CN112928961A - 一种机器人关节电机的电流环优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人关节电机的电流环优化方法及装置，所述方法包括：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学模型，建立电流环PI控制器；根据所述电流环PI控制器进行数据采集，获取电流反馈数据，所述电流反馈数据包括所述永磁同步电机的转矩与励磁电流输出值；将所述永磁同步电机的转矩与励磁电流输出值反馈至所述电流环PI控制器，根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化。采用本发明，能够显著提高机器人关节的转矩特性与关节动态响应性能。

Description

一种机器人关节电机的电流环优化方法及装置

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电机的电流环优化方法及装置。

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，机器人关节响应变慢，在一些高速控制工作场合，影响机器人关节的转矩特性。需要现场人员对关节电机参数反复调试，达到满意的动态性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人关节电机的电流环优化方法及装置，通过建立数据采集窗口，获取电流反馈数据，判断电流给定没有变化的情况下将永磁同步电机电流输出值反馈至电流环PI控制器，通过建立的电流环的PI参数优化算法求得相应的动态与稳态指标并与给定指标对比后，进行电流环PI参数的优化，从而提高机器人关节的控制精度和抗干扰能力，解决永磁同步电机矢量控制系统由于环境或负载变化控制性能下降的问题。

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电机的电流环优化方法，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学模型，建立电流环PI控制器；

根据所述电流环PI控制器进行数据采集，获取电流反馈数据，所述电流反馈数据包括所述永磁同步电机的转矩与励磁电流输出值；

将所述永磁同步电机的转矩与励磁电流输出值反馈至所述电流环PI控制器，根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化。

优选地，所述永磁同步电机的数据模型为：

其中，ω_r、i_d、i_q分别表示电机角速度、d轴电流、q轴电流，u_d为d轴电压，u_q为q轴电压，p_n为磁极对数，L为直轴与交轴电感，ψ_f为转子总磁链矢量，J为转动惯量，R_s为定子电阻，T_L为负载转矩，B为摩擦系数。

优选地，所述根据所述电流环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，所述获取电流反馈数据，包括：

采用定矢量变换角参数整定的方法，将矢量控制中坐标变换角度固定为θ₀；

采用励磁电流给定I_d*＝0控制方式，将转矩电流给定I_q*设定为电机的额定值，重复多次采用转矩电流信号激励所述电流环PI控制器，采集所述电流环PI控制器反馈的转矩电流波形。

优选地，所述根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化，包括：

根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化；

根据优化后的电流环PI控制器的参数，判断当前机器人的永磁同步电机的特性状态是否为特性软；

如果当前机器人的永磁同步电机的特性状态为特性软，则继续对根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化，否则，停止优化。

优选地，所述根据优化后的电流环PI控制器的参数，判断当前机器人的永磁同步电机的特性状态是否为特性软，包括：

对优化后的电流环进行数据采集，获取电流反馈数据，根据所述电流反馈数据，计算得到上升时间；

将所述上升时间与预设的上升时间基准值进行比较，如果所述上升时间大于所诉上升时间基准值，则判断当前机器人的永磁同步电机的特征状态为特性软，否则判断当前机器人的永磁同步电机的特征状态不是特征软。

优选地，所述对所述电流环PI控制器的参数进行优化，包括：

增加所述电流环PI控制器的比例系数P_w，每次增加1％，即P_w＝P_w*101％。

另一方面，提供一种机器人关节电机的电流环优化装置，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学模型，建立电流环PI控制器；

获取单元，用于根据所述电流环PI控制器进行数据采集，获取电流反馈数据，所述电流反馈数据包括所述永磁同步电机的转矩与励磁电流输出值；

优化单元，用于将所述永磁同步电机的转矩与励磁电流输出值反馈至所述电流环PI控制器，根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化。

优选地，所述获取单元，用于：

采用定矢量变换角参数整定的装置，将矢量控制中坐标变换角度固定为θ₀；

采用励磁电流给定I_d*＝0控制方式，将转矩电流给定I_q*设定为电机的额定值，重复多次采用转矩电流信号激励所述电流环PI控制器，采集所述电流环PI控制器反馈的转矩电流波形。

优选地，所述优化单元，用于：

根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化；

根据优化后的电流环PI控制器的参数，判断当前机器人的永磁同步电机的特性状态是否为特性软；

如果当前机器人的永磁同步电机的特性状态为特性软，则继续对根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化，否则，停止优化。

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电流环PI参数优化中，能够提高矢量控制系统的控制性能。尤其在一些高速控制工作场合，能够解决由于机器人关节响应变慢而影响机器人关节使用效果的问题，无需现场人员对关节电机参数进行反复调试，即可达到满意的动态性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种机器人关节电机的电流环优化方法的流程图；

图2为本发明实施例中对永磁同步电机数学模型进行等效变换的示意图；

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电流环PI控制器的示意图；

图4为本发明实施例中基于数据驱动的机器人关节伺服电机的电流环优化方法的工作原理示意图；

图5为本发明实施例中基于数据驱动的机器人关节伺服电机的电流环优化方法数据窗口设计流程图。

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一种机器人关节电机的电流环优化方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

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学模型，建立电流环PI控制器；

根据所述电流环PI控制器进行数据采集，获取电流反馈数据，所述电流反馈数据包括所述永磁同步电机的转矩与励磁电流输出值；

将所述永磁同步电机的转矩与励磁电流输出值反馈至所述电流环PI控制器，根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化。

本发明方法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电流环PI参数优化中，通过建立数据采集窗口，获取电流反馈数据，判断电流给定没有变化的情况下将永磁同步电机电流输出值反馈至电流环PI控制器，通过建立的电流环的PI参数优化算法求得相应的动态与稳态指标并与给定指标对比后，进行电流环PI参数的优化，从而提高机器人关节的控制精度和抗干扰能力，解决永磁同步电机矢量控制系统由于环境或负载变化控制性能下降的问题。

进一步地，所述永磁同步电机的数据模型为：

其中，ω_r、i_d、i_q分别表示电机角速度、d轴电流、q轴电流，u_d为d轴电压，u_q为q轴电压，p_n为磁极对数，L为直轴与交轴电感，ψ_f为转子总磁链矢量，J为转动惯量，R_s为定子电阻，T_L为负载转矩，B为摩擦系数。

进一步地，在所述永磁同步电机数学模型的基础上，建立永磁同步电机矢量控制系统电流环PI控制器包括：

对永磁同步电机数学模型进行等效变换，得到如图2所示模型，其中，i_ref为电流给定值，T_oi为滤波时间常数，ACR为电流调节器，T_pwm为逆变器惯性环节综合时间常数，K_pwm为放大系数，J_m转动惯量，R_s定子电阻，B为摩擦系数，J_L为负载转动惯量，K_c为电流检测方法系数，T_L为负载转矩，s表示拉氏变换。

简化后得到永磁同步电机矢量控制系统电流环PI控制器如图3所示，其中，i_ref为转矩电流给定值，ACR为电流调节器，T为惯性环节综合时间常数，K_i为放大系数，R_s定子电阻，L_q为直轴与交轴电感，i_q为转矩电流输出值，s表示拉氏变换。

进一步地，所述根据所述电流环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，所述获取电流反馈数据，包括：

采用定矢量变换角参数整定的方法，将矢量控制中坐标变换角度固定为θ₀；

采用励磁电流给定I_d*＝0控制方式，将转矩电流给定I_q*设定为电机的额定值，重复多次采用转矩电流信号激励所述电流环PI控制器，采集所述电流环PI控制器反馈的转矩电流波形。

进一步地，所述根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化，包括：

根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化；

根据优化后的电流环PI控制器的参数，判断当前机器人的永磁同步电机的特性状态是否为特性软；

如果当前机器人的永磁同步电机的特性状态为特性软，则继续对根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化，否则，停止优化。

其中，特性软指控制系统中被控对象输出上升至给定指标时间大于给定指标时间，具体可用上升时间描述。上升时间一般定义为：控制系统响应曲线从稳态值的10％上升到稳态值90％所需的时间。

进一步地，所述根据优化后的电流环PI控制器的参数，判断当前机器人的永磁同步电机的特性状态是否为特性软，包括：

对优化后的电流环进行数据采集，获取电流反馈数据，根据所述电流反馈数据，计算得到上升时间；

将所述上升时间与预设的上升时间基准值进行比较，如果所述上升时间大于所诉上升时间基准值，则判断当前机器人的永磁同步电机的特征状态为特性软，否则判断当前机器人的永磁同步电机的特征状态不是特征软。

在本发明中，可以设定转矩电流反馈值从转矩电流给定值的10％上升到90％的时间大于用户给定指标，即为特性软。

进一步地，所述对所述电流环PI控制器的参数进行优化，包括：

增加所述电流环PI控制器的比例系数P_w，每次增加1％，即P_w＝P_w*101％，直至满足要求停止。

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，提高机器人关节动态响应性能。

作为本发明的一种具体实施方式，如图4所示，本发明的具体控制过程如下：将电流参考值I_q*与电流检测器检测到的电机转矩电流I_q作差，差值通过电流控制器经过参数优化后输出u_q，d轴电流参考值I_d ^*和d轴电流I_d的差值经过电流控制器得到控制电压u_d，u_d和u_q经过二相旋转坐标系到两相静止坐标系变换后，u_α和u_β经空间矢量脉宽调制(SpaceVectorPulse 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i_α,i_β，i_α,i_β经过两相静止坐标系变换到二相旋转坐标系变换后输出d、q轴电流I_d,I_q,反馈至比较器，与电流参考值

I_d ^*比较形成控制闭环。

作为本发明的一种具体实施方式，如图3所示，数据采集窗口算法流程为：比较这一时刻指令输出

与下一时刻指令输出

若

小于给定值Δ₁，

认为电流指令不变，在电流指令不变的情况下，采集2000个电流动态反馈数据，计算速度响应从百分之十到百分之九十时间，若t_r＞Δ₂，进行一次参数调整，若发现电流给定变化计数器counter清除数据，重新采集数据。

相应地，本发明的实施例还提供了一种机器人关节电机的电流环优化装置，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学模型，建立电流环PI控制器；

获取单元，用于根据所述电流环PI控制器进行数据采集，获取电流反馈数据，所述电流反馈数据包括所述永磁同步电机的转矩与励磁电流输出值；

优化单元，用于将所述永磁同步电机的转矩与励磁电流输出值反馈至所述电流环PI控制器，根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化。

进一步地，所述获取单元用于根据所述电流环PI控制器进行数据采集：

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。

所述所述获取单元，还用于：

采用定矢量变换角参数整定的装置，将矢量控制中坐标变换角度固定为θ₀；

采用励磁电流给定I_d*＝0控制方式，将转矩电流给定I_q*设定为电机的额定值，重复多次采用转矩电流信号激励所述电流环PI控制器，采集所述电流环PI控制器反馈的转矩电流波形。

进一步地，所述优化单元，用于：

根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化；

根据优化后的电流环PI控制器的参数，判断当前机器人的永磁同步电机的特性状态是否为特性软；

如果当前机器人的永磁同步电机的特性状态为特性软，则继续对根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化，否则，停止优化。

其中，所述根据优化后的电流环PI控制器的参数，判断当前机器人的永磁同步电机的特性状态是否为特性软，包括：

对优化后的电流环进行数据采集，获取电流反馈数据，根据所述电流反馈数据，计算得到上升时间；

将所述上升时间与预设的上升时间基准值进行比较，如果所述上升时间大于所诉上升时间基准值，则判断当前机器人的永磁同步电机的特征状态为特性软，否则判断当前机器人的永磁同步电机的特征状态不是特征软。

进一步地，所述对所述电流环PI控制器的参数进行优化，包括：

增加所述电流环PI控制器的比例系数P_w，每次增加1％，即P_w＝P_w*101％，直至满足要求停止。

综上所述，本发明提供的机器人关节电机的电流环优化方法及装置，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学模型上进行设计，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，通过基于数据驱动和容错控制算法的规则进行参数优化，能够解决由于使用环境变化导致机器人关节转矩特性下降的问题，提高关节控制系统动态响应性能。

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 (10)

1.一种机器人关节电机的电流环优化方法，其特征在于，所述机器人关节电机的电流环优化方法包括：

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学模型，建立电流环PI控制器；

根据所述电流环PI控制器进行数据采集，获取电流反馈数据，所述电流反馈数据包括所述永磁同步电机的转矩与励磁电流输出值；

将所述永磁同步电机的转矩与励磁电流输出值反馈至所述电流环PI控制器，根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化。

2.根据权利要求1所述的机器人关节电机的电流环优化方法，其特征在于所述永磁同步电机的数据模型为：

其中，ω_r、i_d、i_q分别表示电机角速度、d轴电流、q轴电流，u_d为d轴电压，u_q为q轴电压，p_n为磁极对数，L为直轴与交轴电感，ψ_f为转子总磁链矢量，J为转动惯量，R_s为定子电阻，T_L为负载转矩，B为摩擦系数。

3.根据权利要求1所述的机器人关节电机的电流环优化方法，其特征在于，所述根据所述电流环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。

4.根据权利要求1所述的机器人关节电机的电流环优化方法，其特征在于，所述获取电流反馈数据，包括：

采用定矢量变换角参数整定的方法，将矢量控制中坐标变换角度固定为θ₀；

采用励磁电流给定I_d*＝0控制方式，将转矩电流给定I_q*设定为电机的额定值，重复多次采用转矩电流信号激励所述电流环PI控制器，采集所述电流环PI控制器反馈的转矩电流波形。

5.根据权利要求1所述的机器人关节电机的电流环优化方法，其特征在于，所述根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化，包括：

根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化；

根据优化后的电流环PI控制器的参数，判断当前机器人的永磁同步电机的特性状态是否为特性软；

如果当前机器人的永磁同步电机的特性状态为特性软，则继续对根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化，否则，停止优化。

6.根据权利要求5所述的机器人关节电机的电流环优化方法，其特征在于，所述根据优化后的电流环PI控制器的参数，判断当前机器人的永磁同步电机的特性状态是否为特性软，包括：

对优化后的电流环进行数据采集，获取电流反馈数据，根据所述电流反馈数据，计算得到上升时间；

将所述上升时间与预设的上升时间基准值进行比较，如果所述上升时间大于所诉上升时间基准值，则判断当前机器人的永磁同步电机的特征状态为特性软，否则判断当前机器人的永磁同步电机的特征状态不是特征软。

7.根据权利要求1或者5所述的机器人关节电机的电流环优化方法，其特征在于，所述对所述电流环PI控制器的参数进行优化，包括：

增加所述电流环PI控制器的比例系数P_w，每次增加1％，即P_w＝P_w*101％。

8.一种机器人关节电机的电流环优化装置，其特征在于，所述机器人关节电机的电流环优化装置包括：

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学模型，建立电流环PI控制器；

获取单元，用于根据所述电流环PI控制器进行数据采集，获取电流反馈数据，所述电流反馈数据包括所述永磁同步电机的转矩与励磁电流输出值；

优化单元，用于将所述永磁同步电机的转矩与励磁电流输出值反馈至所述电流环PI控制器，根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化。

9.根据权利要求8所述的机器人关节电机的电流环优化装置，其特征在于，所述获取单元，用于：

采用定矢量变换角参数整定的装置，将矢量控制中坐标变换角度固定为θ₀；

采用励磁电流给定I_d*＝0控制方式，将转矩电流给定I_q*设定为电机的额定值，重复多次采用转矩电流信号激励所述电流环PI控制器，采集所述电流环PI控制器反馈的转矩电流波形。

10.根据权利要求8所述的机器人关节电机的电流环优化装置，其特征在于，所述优化单元，用于：

根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化；

根据优化后的电流环PI控制器的参数，判断当前机器人的永磁同步电机的特性状态是否为特性软；

如果当前机器人的永磁同步电机的特性状态为特性软，则继续对根据预设的电流环的PI参数优化算法，对所述电流环PI控制器的参数进行优化，否则，停止优化。

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