CN110350886A - 一种永磁伺服系统的谐振频率检测方法、系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁伺服系统的谐振频率检测方法：当永磁伺服系统发生谐振现象时，获取系统中速度调节器的输出信号u(t)；根据预设自适应滤波器关系式和预设频率更新关系式的离散化结果，及预设频率估计初始值得到输出信号的频率估计值即得到永磁伺服系统的谐振频率。可见，本申请的谐振频率检测方法是一种在线检测系统谐振频率的方法，可消除谐振频率变化对系统的影响；且本申请的算法结构简单，不需要大量缓存数据，从而降低了计算复杂度，且在一定程度上提高了系统谐振频率检测的实时性。本发明还公开了一种永磁伺服系统的谐振频率检测系统及装置，与上述谐振频率检测方法具有相同的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及永磁伺服系统控制领域，特别是涉及一种永磁伺服系统的谐振频率检测方法、系统及装置。
背景技术
在永磁伺服控制系统中，需要用到联轴器、传动轴、滚珠丝杠等机械传动装置连接电机与负载(如图1所示)，这些传动装置不是理想的刚体，存在一定的弹性。然而，在实际的数字控制系统中，为了获取更大的带宽，往往把速度调节器的增益调得尽量大，但过大的增益会导致系统因稳定裕度不足而发生持续振动现象(振动的基波频率等于弹性传动装置固有的谐振频率)，持续的振动不仅会影响系统的控制精度，还会损坏机械设备，缩短设备的使用寿命。
目前，通常在速度调节器输出与电流环给定之间增设陷波滤波器来抑制这种振动。而采用这种方法来抑制振动，最为关键是要准确检测出系统的谐振频率，然后再利用谐振频率设置陷波滤波器参数。现有技术中，主要有两种谐振频率检测方法：一是扫频法，这种方法检测精度较高，但操作繁琐费时，而且这是一种离线检测谐振频率的方法，不能消除谐振频率变化对系统的影响；二是FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅氏变换)分析法，这是一种在线检测谐振频率的方法，其检测原理是：实时对速度误差信号进行采集以得到大量的缓存数据，然后对这些数据进行FFT运算后得到相应的频谱特性，从而获得系统的谐振频率。这种方法虽然能消除谐振频率变化对系统的影响，但其需要采集大量的数据后才进行FFT运算，运算较为复杂，且谐振频率检测实时性较差。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁伺服系统的谐振频率检测方法、系统及装置，本申请的谐振频率检测方法是一种在线检测系统谐振频率的方法，可消除谐振频率变化对系统的影响；且本申请的算法结构简单，不需要大量缓存数据，从而降低了计算复杂度，且在一定程度上提高了系统谐振频率检测的实时性。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种永磁伺服系统的谐振频率检测方法，包括：
当永磁伺服系统发生谐振现象时，获取系统中速度调节器的输出信号u(t)；
根据预设自适应滤波器关系式和预设频率更新关系式的离散化结果，及预设频率估计初始值得到所述输出信号的频率估计值并将所述频率估计值作为所述永磁伺服系统的谐振频率；
其中，为误差信号；x为所述陷波滤波器的状态变量；ζ为预设阻尼比系数；γ为预设自适应增益系数。
优选地，所述永磁伺服系统发生谐振现象的判定过程包括：
当所述永磁伺服系统处于转速稳态阶段时，判断所述速度调节器的输出信号是否处于等幅振荡状态，若是，则确定所述永磁伺服系统发生谐振现象；若否，则确定所述永磁伺服系统未发生谐振现象。
优选地，所述频率估计初始值的设置过程包括：
预先确定所述永磁伺服系统的谐振频率检测范围，并从所述谐振频率检测范围中选择一个频率值作为频率估计初始值
优选地，0＜ζ＜1，其中，A1为所述速度调节器的输出限幅值。
优选地，根据预设自适应滤波器关系式和预设频率更新关系式的离散化结果，及预设频率估计初始值得到所述输出信号的频率估计值的过程，包括：
对预设自适应滤波器关系式进行双线性变换，得到第一差分关系式x(k)＝a0·u(k)+a1·u(k-1)+a2·u(k-2)-b1·x(k-1)-b2·x(k-2)；其中， T为系统速度环的采样周期；
对预设频率更新关系式进行离散化处理，得到第二差分关系式其中，所述频率估计值的导数所述状态变量的导数β是权衡因子，0＜β＜1；
根据所述第一差分关系式和所述第二差分关系式，及预设频率估计初始值得到所述输出信号的频率估计值
优选地，0.9＜β＜0.99。
优选地，所述谐振频率检测方法还包括：
根据预设修正关系式修正所述频率估计值并将修正后的频率估计值作为所述永磁伺服系统的谐振频率。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种永磁伺服系统的谐振频率检测系统，包括：
谐振判定模块，用于当判定出永磁伺服系统发生谐振现象时，获取系统中速度调节器的输出信号u(t)；
谐振频率估计模块，用于根据预设自适应滤波器关系式和预设频率更新关系式的离散化结果，及预设频率估计初始值得到所述输出信号的频率估计值并将所述频率估计值作为所述永磁伺服系统的谐振频率；
其中，为误差信号；x为所述陷波滤波器的状态变量；ζ为预设阻尼比系数；γ为预设自适应增益系数。
优选地，所述谐振频率检测系统还包括：
频率修正模块，用于根据预设修正关系式修正所述频率估计值并将修正后的频率估计值作为所述永磁伺服系统的谐振频率。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种永磁伺服系统的谐振频率检测装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于在执行所述计算机程序时实现上述任一种永磁伺服系统的谐振频率检测方法的步骤。
本发明提供了一种永磁伺服系统的谐振频率检测方法：当永磁伺服系统发生谐振现象时，获取系统中速度调节器的输出信号u(t)；根据预设自适应滤波器关系式和预设频率更新关系式的离散化结果，及预设频率估计初始值得到输出信号的频率估计值即得到永磁伺服系统的谐振频率。可见，本申请的谐振频率检测方法是一种在线检测系统谐振频率的方法，可消除谐振频率变化对系统的影响；且本申请的算法结构简单，不需要大量缓存数据，从而降低了计算复杂度，且在一定程度上提高了系统谐振频率检测的实时性。
本发明还提供了一种永磁伺服系统的谐振频率检测系统及装置，与上述谐振频率检测方法具有相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中一种的弹性传动装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种永磁伺服系统的谐振频率检测方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种永磁伺服系统的控制框图；
图4为本发明实施例提供的一种永磁伺服系统的谐振频率检测系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种永磁伺服系统的谐振频率检测方法、系统及装置，本申请的谐振频率检测方法是一种在线检测系统谐振频率的方法，可消除谐振频率变化对系统的影响；且本申请的算法结构简单，不需要大量缓存数据，从而降低了计算复杂度，且在一定程度上提高了系统谐振频率检测的实时性。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种永磁伺服系统的谐振频率检测方法的流程图。
该永磁伺服系统的谐振频率检测方法包括：
步骤S1：当永磁伺服系统发生谐振现象时，获取系统中速度调节器的输出信号u(t)。
具体地，请参照图3，图3为一种带弹性传动装置的双闭环永磁伺服控制系统框图，当系统发生谐振现象后，系统中速度调节器的输出信号处于持续振荡状态，振荡的基波频率等于系统中弹性传动装置固有的谐振频率。因此，本申请只需要对速度调节器输出信号的基波频率进行估计，便可得到系统对应的谐振频率。
基于此，本申请首先应判定永磁伺服系统是否发生谐振现象，若否，则认为系统对应的谐振频率约为0；若是，则获取速度调节器的输出信号，以为后续估计速度调节器输出信号的基波频率打下基础。
步骤S2：根据预设自适应滤波器关系式和预设频率更新关系式的离散化结果，及预设频率估计初始值得到输出信号的频率估计值并将频率估计值作为永磁伺服系统的谐振频率。
其中，为误差信号；x为陷波滤波器的状态变量；ζ为预设阻尼比系数；γ为预设自适应增益系数。
需要说明的是，本申请的预设是提前设置好的，只需要设置一次，除非根据实际情况需要修改，否则不需要重新设置。
具体地，从图1中可以看出，在系统实际的工作中，不同的加工部件对应不同质量的负载，且对于同一个加工部件，负载的质量在加工过程中也可能会发生变化，而负载的质量变化必然会改变系统的谐振频率。因此，本申请需要设置一种在线检测谐振频率的方法来实时检测系统的谐振频率，然后基于系统的谐振频率实时更新系统中陷波滤波器的参数(即自适应陷波滤波器)，才能够有效地抑制振动。
基于自适应陷波滤波器的谐振频率估计算法的基本原理如下：
自适应陷波滤波器由两个关系式组成：
自适应滤波器关系式：
频率更新关系式：
其中，为误差信号；x为陷波滤波器的状态变量；为频率估计值；ζ为预设阻尼比系数(正实数)，该系数决定了频率估计的精度；γ为预设自适应增益系数，该系数决定了频率估计的收敛速度。
根据关系式(1)和(2)可以得到速度调节器的输出信号u(t)到误差信号e(t)的闭环传递函数：
当误差信号e(t)≈0时，频率估计值等于速度调节器的输出信号u(t)的基波频率，从而得到系统的谐振频率。
为了在数字控制系统中实现该方法，需要对自适应滤波器关系式和频率更新关系式进行离散化处理，然后根据自适应滤波器关系式和频率更新关系式的离散化结果，及预设频率估计初始值得到频率估计值即得到系统的谐振频率。
本发明提供了一种永磁伺服系统的谐振频率检测方法：当永磁伺服系统发生谐振现象时，获取系统中速度调节器的输出信号u(t)；根据预设自适应滤波器关系式和预设频率更新关系式的离散化结果，及预设频率估计初始值得到输出信号的频率估计值即得到永磁伺服系统的谐振频率。可见，本申请的谐振频率检测方法是一种在线检测系统谐振频率的方法，可消除谐振频率变化对系统的影响；且本申请的算法结构简单，不需要大量缓存数据，从而降低了计算复杂度，且在一定程度上提高了系统谐振频率检测的实时性。
在上述实施例的基础上：
作为一种可选地实施例，永磁伺服系统发生谐振现象的判定过程包括：
当永磁伺服系统处于转速稳态阶段时，判断速度调节器的输出信号是否处于等幅振荡状态，若是，则确定永磁伺服系统发生谐振现象；若否，则确定永磁伺服系统未发生谐振现象。
具体地，当系统发生谐振现象时，在系统处于转速稳态阶段的情况下，速度调节器由于受到输出限幅作用，其输出信号u(t)在限幅值±A1之间等幅振荡，即速度调节器处于饱和状态。因此，本申请可以根据系统在转速稳态阶段，速度调节器是否处于饱和状态来判定系统是否发生了谐振现象(若速度调节器处于饱和状态，则系统发生谐振现象；否则，则系统未发生谐振现象)。
作为一种可选地实施例，频率估计初始值的设置过程包括：
预先确定永磁伺服系统的谐振频率检测范围，并从谐振频率检测范围中选择一个频率值作为频率估计初始值
具体地，根据系统实际的谐振频率检测范围，确定合适的频率估计初始值比如，针对大多数永磁伺服系统而言，其谐振频率范围在100Hz-300Hz左右，可以设置频率估计初始值为
作为一种可选地实施例，0＜ζ＜1，其中，A1为速度调节器的输出限幅值。
进一步地，已知阻尼比系数ζ决定了频率估计的稳态精度，ζ越小，频率估计精度就越高；自适应增益系数γ决定了频率估计的收敛速度，γ越大，频率估计的收敛速度越快，但过大的γ也会导致频率估计值在稳态阶段出现振荡现象，为了避免发生这种振荡现象，需要提高阻尼比系数ζ，但提高阻尼比系数ζ后又会影响频率估计的稳态精度。因此，在实际应用中，需要权衡好阻尼比系数ζ和自适应增益系数γ。同时，为了保证频率估计系统的稳定正常工作，根据线性时变周期系统Floquet乘子的数值研究分析，在选取阻尼比系数ζ和自适应增益系数γ时，需要满足以下条件：
在关系式(4)的参数选取范围内，选取合适的阻尼比系数ζ和自适应增益系数γ即可准确快速的实现频率估计。
作为一种可选地实施例，根据预设自适应滤波器关系式和预设频率更新关系式的离散化结果，及预设频率估计初始值得到输出信号的频率估计值的过程，包括：
对预设自适应滤波器关系式进行双线性变换，得到第一差分关系式x(k)＝a0·u(k)+a1·u(k-1)+a2·u(k-2)-b1·x(k-1)-b2·x(k-2)；其中， T为系统速度环的采样周期；
对预设频率更新关系式进行离散化处理，得到第二差分关系式其中，频率估计值的导数状态变量的导数β是权衡因子，0＜β＜1；
根据第一差分关系式和第二差分关系式，及预设频率估计初始值得到输出信号的频率估计值
具体地，分别对自适应滤波器关系式和频率更新关系式进行离散化处理：
1)对自适应滤波器关系式进行双线性变换(双线性变换方法：T为系统速度环的采样周期)，得到如下第一差分关系式：
x(k)＝a0·u(k)+a1·u(k-1)+a2·u(k-2)-b1·x(k-1)-b2·x(k-2) (5)；
其中，
2)对频率更新关系式进行离散化处理，得到如下第二差分关系式：
其中，频率估计值的导数可以通过一阶有限差分方法(一种离散化方法：)求得：
由于在采用传统的双线性变换方法求取状态变量的导数时，容易导致频率估计值在稳态阶段处于发散不稳定状态，因此，为了解决这个问题，本申请对双线性变换方法进行改进，得到一个改进型的双线性变换方法：β是权衡因子，0＜β＜1；然后利用改进后的双线性变换方法求得状态变量的导数
作为一种可选地实施例，0.9＜β＜0.99。
进一步地，当权衡因子β越接近于1时，基波频率的估计精度就越高，但容易造成频率估计值在稳态阶段处于发散不稳定状态。当权衡因子β远小于1时，频率估计值在稳态阶段虽然能保持稳定状态，但基波频率的估计精度较低。所以，为了兼顾好频率估计精度和频率估计系统的稳定性，在实际应用中，权衡因子β一般取：0.9＜β＜0.99。
作为一种可选地实施例，谐振频率检测方法还包括：
根据预设修正关系式修正频率估计值并将修正后的频率估计值作为永磁伺服系统的谐振频率。
进一步地，由于离散化处理会导致速度调节器输出信号的频率估计值与实际的基波频率值出现偏差，所以为了减小这一偏差，本申请提前设置了一个修正关系式：
通过修正关系式对频率估计值进行修正，即可得到准确的频率估计值从而得到准确的系统的谐振频率，以基于准确的系统的谐振频率设置陷波滤波器的参数。
请参照图4，图4为本发明实施例提供的一种永磁伺服系统的谐振频率检测系统的结构示意图。
该永磁伺服系统的谐振频率检测系统包括：
谐振判定模块1，用于当判定出永磁伺服系统发生谐振现象时，获取系统中速度调节器的输出信号u(t)；
谐振频率估计模块2，用于根据预设自适应滤波器关系式和预设频率更新关系式的离散化结果，及预设频率估计初始值得到输出信号的频率估计值并将频率估计值作为永磁伺服系统的谐振频率；
其中，为误差信号；x为陷波滤波器的状态变量；ζ为预设阻尼比系数；γ为预设自适应增益系数。
作为一种可选地实施例，谐振频率检测系统还包括：
频率修正模块3，用于根据预设修正关系式修正频率估计值并将修正后的频率估计值作为永磁伺服系统的谐振频率。
本申请提供的谐振频率检测系统的介绍请参考上述谐振频率检测方法的实施例，本申请在此不再赘述。
本发明还提供了一种永磁伺服系统的谐振频率检测装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于在执行计算机程序时实现上述任一种永磁伺服系统的谐振频率检测方法的步骤。
本申请提供的谐振频率检测装置的介绍请参考上述谐振频率检测方法的实施例，本申请在此不再赘述。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种永磁伺服系统的谐振频率检测方法，其特征在于，包括：
当永磁伺服系统发生谐振现象时，获取系统中速度调节器的输出信号u(t)；
根据预设自适应滤波器关系式和预设频率更新关系式的离散化结果，及预设频率估计初始值得到所述输出信号的频率估计值并将所述频率估计值作为所述永磁伺服系统的谐振频率；
其中，为误差信号；x为所述陷波滤波器的状态变量；ζ为预设阻尼比系数；γ为预设自适应增益系数。
2.如权利要求1所述的永磁伺服系统的谐振频率检测方法，其特征在于，所述永磁伺服系统发生谐振现象的判定过程包括：
当所述永磁伺服系统处于转速稳态阶段时，判断所述速度调节器的输出信号是否处于等幅振荡状态，若是，则确定所述永磁伺服系统发生谐振现象；若否，则确定所述永磁伺服系统未发生谐振现象。
3.如权利要求1所述的永磁伺服系统的谐振频率检测方法，其特征在于，所述频率估计初始值的设置过程包括：
预先确定所述永磁伺服系统的谐振频率检测范围，并从所述谐振频率检测范围中选择一个频率值作为频率估计初始值
4.如权利要求3所述的永磁伺服系统的谐振频率检测方法，其特征在于，0＜ζ＜1，其中，A1为所述速度调节器的输出限幅值。
5.如权利要求4所述的永磁伺服系统的谐振频率检测方法，其特征在于，根据预设自适应滤波器关系式和预设频率更新关系式的离散化结果，及预设频率估计初始值得到所述输出信号的频率估计值的过程，包括：
对预设自适应滤波器关系式进行双线性变换，得到第一差分关系式x(k)＝a0·u(k)+a1·u(k-1)+a2·u(k-2)-b1·x(k-1)-b2·x(k-2)；其中， T为系统速度环的采样周期；
对预设频率更新关系式进行离散化处理，得到第二差分关系式其中，所述频率估计值的导数所述状态变量的导数β是权衡因子，0＜β＜1；
根据所述第一差分关系式和所述第二差分关系式，及预设频率估计初始值得到所述输出信号的频率估计值
6.如权利要求5所述的永磁伺服系统的谐振频率检测方法，其特征在于，0.9＜β＜0.99。
7.如权利要求1-6任一项所述的永磁伺服系统的谐振频率检测方法，其特征在于，所述谐振频率检测方法还包括：
根据预设修正关系式修正所述频率估计值并将修正后的频率估计值作为所述永磁伺服系统的谐振频率。
8.一种永磁伺服系统的谐振频率检测系统，其特征在于，包括：
谐振判定模块，用于当判定出永磁伺服系统发生谐振现象时，获取系统中速度调节器的输出信号u(t)；
谐振频率估计模块，用于根据预设自适应滤波器关系式和预设频率更新关系式的离散化结果，及预设频率估计初始值得到所述输出信号的频率估计值并将所述频率估计值作为所述永磁伺服系统的谐振频率；
其中，为误差信号；x为所述陷波滤波器的状态变量；ζ为预设阻尼比系数；γ为预设自适应增益系数。
9.如权利要求8所述的永磁伺服系统的谐振频率检测系统，其特征在于，所述谐振频率检测系统还包括：
频率修正模块，用于根据预设修正关系式修正所述频率估计值并将修正后的频率估计值作为所述永磁伺服系统的谐振频率。
10.一种永磁伺服系统的谐振频率检测装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于在执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述的永磁伺服系统的谐振频率检测方法的步骤。
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2019
- 2019-07-12 CN CN201910629072.5A patent/CN110350886A/zh active Pending
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