CN112701978A - 一种基于扰动观测器的机械数控机床自身振动抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种基于扰动观测器的机械数控机床振动抑制控制方法，首先，永磁同步伺服电机驱动机床某部件后，通过给定转速ωm ref和编码器采集的电机实际转速ωm，得到q轴电流的参考值iq *并给定d轴电流参考为0；再分别通过编码器和电流传感器得到的电角度θ与电机的三相定子电流is(k)，从而计算得到q轴的定子电流分量iq(k)，进而可计算电机转矩Te；确定选取的名义模型Gn(s)和低通滤波器Gq(s)结构，计算扭转力矩估计值Tc；再将其与经过低通滤波器之后的电机转矩输入减法器，得到力矩观测值Tcc；从而将观测值经过负反馈，进行力矩补偿，达到调节系统的等效惯量，以此实现机械数控机床振动抑制的目的。

Description

一种基于扰动观测器的机械数控机床自身振动抑制方法
技术领域
本发明涉及一种基于扰动观测器的机械数控机床振动抑制控制方法，可应用于机械数控机床应用控制场合。
背景技术
数控机床是目前应用最广泛的机床之一，直接关系我国工业领域的发展，随着数控机床的不断更新和发展，原始的动力方式已经无法满足现在市场的需求，逐渐发展到现今的伺服系统。当前永磁同步伺服电机由于其优越的控制性能被越来越多的应用到数控机床进给系统中。为了控制机床位置的控制精准度，已经提出了基于视觉传导的传统自动控制方法，结合光电参数进行数控齿轮控制，准确修正齿轮转动惯量，但在加工过程中，仍易受到机床自身振动因素，如滑台振动的影响，不利于高精准度的要求。
针对这一问题，提出了一种基于扰动观测器的机械数控机床振动抑制控制方法。首先，永磁同步伺服电机驱动滑台后，将给定转速ωm ref和编码器采集的电机实际转速ωm之间的偏差量输入转速PI控制器，得到q轴电流的参考值iq *并给定d轴电流参考id *＝0；再根据编码器中得到的电角度θ，通过电流传感器测量电机的三相定子电流is(k)，计算得到q轴的定子电流分量iq(k)，进而可计算得到电机转矩Te；选取名义模型Gn(s)，确定低通滤波器Gq(s)结构，得到扭转力矩估计值Tc；再将其与经过低通滤波器之后的电机转矩输入减法器，得到力矩观测值Tcc；再加入负载力矩补偿模块Q(s)和前向增益模块F(s)，调节系统的等效惯量，以此实现机械数控机床振动抑制的目的。
发明内容
技术问题：针对上述说明，提出的一种基于扰动观测器的机械数控机床自身振动抑制方法，达到机械振动抑制目的，从而实现数控机床高精准度的要求，振动抑制算法简单，易于在实际系统中实现。
技术方案：一种基于扰动观测器的机械数控机床振动抑制控制方法，包括如下步骤：首先，永磁同步伺服电机驱动机床某部件后，将给定转速ωm ref和编码器采集的电机实际转速ωm之间的偏差量输入转速PI控制器，得到q轴电流的参考值iq *并给定d轴电流参考id *＝0；再根据编码器中得到的电角度θ，通过电流传感器测量电机的三相定子电流is(k)，计算得到q轴的定子电流分量iq(k)，进而可计算得到电机转矩Te；选取名义模型Gn(s)，确定低通滤波器Gq(s)结构，得到扭转力矩估计值Tc；再将其与经过低通滤波器之后的电机转矩输入减法器，得到力矩观测值Tcc；再加入负载力矩补偿模块Q(s)和前向增益模块F(s)，调节系统的等效惯量，以此实现机械数控机床振动抑制的目的。
作为优化，所述的q轴电流的参考值iq *获取方法为：将参考转速ωm ref与编码器所测得的实际转速ωm之间的差值en输入如式(1)所示的转速PI控制器GPI(s)，再经过式(2)所示的转矩给定值的等效低通滤波器Gf(s)，从而获得所述的q轴电流的参考值iq *。
Figure BDA0002847762400000021
Figure BDA0002847762400000022
其中，kp和ki分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益，s为复变量。
作为优化，所述的电机转矩Te的计算方法为：从编码器中获取永磁同步电机的电角度θ，通过电流传感器测量电机的三相定子电流is(k)，经公式(3)的Clark变换后得到定子电流的αβ轴分量iα(k)、iβ(k)，再经公式(4)的Park变换后得到k时刻定子电流的dq轴分量id(k)、iq(k)，最后由式(5)可计算得到电机转矩Te。
Figure BDA0002847762400000023
Figure BDA0002847762400000024
Figure BDA0002847762400000025
其中pn表示极对数；ψf则表示永磁同步伺服电机永磁体磁链。
作为优化，所述的扭转力矩观测值Tcc获取方法为：选取名义模型Gn(s)和低通滤波器Gq(s)分别如式(6)和式(7)所示，通过式(8)得到扭转力矩估计值Tc，再将力矩估计值Tc与经过低通滤波器Gq(s)之后的电机转矩输入减法器，得到力矩观测值Tcc。
Figure BDA0002847762400000026
式中Jm电机转轴的转动惯量。
Figure BDA0002847762400000027
式中Tq为滤波器的时间常数。
Figure BDA0002847762400000031
Figure BDA0002847762400000032
作为优化，所述的力矩补偿的实现方法为：将力矩观测值Tcc经过力矩补偿模块Q(s)后，与输入q轴电流的参考值iq *的前向增益模块F(s)进入减法器，反馈至电机转矩，达到增加系统阻尼的目的，从而实现振动抑制的效果。
Figure BDA0002847762400000033
式中，K为反馈系数，
Figure BDA0002847762400000034
F(s)＝K(JL+JL/K) (11)。
有益效果：本发明是基于扰动观测器的机械振动抑制方法，从消除负载力矩对系统转速调节的影响的角度出发，将扭转力矩进行反馈，即将通过电机转矩与扭转力矩估计值所得的负载力矩进行反馈，补偿到电机转矩给定端，就能够使被控对象特性同刚性连接负载时一样，达到较好的转速响应，以此实现机械数控机床振动抑制的目的。
附图说明
图1为机械臂的柔性连杆系统模型图；
图2为一种基于扰动观测器的机械数控机床振动抑制方法控制框图；
图3为永磁同步伺服电机驱动等效机械臂的柔性关节后的三相电流波形及转速响应波形；
图4为应用振动抑制策略后的系统转速响应波形。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
数控机床中永磁同步伺服电机驱动滑台的柔性连杆系统模型图如图1所示经过简化分析，可以将实际系统转变为一个电机-弹簧-负载的二质量系统。
如图2所示，本方法包括如下步骤：
步骤1：获取q轴电流的参考值iq *：
将参考转速ωm ref与编码器所测得的实际转速ωm之间的差值en输入如式(1)所示的转速PI控制器GPI(s)，再经过式(2)所示的转矩给定值的等效低通滤波器Gf(s)，从而获得所述的q轴电流的参考值iq *。
Figure BDA0002847762400000041
Figure BDA0002847762400000042
其中，kp和ki分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益，s为复变量。
步骤2：获取电机转矩Te的方法：
从编码器中获取永磁同步电机的电角度θ，通过电流传感器测量电机的三相定子电流is(k)，经公式(3)的Clark变换后得到定子电流的αβ轴分量iα(k)、iβ(k)，再经公式(4)的Park变换后得到k时刻定子电流的dq轴分量id(k)、iq(k)，最后由式(5)可计算得到电机转矩Te。
Figure BDA0002847762400000043
Figure BDA0002847762400000044
Figure BDA0002847762400000045
其中pn表示极对数；ψf则表示永磁同步伺服电机永磁体磁链。
步骤3：获取扭转力矩观测值Tcc：
选取名义模型Gn(s)和低通滤波器Gq(s)分别如式(6)和式(7)所示，通过式(8)得到扭转力矩估计值Tc，再将力矩估计值Tc与经过低通滤波器Gq(s)之后的电机转矩输入减法器，得到力矩观测值Tcc。
Figure BDA0002847762400000046
式中Jm电机转轴的转动惯量。
Figure BDA0002847762400000047
式中Tq为滤波器的时间常数。
Figure BDA0002847762400000051
Figure BDA0002847762400000052
步骤4：力矩补偿的实现方法：
将力矩观测值Tcc经过力矩补偿模块Q(s)后，与输入q轴电流的参考值iq *的前向增益模块F(s)进入减法器，反馈至电机转矩，达到增加系统阻尼的目的，从而实现振动抑制的效果。
Figure BDA0002847762400000053
式中，K为反馈系数，
Figure BDA0002847762400000054
F(s)＝K(JL+JL/K) (11)
本发明方法首先，永磁同步伺服电机驱动滑台后，将给定转速ωm ref和编码器采集的电机实际转速ωm之间的偏差量输入转速PI控制器，得到q轴电流的参考值iq *并给定d轴电流参考id *＝0；再根据编码器中得到的电角度θ，通过电流传感器测量电机的三相定子电流is(k)，计算得到q轴的定子电流分量iq(k)，进而可计算得到电机转矩Te；选取名义模型Gn(s)，确定低通滤波器Gq(s)结构，得到扭转力矩估计值Tc；再将其与经过低通滤波器之后的电机转矩输入减法器，得到力矩观测值Tcc；再加入负载力矩补偿模块Q(s)和前向增益模块F(s)，调节系统的等效惯量，以此实现机械数控机床振动抑制的目的。
永磁同步伺服电机驱动等效滑台的柔性关节后的三相电流波形及转速响应波形如图3所示，三相电流正弦度较好，而转速有明显的振荡现象，上升时间约为0.7s，超调σ％＝20.4％。图4为设置K＝0.3，Tq＝0.002时应用该控制策略后的系统转速波形，可以看出此时系统的抖动现象基本消除，上升时间减小为0.03s，基本无超调现象，体现了该控制策略的良好的振动抑制性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于扰动观测器的机械数控机床振动抑制控制方法，其特征在于，包括如下步骤：首先，永磁同步伺服电机驱动机床某部件后，将给定转速ωm ref和编码器采集的电机实际转速ωm之间的偏差量输入转速PI控制器，得到q轴电流的参考值iq *并给定d轴电流参考id *＝0；再根据编码器中得到的电角度θ，通过电流传感器测量电机的三相定子电流is(k)，计算得到q轴的定子电流分量iq(k)，进而可计算得到电机转矩Te；选取名义模型Gn(s)，确定低通滤波器Gq(s)结构，得到扭转力矩估计值Tc；再将其与经过低通滤波器之后的电机转矩输入减法器，得到力矩观测值Tcc；再加入负载力矩补偿模块Q(s)和前向增益模块F(s)，调节系统的等效惯量，以此实现机械数控机床振动抑制的目的。
2.根据权利要求1所述的基于扰动观测器的机械数控机床振动抑制控制方法，其特征在于：所述的q轴电流的参考值iq *获取方法为：将参考转速ωm ref与编码器所测得的实际转速ωm之间的差值en输入如式(1)所示的转速PI控制器GPI(s)，再经过式(2)所示的转矩给定值的等效低通滤波器Gf(s)，从而获得所述的q轴电流的参考值iq *；
Figure FDA0002847762390000011
Figure FDA0002847762390000012
其中，kp和ki分别为转速PI控制器的比例增益和积分增益，s为复变量。
3.根据权利要求1所述的基于扰动观测器的机械数控机床振动抑制控制方法，其特征在于：所述的电机转矩Te的计算方法为：从编码器中获取永磁同步电机的电角度θ，通过电流传感器测量电机的三相定子电流is(k)，经公式(3)的Clark变换后得到定子电流的αβ轴分量iα(k)、iβ(k)，再经公式(4)的Park变换后得到k时刻定子电流的dq轴分量id(k)、iq(k)，最后由式(5)可计算得到电机转矩Te；
Figure FDA0002847762390000013
Figure FDA0002847762390000014
Figure FDA0002847762390000015
其中pn表示极对数；ψf则表示永磁同步伺服电机永磁体磁链。
4.根据权利要求1所述的基于扰动观测器的机械数控机床振动抑制控制方法，其特征在于：所述的扭转力矩观测值Tcc获取方法为：选取名义模型Gn(s)和低通滤波器Gq(s)分别如式(6)和式(7)所示，通过式(8)得到扭转力矩估计值Tc，再将力矩估计值Tc与经过低通滤波器Gq(s)之后的电机转矩输入减法器，得到力矩观测值Tcc；
Figure FDA0002847762390000021
式中Jm电机转轴的转动惯量；
Figure FDA0002847762390000022
式中Tq为滤波器的时间常数；
Figure FDA0002847762390000023
Figure FDA0002847762390000024
。
5.根据权利要求1所述的基于扰动观测器的机械数控机床振动抑制控制方法，其特征在于：所述的力矩补偿的实现方法为：将力矩观测值Tcc经过力矩补偿模块Q(s)后，与输入q轴电流的参考值iq *的前向增益模块F(s)进入减法器，反馈至电机转矩，达到增加系统阻尼的目的，从而实现振动抑制的效果；
Figure FDA0002847762390000025
式中，K为反馈系数，
Figure FDA0002847762390000026
F(s)＝K(JL+JL/K) (11) 。
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