CN112821828B - 一种机器人关节的电机速度环振荡抑制优化方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机器人关节的电机速度环振荡抑制优化方法及装置，包括：建立机器人关节对应的永磁同步电机的数据模型；根据所述永磁同步电机的数学模型，建立速度环PI控制器；根据所述速度环PI控制器进行数据采集，获取速度反馈数据，判断所述机器人关节的运行状态，所述运行状态包括发生振荡或不发生振荡；当所述运行状态为发生振荡时，将所述速度反馈数据反馈至所述速度环PI控制器，通过预设的速度环的PI参数优化算法，对所述速度环PI控制器的参数进行优化，以消除所述机器人关节的振荡状态。本发明能够提高机器人关节的控制性能。

Description

一种机器人关节的电机速度环振荡抑制优化方法及装置
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，特别是指一种机器人关节的电机速度环振荡抑制优化方法及装置。
背景技术
关节机器人也称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一，适合用于诸多工业领域的机械自动化作业。比如，自动装配、喷漆、搬运、焊接等工作，关节机器人利用电机驱动，使用高精度永磁同步电机矢量控制系统实现机器人关节的高精度控制。
永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)具有尺寸小、惯量小、响应速度快、效率高等优点。高精度机器人关节多采用永磁同步电机与矢量(包括电机电压、电流等)控制的方法，然而当永磁同步电机矢量控制系统工作环境变化且存在多种干扰情况下将导致矢量控制系统性能下降，在一些需要高精度控制的工作场合，机器人关节的振荡将严重影响机器人关节的工作性能，需要现场人员对关节电机参数反复调试，以满足控制要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机器人关节的电机速度环振荡抑制优化方法及装置，通过建立数据采集窗口，获取速度反馈数据，将永磁同步电机速度输出值反馈至速度环PI控制器，通过建立的速度环的PI参数优化算法，进行速度环PI参数的优化，消除速度环振荡。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供以下技术方案：
一方面，提供一种机器人关节的电机速度环振荡抑制优化方法，包括以下步骤：
建立机器人关节对应的永磁同步电机的数据模型；
根据所述永磁同步电机的数据模型，建立速度环PI控制器；
根据所述速度环PI控制器进行数据采集，获取速度反馈数据，判断所述机器人关节的运行状态，所述运行状态包括发生振荡或不发生振荡；
当所述运行状态为发生振荡时，将所述速度反馈数据反馈至所述速度环PI控制器，通过预设的速度环的PI参数优化算法，对所述速度环PI控制器的参数进行优化，以消除所述机器人关节的振荡状态。
优选地，所述永磁同步电机的数据模型包括：
所述永磁同步电机的数据模型表示为：
Figure GDA0003248767430000021
其中，ωr、id、iq分别表示电机角速度、d轴电流、q轴电流，ud为d轴电压，uq为q轴电压，pn为磁极对数，L为直轴与交轴电感，ψf为转子总磁链矢量，J为转动惯量，Rs为定子电阻，TL为负载转矩，B0为摩擦系数。
优选地，所述根据所述速度环PI控制器进行数据采集，包括：
根据电流环周期设定，每5个电流环周期计算一次速度环数据，以2000个速度环数据作为数据采集的取值范围，共计取数据2000个。
优选地，获取速度反馈数据，判断所述机器人关节的运行状态，所述运行状态包括发生振荡或不发生振荡，包括：
根据所述速度反馈数据拟合出速度反馈曲线，如果发现所述速度反馈曲线发生超调振荡，即通过数据拟合的曲线上下波峰值均超出误差带的次数大于五次，则确定所述机器人关节的运行状态为发生振荡，否则为不发生振荡。
优选地，所述通过预设的速度环的PI参数优化算法，对所述速度环PI控制器的参数进行优化，包括：
同时减少所述速度环PI控制器的比例系数Pw和积分系数Iw，每次减小1％，即Pw＝Pw*99％、Iw＝Iw*99％，直到所述机器人关节的运行状态为不发生振荡为止。
另一方面，提供一种机器人关节的电机速度环振荡抑制优化装置，包括：
建立单元，用于建立机器人关节对应的永磁同步电机的数据模型；
所述建立单元，用于根据所述永磁同步电机的数据模型，建立速度环PI控制器；
判断单元，用于根据所述速度环PI控制器进行数据采集，获取速度反馈数据，判断所述机器人关节的运行状态，所述运行状态包括发生振荡或不发生振荡；
优化单元，用于当所述运行状态为发生振荡时，将所述速度反馈数据反馈至所述速度环PI控制器，通过预设的速度环的PI参数优化算法，对所述速度环PI控制器的参数进行优化，以消除所述机器人关节的振荡状态。
优选地，所述永磁同步电机的数据模型包括：
所述永磁同步电机的数据模型表示为：
Figure GDA0003248767430000031
其中，ωr、id、iq分别表示电机角速度、d轴电流、q轴电流，ud为d轴电压，uq为q轴电压，pn为磁极对数，L为直轴与交轴电感，ψf为转子总磁链矢量，J为转动惯量，Rs为定子电阻，TL为负载转矩，B0为摩擦系数。
优选地，所述判断单元，用于：
根据电流环周期设定，每5个电流环周期计算一次速度环数据，以2000个速度环数据作为数据采集的取值范围，共计取数据2000个。
优选地，所述判断单元，用于：
根据所述速度反馈数据拟合出速度反馈曲线，如果发现所述速度反馈曲线发生超调振荡，即通过数据拟合的曲线上下波峰值均超出误差带的次数大于五次，则确定所述机器人关节的运行状态为发生振荡，否则为不发生振荡。
优选地，所述优化单元，用于：
同时减少所述速度环PI控制器的比例系数Pw和积分系数Iw，每次减小1％，即Pw＝Pw*99％、Iw＝Iw*99％，直到所述机器人关节的运行状态为不发生振荡为止。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明实施例中，将基于数据驱动的方法应用到永磁同步电机矢量控制系统速度环PI参数优化中，能够提高矢量控制系统的控制性能，解决了机器人关节在一些高精度控制工作场合振荡问题，从而显著提高机器人关节的控制性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种机器人关节的电机速度环振荡抑制优化方法的流程图；
图2为本发明实施例中根据永磁同步电机的数据模型建立速度环PI控制器的过程示意图；
图3为本发明实施例中简化得到永磁同步电机矢量控制系统速度环PI控制器示意图；
图4为本发明实施例中采用电流内环转速外环双闭环控制过程示意图；
图5为本发明实施例中数据采集算法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明的实施例首先提供了一种机器人关节的电机速度环振荡抑制优化方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
建立机器人关节对应的永磁同步电机的数据模型；
根据所述永磁同步电机的数据模型，建立速度环PI控制器；
根据所述速度环PI控制器进行数据采集，获取速度反馈数据，判断所述机器人关节的运行状态，所述运行状态包括发生振荡或不发生振荡；
当所述运行状态为发生振荡时，将所述速度反馈数据反馈至所述速度环PI控制器，通过预设的速度环的PI参数优化算法，对所述速度环PI控制器的参数进行优化，以消除所述机器人关节的振荡状态。
本发明实施例中，将基于数据驱动的方法应用到永磁同步电机矢量控制系统速度环PI参数优化中，能够提高矢量控制系统的控制性能，解决了机器人关节在一些高精度控制工作场合振荡问题，从而显著提高机器人关节的控制性能。
进一步地，所述永磁同步电机的数据模型包括：
所述永磁同步电机的数据模型表示为：
Figure GDA0003248767430000051
其中，ωr、id、iq分别表示电机角速度、d轴电流、q轴电流，ud为d轴电压，uq为q轴电压，pn为磁极对数，L为直轴与交轴电感，ψf为转子总磁链矢量，J为转动惯量，Rs为定子电阻，TL为负载转矩，B0为摩擦系数。
进一步地，根据所述永磁同步电机的数据模型，建立速度环PI控制器的过程如图2所示，其中，wref为速度给定值，Toi为滤波时间常数，ASR为转速调节器，T为惯性环节综合时间常数，KL,Kt为放大系数，Jm转动惯量，Rs定子电阻，B为摩擦系数，JL为负载转动惯量，s表示拉氏变换，Ks为电流检测方法系数，Ti为速度环滤波时间常数，wr为转子角速度，s表示拉氏变换。
进一步地，简化得到永磁同步电机矢量控制系统速度环PI控制器如图3所示。其中，wref为速度给定值，ASR为转速调节器，T为惯性环节综合时间常数，KL,Kt为放大系数，Jm电子转子转动惯量，Rs定子电阻，B为摩擦系数，JL为负载转动惯量，Ks为电流检测方法系数，Ti为速度环滤波时间常数，wr为转子角速度，s表示拉氏变换。
进一步地，所述根据所述速度环PI控制器进行数据采集，包括：
设计动态数据采集窗口，窗口取值范围选取如下：根据电流环周期设定，每5个电流环周期计算一次速度环数据，以2000个速度环数据作为数据采集的取值范围，共计取数据2000个。
进一步地，所述获取速度反馈数据，判断所述机器人关节的运行状态，所述运行状态包括发生振荡或不发生振荡，包括：
根据所述速度反馈数据拟合出速度反馈曲线，如果发现所述速度反馈曲线发生超调振荡，即通过数据拟合的曲线上下波峰值均超出误差带的次数大于五次，则确定所述机器人关节的运行状态为发生振荡，否则为不发生振荡。
进一步地，所述通过预设的速度环的PI参数优化算法，对所述速度环PI控制器的参数进行优化，包括：
同时减少所述速度环PI控制器的比例系数Pw和积分系数Iw，每次减小1％，即Pw＝Pw*99％、Iw＝Iw*99％，直到所述机器人关节的运行状态为不发生振荡为止。
在前述机器人关节的电机速度环振荡抑制优化方法的具体实施方式中，进一步地，所述方法还包括：
将系统当前指标参数与系统给定指标参数进行比较，根据参数的比较结果，通过基于数据驱动算法的规则进行参数优化。
作为本发明的一种具体实施方式，如图4所示，采用电流内环，转速外环双闭环控制的过程为：将转速参考值ω*与转速检测器检测到的电机角速度ωr作差得到差值，差值通过速度控制器经过参数优化后输出的q轴电流参考值Iq*与q轴电流Iq作差，d轴电流参考值Id *和d轴电流Id作差，经过基于数据驱动的PI电流控制器得到控制电压d轴电压ud和q轴电压uq，ud和uq经过二相旋转坐标系到两相静止坐标系变换后，输出两相静止αβ坐标系下的控制电压值uα和uβ，uα和uβ经空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)，将输出的三相电压控制信号输入逆变器，从而对永磁同步电机进行控制；逆变器输出的A、B、C三相电流值ia,ib,ic经过3s/2s(三相静止坐标系变换到二相静止坐标系)变换后输出两相静止αβ坐标系下的电流iα,iβ，iα,iβ经过2s/2r(两相静止坐标系变换到二相旋转坐标系)后输出d、q轴电流Id,Iq,反馈至比较器，与电流参考值
Figure GDA0003248767430000061
Id *比较形成控制闭环。
作为本发明的一种具体实施方式，如图5所示，数据采集窗口算法流程为：比较这一时刻指令输出ω* k+1与指令给定ω* k，
Figure GDA0003248767430000071
若指令差值
Figure GDA0003248767430000072
小于给定值Δ1，
Figure GDA0003248767430000073
认为系统进入稳态，在系统进入稳定状态的情况下，采集速度反馈数据，通过数据拟合的曲线上下波峰值连续五次均超出误差带Δ2以上视为振荡，即峰值e∞＞Δ2，认为系统振荡，速度反馈拟合曲线每超过一次误差带计数器counter1加1，满5次进行一次参数调整，比例系数P减小百分之一，积分系数I减小百分之一。若发现速度给定变化，计数器counter1清零，重新采集数据，共采集2000个速度环数据，完成一次参数整定。
此外，本发明的实施例还提供了一种机器人关节的电机速度环振荡抑制优化装置，所述装置包括：
建立单元，用于建立机器人关节对应的永磁同步电机的数据模型；
所述建立单元，用于根据所述永磁同步电机的数据模型，建立速度环PI控制器；
判断单元，用于根据所述速度环PI控制器进行数据采集，获取速度反馈数据，判断所述机器人关节的运行状态，所述运行状态包括发生振荡或不发生振荡；
优化单元，用于当所述运行状态为发生振荡时，将所述速度反馈数据反馈至所述速度环PI控制器，通过预设的速度环的PI参数优化算法，对所述速度环PI控制器的参数进行优化，以消除所述机器人关节的振荡状态。
进一步地，所述永磁同步电机的数据模型包括：
所述永磁同步电机的数据模型表示为：
Figure GDA0003248767430000074
其中，ωr、id、iq分别表示电机角速度、d轴电流、q轴电流，ud为d轴电压，uq为q轴电压，pn为磁极对数，L为直轴与交轴电感，ψf为转子总磁链矢量，J为转动惯量，Rs为定子电阻，TL为负载转矩，B0为摩擦系数。
进一步地，所述判断单元，用于：
根据电流环周期设定，每5个电流环周期计算一次速度环数据，以2000个速度环数据作为数据采集的取值范围，共计取数据2000个。
进一步地，所述判断单元，用于：
根据所述速度反馈数据拟合出速度反馈曲线，如果发现所述速度反馈曲线发生超调振荡，即通过数据拟合的曲线上下波峰值均超出误差带的次数大于五次，则确定所述机器人关节的运行状态为发生振荡，否则为不发生振荡。
进一步地，所述优化单元，用于：
同时减少所述速度环PI控制器的比例系数Pw和积分系数Iw，每次减小1％，即Pw＝Pw*99％、Iw＝Iw*99％，直到所述机器人关节的运行状态为不发生振荡为止。
综上所述，本发明提供的种基于数据驱动的机器人关节的电机速度环振荡抑制优化方法及装置，无需额外的硬件设备，通过直接在永磁同步电机矢量控制系统数据模型上进行设计，将系统当前指标参数与系统给定指标参数进行比较，根据参数的比较结果，判断机器人关节运动状态，通过基于数据驱动的规则进行参数优化，能够解决高精度控制场合机器人关机振荡的问题，提高系统控制性能。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，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 (2)

1.一种机器人关节的电机速度环振荡抑制优化方法，其特征在于，所述机器人关节的电机速度环振荡抑制优化方法包括：
建立机器人关节对应的永磁同步电机的数据模型；
根据所述永磁同步电机的数据模型，建立速度环PI控制器；
根据所述速度环PI控制器进行数据采集，获取速度反馈数据，判断所述机器人关节的运行状态，所述运行状态包括发生振荡或不发生振荡；
当所述运行状态为发生振荡时，将所述速度反馈数据反馈至所述速度环PI控制器，通过预设的速度环的PI参数优化算法，对所述速度环PI控制器的参数进行优化，以消除所述机器人关节的振荡状态；
所述永磁同步电机的数据模型包括：
所述永磁同步电机的数据模型表示为：
Figure FDA0003248767420000011
其中，ωr、id、iq分别表示电机角速度、d轴电流、q轴电流，ud为d轴电压，uq为q轴电压，pn为磁极对数，L为直轴与交轴电感，ψf为转子总磁链矢量，J为转动惯量，Rs为定子电阻，TL为负载转矩，B0为摩擦系数；
所述根据所述速度环PI控制器进行数据采集，包括：
根据电流环周期设定，每5个电流环周期计算一次速度环数据，以2000个速度环数据作为数据采集的取值范围，共计取数据2000个；
获取速度反馈数据，判断所述机器人关节的运行状态，所述运行状态包括发生振荡或不发生振荡，包括：
根据所述速度反馈数据拟合出速度反馈曲线，如果发现所述速度反馈曲线发生超调振荡，即通过数据拟合的曲线上下波峰值均超出误差带的次数大于五次，则确定所述机器人关节的运行状态为发生振荡，否则为不发生振荡；
所述通过预设的速度环的PI参数优化算法，对所述速度环PI控制器的参数进行优化，包括：
同时减少所述速度环PI控制器的比例系数Pw和积分系数Iw，每次减小1％，即Pw＝Pw*99％、Iw＝Iw*99％，直到所述机器人关节的运行状态为不发生振荡为止。
2.一种机器人关节的电机速度环振荡抑制优化装置，其特征在于，所述机器人关节的电机速度环振荡抑制优化装置包括：
建立单元，用于建立机器人关节对应的永磁同步电机的数据模型；
所述建立单元，用于根据所述永磁同步电机的数据模型，建立速度环PI控制器；
判断单元，用于根据所述速度环PI控制器进行数据采集，获取速度反馈数据，判断所述机器人关节的运行状态，所述运行状态包括发生振荡或不发生振荡；
优化单元，用于当所述运行状态为发生振荡时，将所述速度反馈数据反馈至所述速度环PI控制器，通过预设的速度环的PI参数优化算法，对所述速度环PI控制器的参数进行优化，以消除所述机器人关节的振荡状态；
所述永磁同步电机的数据模型包括：
所述永磁同步电机的数据模型表示为：
Figure FDA0003248767420000021
其中，ωr、id、iq分别表示电机角速度、d轴电流、q轴电流，ud为d轴电压，uq为q轴电压，pn为磁极对数，L为直轴与交轴电感，ψf为转子总磁链矢量，J为转动惯量，Rs为定子电阻，TL为负载转矩，B0为摩擦系数；
所述判断单元，用于：
根据电流环周期设定，每5个电流环周期计算一次速度环数据，以2000个速度环数据作为数据采集的取值范围，共计取数据2000个；
所述判断单元，用于：
根据所述速度反馈数据拟合出速度反馈曲线，如果发现所述速度反馈曲线发生超调振荡，即通过数据拟合的曲线上下波峰值均超出误差带的次数大于五次，则确定所述机器人关节的运行状态为发生振荡，否则为不发生振荡；
所述优化单元，用于：
同时减少所述速度环PI控制器的比例系数Pw和积分系数Iw，每次减小1％，即Pw＝Pw*99％、Iw＝Iw*99％，直到所述机器人关节的运行状态为不发生振荡为止。
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