CN112880808A - 自适应的振动频率检测方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种自适应的振动频率检测方法、装置、电子设备及存储介质，其中，方法包括：接收伺服系统的输入信号；利用低通滤波器和高通滤波器检测得到输入信号的振动频率的振动幅度；根据振动幅度修改PI调节器的增益值，并利用PI调节器基于振动频率的测量值进行频率调整，直至得到最高振动幅度，得到振动频率的实际值。由此，解决了相关技术中获取振动频率时，通用性不强、计算量较大，适用范围小的问题，增加了算法的鲁棒性，简单易于实现。

Description

自适应的振动频率检测方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本申请涉及频率检测技术领域，特别涉及一种自适应的振动频率检测方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

不论是工业还是半导体装备领域，伺服系统广泛应用于机械装置的位置控制，因为伺服电机与机械的连接并不是理想的刚性连接，机械结构对电机的响应存在共振和相位延时，所以过高的增益会使机械产生振动，从而使伺服系统无法达到高速高精度的控制需求。为了抑制机械振动，提高伺服系统的带宽，在伺服的速度环前后需要增加振动抑制的算法，比如在速度环前增加中频振动抑制算法(100～500Hz)，或者在速度环后增加陷波滤波器。

相关技术中，获取振动频率的方式主要有以下三种：(1)理论计算；(2)离线自整定；(3)在线FFT。

然而，通过直接计算获得共振频率的方法实用性，通用性都不强；离线自整定方法有一定的使用范围，并不能保证在实际应用中能达到很好的振动抑制效果；在线FFT会大量占据驱动器的计算资源，不伺服驱动器的性能扩展。

申请内容

本申请提供一种自适应的振动频率检测方法、装置、电子设备及存储介质，以解决相关技术中获取振动频率时，通用性不强、计算量较大，适用范围小的问题，增加了算法的鲁棒性，简单易于实现。

本申请第一方面实施例提供一种自适应的振动频率检测方法，包括以下步骤：

接收伺服系统的输入信号；

利用低通滤波器和高通滤波器检测得到输入信号的振动频率的振动幅度；以及

根据所述振动幅度修改PI调节器的增益值，并利用所述PI调节器基于所述振动频率的测量值进行频率调整，直至得到最高振动幅度，得到所述振动频率的实际值。

可选地，所述低通滤波器和所述高通滤波器对称设计，且有共同的截止频率。

可选地，所述利用所述PI调节器基于所述振动频率的测量值进行频率调整，包括：

检测是否发生振动；

若发生振动，则检测滤波器前后的振动量，得出所述振动量的平均值和均方差。

可选地，所述PI调节器的增益值的增益切换规律为：

abs(K_p(k+1)-K_p(k))≤0.1，

其中，K_P为增益常数，G_l为增益下界，G_h为增益上界值，K_p(k+1)为第k+1时刻的增益值，K_p(k)为第k时刻的增益值。

可选地，所述低通滤波器采用二阶Butterworth低通。

本申请第二方面实施例提供一种自适应的振动频率检测装置，包括：

接收模块，用于接收伺服系统的输入信号；

检测模块，用于利用低通滤波器和高通滤波器检测得到输入信号的振动频率的振动幅度；以及

获取模块，用于根据所述振动幅度修改PI调节器的增益值，并利用所述PI调节器基于所述振动频率的测量值进行频率调整，直至得到最高振动幅度，得到所述振动频率的实际值；

其中，所述低通滤波器和所述高通滤波器对称设计，且有共同的截止频率。

可选地，所述获取模块，包括：

检测单元，用于检测是否发生振动；

获取单元，用于在发生振动时，检测滤波器前后的振动量，得出所述振动量的平均值和均方差。

可选地，所述PI调节器的增益值的增益切换规律为：

abs(K_p(k+1)-K_p(k))≤0.1，

其中，K_P为增益常数，G_l为增益下界，G_h为增益上界值，K_p(k+1)为第k+1时刻的增益值，K_p(k)为第k时刻的增益值。

本申请第三方面实施例提供一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被设置为用于执行如上述实施例所述的自适应的振动频率检测方法。

本申请第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上述实施例所述的自适应的振动频率检测方法。

由此，可以接收伺服系统的输入信号，并利用低通滤波器和高通滤波器检测得到输入信号的振动频率的振动幅度，并根据振动幅度修改PI调节器的增益值，并利用PI调节器基于振动频率的测量值进行频率调整，直至得到最高振动幅度，得到振动频率的实际值，解决了相关技术中获取振动频率时，通用性不强、计算量较大，适用范围小的问题，增加了算法的鲁棒性，简单易于实现。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本申请实施例提供的一种自适应的振动频率检测方法的流程图；

图2为根据本申请一个实施例的自适应的振动频率检测原理的示例图；

图3为根据本申请一个实施例的滤波器比较的示例图；

图4为根据本申请一个实施例的增益切换的实测结果的示例图；

图5为根据本申请实施例自适应的振动频率检测装置的方框示例图；

图6为根据本申请实施例的电子设备的方框示例图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的自适应的振动频率检测方法、装置、电子设备及存储介质。

在介绍本申请实施例的自适应的振动频率检测方法之前，先简单介绍下相关技术中获取振动频率的方法。

(1)理论计算；

伺服系统的共振频率为：

其中，K_s为连接的刚度，J_M、J_L分别为电机转子、负载的惯量。实际的控制系统是很难同时确定刚度、电机转子惯量和负载惯量的值，所以，在设计控制系统时，理论计算更多是给予的指导作用。通过直接计算获得共振频率的方法实用性，通用性都不强。

(2)离线自整定；

对机械系统进行离线自整定是许多伺服驱动器厂商的做法，在该方法中，通过伺服驱动器向机械系统施加一个宽频的干扰信号，测试记录系统位置对干扰信号的响应数据，通过对响应数据进行DFT(数字傅里叶变换)计算，得出机械系统的频率响应的幅度和相位曲线，从响应曲线中分辨出振动频率。离线自整定方法能够很好地分辨出振动频率，实用性很强。但是，实际的机械系统是一个非线性时变系统，刚度、负载惯量都可能发生变化，如连接刚度进入非线性区，机械臂处于不同的位姿。所以离线自整定方法有一定的使用范围，并不能保证在实际应用中能达到很好的振动抑制效果。

(3)在线FFT；

为了满足对非线性时变系统进行振动抑制的需求，弥补上述自整定方法的不足，有驱动器厂商在驱动器内部增加在线FFT的功能。FFT，快速傅里叶变换，是DFT的优化计算版本。即使FFT能有效减少计算量，但是计算量仍然很大，比如，对252个数据进行FFT，在保证精度的前提大约需要4000多个浮点数乘法，伺服驱动器在短时内完成这些计算，负担是很重的。所以，虽然在线FFT能检测出振动频率的偏移，对振动频率进行自适应的调整，但是会大量占据驱动器的计算资源，不伺服驱动器的性能扩展。

本申请正是基于上述问题而提供了一种自适应的振动频率检测方法，在该方法中，可以接收伺服系统的输入信号，并利用低通滤波器和高通滤波器检测得到输入信号的振动频率的振动幅度，并根据振动幅度修改PI调节器的增益值，并利用PI调节器基于振动频率的测量值进行频率调整，直至得到最高振动幅度，得到振动频率的实际值，解决了相关技术中获取振动频率时，通用性不强、计算量较大，适用范围小的问题，增加了算法的鲁棒性，简单易于实现。

图1为本申请实施例所提供的一种自适应的振动频率检测方法的流程示意图。

该实施例中，本申请实施例的自适应的振动频率检测方法的原理如图2所示。其中，低通滤波器LP和高通滤波器HP是对称设计，有共同的截止频率；如果振动频率在滤波器的通带内，则滤波器输出不为零，即abs(u)大于零，通过比较低通与高通的输出，可以判断出振动频率相对截止频率的位置：

error大于零，振动频率在HP的通带内，在截止频率的右侧；

error小于零，振动频率在LP的通带内，在截止频率的左侧；

error等于零，截止频率即为振动频率。

振动频率自适应律是由三个模块组成的调节器：振动量检测，PI控制器，PI增益自调整。其中，调节器根据error值完成自适应及调节截止频率，使得error最终为零；f为检测出的振动频率实时输出值。

具体而言，如图1所示，该自适应的振动频率检测方法包括以下步骤：

在步骤S101中，接收伺服系统的输入信号。

接收伺服系统的输入信号的方式与相关技术中相同，为避免冗余，在此不作详细赘述。

在步骤S102中，利用低通滤波器和高通滤波器检测得到输入信号的振动频率的振动幅度。

可选地，在一些实施例中，低通滤波器和高通滤波器对称设计，且有共同的截止频率。

可选地，在一些实施例中，低通滤波器采用二阶Butterworth低通。

可以理解的是，由于滤波器的设计尤为重要，并且因为低通滤波器和高通滤波器对称设计，且有共同的截止频率，因此，本申请实施例仅需要分析低通滤波器，低通滤波器的选择应遵循以下原则：

(1)滤波器参数计算足够简单，以增加更新速度；

(2)截止频率处衰减足够快，以出现明显的频率分辨率；

(3)滤波器延时足够小，以适应实时性要求。

如图3所示，图3为几种常用的滤波器的幅频特性和延时特性，其中，

线条1为一阶低通滤波器(1st LP)：

线条2为二阶低通滤波器(2nd LP)：

线条3为二阶Butterworth低通滤波器，线条4为三阶Butterworth低通滤波器，其中，n为阶数：

根据图3可以看出，一阶低通滤波器截止频率处衰减慢，频率分辨率差；二阶低通滤波器由于是一阶低通滤波器的简单相乘，截止频率失真，并且相位延时过大；二阶、三阶Butterworth低通滤波器可以满足上述第2点，由于Butterworth滤波器参数计算容易转换成实数计算，并且高通Butterworth与低通Butterworth参数计算有重合，在实时系统中可以快速更新，适合上述选择原则的第1点；二阶Butterworth已经出现明显的频率分辨率，并且延时比三阶小。

因此，本申请实施例中低通滤波器采用二阶Butterworth低通，即选择二阶Butterworth低通滤波器与高通滤波器用于频率搜索，同时满足实时性和提高频率分辨率。

在步骤S103中，根据振动幅度修改PI调节器的增益值，并利用PI调节器基于振动频率的测量值进行频率调整，直至得到最高振动幅度，得到振动频率的实际值。

可选地，在一些实施例中，利用PI调节器基于振动频率的测量值进行频率调整，包括：检测是否发生振动；若发生振动，则检测滤波器前后的振动量，得出振动量的平均值和均方差。

可以理解的是，本申请实施例可以在检测到发生振动时，检测滤波器前后的振动量。其中，振动量的检测是基于移动平均滤波器的原理，得出平均值E_n和均方差V_n。

假设初始值：

E₁＝0，V₁＝0；

对于1＜n＜n_max，

其中，n_max定义的测量周期，即所测量均值和方差由多少个输入的u值计算所得。n_max的选择至少能覆盖最低振动周期的半个周期，如果算法适用的最低振动频率为100Hz，驱动器算法执行频率为8000Hz，n_max至少为40。

需要说明的是，本申请中一共引用两次振动量检测，分别检测输入信号u及经过滤波器后error的方差V_e，V_error，如图2所示，由此进行PI自适应调节。

由此，集合滤波及幅度检测，用精确检测出的幅度值可以有效地控制算法的开关，增加了算法的鲁棒性。

进一步地，PI调节器是具体实现频率的检测工作，其工作过程为：如果HP(u)大于LP(u)，则PI将振动频率估算值减少，相反，PI将振动频率估算值增大，直到HP(u)等于LP(u)，即error＝0，此时，估算出振动频率值接近真实值。

本申请中PI控制器采用以下形式，

其中，τ为积分常数，当系统处于稳态时，用于消除输出静差，一般设置10T_s≤τ≤100T_s即可。K_P为增益常数，对于控制系统的稳定性及快速收敛具有决定性作用。

由此，选择PI调节器进行频率搜索，相对于在线FFT，能大大减少伺服驱动器的计算负担，驱动器能够有更多的资源开发其它算法，有利于提高驱动器性能。

可选地，在一些实施例中，PI调节器的增益值的增益切换规律为：

abs(K_p(k+1)-K_p(k))≤0.1，

其中，K_P为增益常数，G_l为增益下界，G_h为增益上界值，K_p(k+1)为第k+1时刻的增益值，K_p(k)为第k时刻的增益值。

结合图2可知，在频率偏差较大，即error较大时，增益较少，反之，增益较大，使得error*J_p处于合理范围，保证一定的收敛速度，同时，限制增益切换时间，不至于对控制系统扰动过大。

通过上述的增益切换的实测结果可以如图4所示，可以看出，通过增益切换使可以平稳快速地搜索到振动频率。

由此，通过对PI增益增加了自适应功能，根据输入振动幅度，实时修改增益值，保证了对于不同振动幅度，本方法对频率的检测仍然有可控的收敛速度

根据本申请实施例提出的自适应的振动频率检测方法，可以接收伺服系统的输入信号，并利用低通滤波器和高通滤波器检测得到输入信号的振动频率的振动幅度，并根据振动幅度修改PI调节器的增益值，并利用PI调节器基于振动频率的测量值进行频率调整，直至得到最高振动幅度，得到振动频率的实际值，解决了相关技术中获取振动频率时，通用性不强、计算量较大，适用范围小的问题，增加了算法的鲁棒性，简单易于实现。

其次参照附图描述根据本申请实施例提出的自适应的振动频率检测装置。

图5是本申请实施例的自适应的振动频率检测装置的方框示意图。

如图5所示，该自适应的振动频率检测装置10包括：接收模块100、检测模块200和获取模块300。

其中，接收模块100用于接收伺服系统的输入信号；

检测模块200用于利用低通滤波器和高通滤波器检测得到输入信号的振动频率的振动幅度；以及

获取模块300用于根据振动幅度修改PI调节器的增益值，并利用PI调节器基于振动频率的测量值进行频率调整，直至得到最高振动幅度，得到振动频率的实际值；

其中，低通滤波器和高通滤波器对称设计，且有共同的截止频率。

可选地，获取模块300包括：

检测单元，用于检测是否发生振动；

获取单元，用于在发生振动时，检测滤波器前后的振动量，得出振动量的平均值和均方差。

可选地，PI调节器的增益值的增益切换规律为：

abs(K_p(k+1)-K_p(k))≤0.1，

其中，K_P为增益常数，G_l为增益下界，G_h为增益上界值，K_p(k+1)为第k+1时刻的增益值，K_p(k)为第k时刻的增益值。

需要说明的是，前述对自适应的振动频率检测方法实施例的解释说明也适用于该实施例的自适应的振动频率检测装置，此处不再赘述。

根据本申请实施例提出的自适应的振动频率检测装置，可以接收伺服系统的输入信号，并利用低通滤波器和高通滤波器检测得到输入信号的振动频率的振动幅度，并根据振动幅度修改PI调节器的增益值，并利用PI调节器基于振动频率的测量值进行频率调整，直至得到最高振动幅度，得到振动频率的实际值，解决了相关技术中获取振动频率时，通用性不强、计算量较大，适用范围小的问题，增加了算法的鲁棒性，简单易于实现。

图6为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括：

存储器601、处理器602及存储在存储器601上并可在处理器602上运行的计算机程序。

处理器602执行程序时实现上述实施例中提供的自适应的振动频率检测方法。

进一步地，电子设备还包括：

通信接口603，用于存储器601和处理器602之间的通信。

存储器601，用于存放可在处理器602上运行的计算机程序。

存储器601可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

如果存储器601、处理器602和通信接口603独立实现，则通信接口603、存储器601和处理器602可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、外部设备互连(PeripheralComponent，简称为PCI)总线或扩展工业标准体系结构(Extended Industry StandardArchitecture，简称为EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图6中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

可选的，在具体实现上，如果存储器601、处理器602及通信接口603，集成在一块芯片上实现，则存储器601、处理器602及通信接口603可以通过内部接口完成相互间的通信。

处理器602可能是一个中央处理器(Central Processing Unit，简称为CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如上的自适应的振动频率检测方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是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，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，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模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种自适应的振动频率检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收伺服系统的输入信号；

利用低通滤波器和高通滤波器检测得到输入信号的振动频率的振动幅度；以及

根据所述振动幅度修改PI调节器的增益值，并利用所述PI调节器基于所述振动频率的测量值进行频率调整，直至得到最高振动幅度，得到所述振动频率的实际值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低通滤波器和所述高通滤波器对称设计，且有共同的截止频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述PI调节器基于所述振动频率的测量值进行频率调整，包括：

检测是否发生振动；

若发生振动，则检测滤波器前后的振动量，得出所述振动量的平均值和均方差。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PI调节器的增益值的增益切换规律为：

K_P＝G_l，

K_P＝G_h，

abs(K_p(k+1)-K_p(k))≤0.1，

其中，K_P为增益常数，G_l为增益下界，G_h为增益上界值，K_p(k+1)为第k+1时刻的增益值，K_p(k)为第k时刻的增益值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低通滤波器采用二阶Butterworth低通。

6.一种自适应的振动频率检测装置，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收伺服系统的输入信号；

检测模块，用于利用低通滤波器和高通滤波器检测得到输入信号的振动频率的振动幅度；以及

获取模块，用于根据所述振动幅度修改PI调节器的增益值，并利用所述PI调节器基于所述振动频率的测量值进行频率调整，直至得到最高振动幅度，得到所述振动频率的实际值；

其中，所述低通滤波器和所述高通滤波器对称设计，且有共同的截止频率。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获取模块，包括：

检测单元，用于检测是否发生振动；

获取单元，用于在发生振动时，检测滤波器前后的振动量，得出所述振动量的平均值和均方差。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述PI调节器的增益值的增益切换规律为：

K_P＝G_l，

K_P＝G_h，

abs(K_p(k+1)-K_p(k))≤0.1，

其中，K_P为增益常数，G_l为增益下界，G_h为增益上界值，K_p(k+1)为第k+1时刻的增益值，K_p(k)为第k时刻的增益值。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求1-5任一项所述的自适应的振动频率检测方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-5任一项所述的自适应的振动频率检测方法。

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