号的幅值增益以及相角特性，即可获得当前频率下的系统响应特性。通过这一系列离散频率正弦信号的分析，即可绘制出系统的幅频特性曲线以及相频特性曲线，即可得出伺服系统的固有频率，即谐振频率。

然而，使用扫频法，每个频率点都要注入一次正弦信号，并分析输出信号相对于输入信号的幅值增益以及相移，以便得出系统的频率特性，缺点是它的运算时间长，运算量大，也不能做到实时性，并且一旦伺服系统的负载发生变化，其固有频率也会发生相应的变化，则扫频法之前得到的数据就不能适应新的情况，一旦系统发生谐振，相关的控制器也不能及时的得到调整去抑制谐振。

发明内容

本发明实施例提供了一种交流伺服系统谐振频率检测方法及装置，解决了现有技术中伺服系统谐振频率的提取方法运算时间长，运算量大，且缺乏实时性，一旦伺服系统的负载发生变化，不能及时适应、检测出来的技术问题。

本发明实施例提供的一种交流伺服系统谐振频率检测方法，包括：

对电机的定子电流进行矢量解耦，获取电机的交轴电流；

采用滑动DFT算法对交轴电流进行实时分析，获取电机的交流伺服系统谐振频率。

可选地，采用滑动DFT算法对交轴电流进行实时分析，获取电机的交流伺服系统谐振频率包括：

采用随时间移动的且具有固定长度的窗口选择待分析的交轴电流，并对交轴电流的对应的各个单元的幅值进行计算，获取电机的交流伺服系统谐振频率。

可选地，采用随时间移动的且具有固定长度的窗口选择待分析的交轴电流，并对交轴电流的对应的各个单元的幅值进行计算，获取电机的交流伺服系统谐振频率包括：

采用随时间移动的且具有固定长度的窗口选择待分析的交轴电流，并对交轴电流的对应的各个单元的幅值通过预置第一公式进行计算，获取电机的交流伺服系统谐振频率，预置第一公式具体为：

X_n(k)＝e^j2πk/N[X_n-1(k)+x(n)-x(n-N)]；

其中，X_n(k)为窗口n时刻第k频点处的幅值，X_n-1(k)为窗口n-1时刻第k频点处的幅值。

本发明实施例提供的一种交流伺服系统谐振频率检测装置，包括：

解耦模块，用于对电机的定子电流进行矢量解耦，获取电机的交轴电流；

分析模块，用于采用滑动DFT算法对交轴电流进行实时分析，获取电机的交流伺服系统谐振频率。

可选地，分析模块包括：

计算单元，用于采用随时间移动的且具有固定长度的窗口选择待分析的交轴电流，并对交轴电流的对应的各个单元的幅值进行计算，获取电机的交流伺服系统谐振频率。

可选地，计算单元包括：

计算子单元，用于采用随时间移动的且具有固定长度的窗口选择待分析的交轴电流，并对交轴电流的对应的各个单元的幅值通过预置第一公式进行计算，获取电机的交流伺服系统谐振频率，预置第一公式具体为：

X_n(k)＝e^j2πk/N[X_n-1(k)+x(n)-x(n-N)]；

其中，X_n(k)为窗口n时刻第k频点处的幅值，X_n-1(k)为窗口n-1时刻第k频点处的幅值。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供了一种交流伺服系统谐振频率检测方法及装置，对电机的定子电流进行矢量解耦，获取电机的交轴电流；采用滑动DFT算法对交轴电流进行实时分析，获取电机的交流伺服系统谐振频率，本发明实施例中通过采用滑动DFT算法对交轴电流进行实时分析，即可分析电机转矩的状态特征，进而分析系统谐振时的频率特征，具备了能够实时检测伺服系统谐振频率特征的优点，即无论负载如何变化，以及机械的老化导致的固有频率变化，又不影响其工作，为下一步的伺服系统谐振抑制提供了关键的参数支持，并且采用滑动DFT算法比传统的FFT算法的算法复杂度降低了，使其能更快的处理待分析的信号，解决了现有技术中伺服系统谐振频率的提取方法运算时间长，运算量大，且缺乏实时性，一旦伺服系统的负载发生变化，不能及时适应、检测出来的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种交流伺服系统谐振频率检测方法的一个实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种交流伺服系统谐振频率检测方法的另一个实施例的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的滑动DFT原理图；

图4为本发明实施例提供的一种交流伺服系统谐振频率检测装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种交流伺服系统谐振频率检测方法及装置，用于解决现有技术中伺服系统谐振频率的提取方法运算时间长，运算量大，且缺乏实时性，一旦伺服系统的负载发生变化，不能及时适应、检测出来的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种交流伺服系统谐振频率检测方法的一个实施例包括：

101、对电机的定子电流进行矢量解耦，获取电机的交轴电流；

首先，对电机的定子电流进行矢量解耦，获取到电机的交轴电流。

102、采用滑动DFT算法对交轴电流进行实时分析，获取电机的交流伺服系统谐振频率。

在对电机的定子电流进行矢量解耦，获取电机的交轴电流之后，采用滑动DFT算法对交轴电流进行实时分析，即可分析电机转矩的状态特征，进而分析系统谐振时的频率特征，获取到电机的交流伺服系统谐振频率。

以上为对本发明实施例提供的一种交流伺服系统谐振频率检测方法的一个实施例进行的详细描述，以下将对本发明实施例提供的一种交流伺服系统谐振频率检测方法的另一个实施例进行的详细描述。

请参阅图2，本发明实施例提供的一种交流伺服系统谐振频率检测方法的另一个实施例包括：

201、对电机的定子电流进行矢量解耦，获取电机的交轴电流；

首先，对电机的定子电流进行矢量解耦，获取到电机的交轴电流。

202、采用随时间移动的且具有固定长度的窗口选择待分析的交轴电流，并对交轴电流的对应的各个单元的幅值通过预置第一公式进行计算，获取电机的交流伺服系统谐振频率，预置第一公式具体为：

X_n(k)＝e^j2πk/N[X_n-1(k)+x(n)-x(n-N)]；

其中，X_n(k)为窗口n时刻第k频点处的幅值，X_n-1(k)为窗口n-1时刻第k频点处的幅值。

在对电机的定子电流进行矢量解耦，获取电机的交轴电流之后，采用随时间移动的且具有固定长度的窗口选择待分析的交轴电流，并对交轴电流的对应的各个单元的幅值通过预置第一公式进行计算，获取电机的交流伺服系统谐振频率，预置第一公式具体为：

X_n(k)＝e^j2πk/N[X_n-1(k)+x(n)-x(n-N)]；

其中，X_n(k)为窗口n时刻第k频点处的幅值，X_n-1(k)为窗口n-1时刻第k频点处的幅值。

为便于理解，以下将对滑动DFT算法工作原理进行详细的描述。

请参阅图3，为本发明实施例提供的滑动DFT原理图。如果要对两个连续时刻的数据进行频谱分析，采用传统的FFT算法需要分别对前一时刻和后一时刻的N点数据分别作FFT运算，然后得到各频率点的幅值。两次计算是分开进行的，不存在任何联系。但是如果把前后两个时刻的数据进行比较就会发现，两个时刻的窗口中N点的数据只有一个发生变化，其余的则完全相同。后一时刻的数据仅是在前一时刻的基础上全部后移一位，最后一个数据点被挤出，将新来的数据点放在空出的第一位的位置。如果这两个时刻不是连续的但是相差不多，那么窗口中的数据也仅仅只有几个发生了变化，而其它的都还保持不变。两个时刻窗口中的大部分数据都是一样的，那么这两个时刻的对应位置的频率点的幅值之间也存在一定的关系。

x(n)为离散信号，则其DFT表达式为：

其中X(k)为经变换后的信号的频谱值。

假定在q时刻，窗口中的N点的数据样本为：

x(q)＝{x(q-N+1),x(q-N+2),...,x(q-1),x(q)}(2)

对q时刻的采样数据进行DFT分析，则第k频点处的幅值为：

下面将重点推导在q+1时刻，滑动窗口中对应的第k频点的幅值，以便从中找出前后两个时刻同一频点处幅值表达式之间的关系。

为了方便推导计算，将窗口中的数据的时间索引用q代替q-N+1，这样在q时刻，滑动窗口中的N个数据可以表示为：

x(q)＝{x(q),x(q+1),...,x(q+N-2),x(q+N-1)} (4)

那么在q时刻，窗口中第k频点处的幅值可以重新写为：

在q+1时刻，第K频点处的幅值为：

在上式中，令p＝n+1，得：

将上式加和项进行拆分得：

提出因子e^j2π/N得：

由于e^-j2πNk/N＝e^-j2πk＝1，所以上式可以进一步简写为：

即：

这时便找到了前后两个时刻同一频率单元的幅值存在的递推关系式，前面改变了窗口数据的时间索引，现将时间索引q还原回原来的q-N+1得：

X_q(k)＝e^j2πk/N[X_q-1(k)+x(q)-x(q-N)] (12)

为了递推表达式的一致，将式(12)中的索引q用n来代替，即可得到滑DFT算法的最后的递推关系式：

X_n(k)＝e^j2πk/N[X_n-1(k)+x(n)-x(n-N)] (13)

由(13)式可以看出，要计算滑动窗口中同一频点的下一时刻幅值X_n(k)，只需要将这个点处上一时刻的X_n-1(k)值加上新采入的数据值减去刚舍弃的数据值，再将得到的结果与因子e^j2πkN相乘即可。其中算法的初始值可以通过FFT算法得到。

对两种算法的运算量作一下比较，乘法运算相对于加法运算来说在计算机中的实现更为复杂，是影响计算机运算速度的主要因素，主要对比两种算法完成同样的任务所需要的乘法次数。

由滑动DFT算法的递推表达式可以看出，在前一时刻的幅值已知的情况下，计算出下一时刻全部的频率点的幅值总共需要N次乘法。而FFT算法完成同样的任务需要次乘法。将两者一比，可见完成相同的任务采用FFT的方法所需要的计算量是采用滑动DFT方法的倍。特别地，当采样点数N比较大时，采用滑动DFT算法所节省的运算量将非常大。

以上为对本发明实施例提供的滑动DFT算法工作原理进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种交流伺服系统谐振频率检测装置进行详细的描述。

请参阅图4，本发明实施例提供的一种交流伺服系统谐振频率检测装置包括：

解耦模块301，用于对电机的定子电流进行矢量解耦，获取电机的交轴电流；

分析模块302，用于采用滑动DFT算法对交轴电流进行实时分析，获取电机的交流伺服系统谐振频率；分析模块302包括：

计算单元3021，用于采用随时间移动的且具有固定长度的窗口选择待分析的交轴电流，并对交轴电流的对应的各个单元的幅值进行计算，获取电机的交流伺服系统谐振频率。计算单元3021包括：

计算子单元30211，用于采用随时间移动的且具有固定长度的窗口选择待分析的交轴电流，并对交轴电流的对应的各个单元的幅值通过预置第一公式进行计算，获取电机的交流伺服系统谐振频率，预置第一公式具体为：

X_n(k)＝e^j2πk/N[X_n-1(k)+x(n)-x(n-N)]；

其中，X_n(k)为窗口n时刻第k频点处的幅值，X_n-1(k)为窗口n-1时刻第k频点处的幅值。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种交流伺服系统谐振频率检测方法，其特征在于，包括：

对电机的定子电流进行矢量解耦，获取所述电机的交轴电流；

采用滑动DFT算法对所述交轴电流进行实时分析，获取所述电机的交流伺服系统谐振频率。

2.根据权利要求1所述的交流伺服系统谐振频率检测方法，其特征在于，所述采用滑动DFT算法对所述交轴电流进行实时分析，获取所述电机的交流伺服系统谐振频率包括：

采用随时间移动的且具有固定长度的窗口选择待分析的所述交轴电流，并对所述交轴电流的对应的各个单元的幅值进行计算，获取所述电机的交流伺服系统谐振频率。

3.根据权利要求2所述的交流伺服系统谐振频率检测方法，其特征在于，所述采用随时间移动的且具有固定长度的窗口选择待分析的所述交轴电流，并对所述交轴电流的对应的各个单元的幅值进行计算，获取所述电机的交流伺服系统谐振频率包括：

采用随时间移动的且具有固定长度的窗口选择待分析的所述交轴电流，并对所述交轴电流的对应的各个单元的幅值通过预置第一公式进行计算，获取所述电机的交流伺服系统谐振频率，所述预置第一公式具体为：

X_n(k)＝e^j2π/kN[X_n-1(k)+x(n)-x(n-N)]；

其中，X_n(k)为窗口n时刻第k频点处的幅值，X_n-1(k)为窗口n-1时刻第k频点处的幅值。

4.一种交流伺服系统谐振频率检测装置，其特征在于，包括：

解耦模块，用于对电机的定子电流进行矢量解耦，获取所述电机的交轴电流；

分析模块，用于采用滑动DFT算法对所述交轴电流进行实时分析，获取所述电机的交流伺服系统谐振频率。

5.根据权利要求4所述的交流伺服系统谐振频率检测装置，其特征在于，所述分析模块包括：

计算单元，用于采用随时间移动的且具有固定长度的窗口选择待分析的所述交轴电流，并对所述交轴电流的对应的各个单元的幅值进行计算，获取所述电机的交流伺服系统谐振频率。

6.根据权利要求5所述的交流伺服系统谐振频率检测装置，其特征在于，所述计算单元包括：

计算子单元，用于采用随时间移动的且具有固定长度的窗口选择待分析的所述交轴电流，并对所述交轴电流的对应的各个单元的幅值通过预置第一公式进行计算，获取所述电机的交流伺服系统谐振频率，所述预置第一公式具体为：

X_n(k)＝e^j2π/kN[X_n-1(k)+x(n)-x(n-N)]；

其中，X_n(k)为窗口n时刻第k频点处的幅值，X_n-1(k)为窗口n-1时刻第k频点处的幅值。