CN112966372A - 一种伺服电机先进控制算法试验平台和工作方法 - Google Patents

一种伺服电机先进控制算法试验平台和工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种伺服电机先进控制算法试验平台及工作方法，试验平台主要由工业PC、主动伺服驱动器、主动伺服电机、负载伺服驱动器和负载伺服电机组成，当试验电机速度环先进控制算法时，将主动伺服驱动器工作在转矩控制模式，工业PC实时向主动伺服驱动器发送转矩指令，同时实时从主动伺服驱动器读取转速，实现电机速度环先进控制算法。当试验电机位置环先进控制算法时，将主动伺服驱动器工作在速度控制模式，工业PC实时向主动伺服驱动器发送速度指令，同时实时从主动伺服驱动器读取位置，实现电机位置环先进控制算法。本发明能够大大减少了电机控制先进算法的验证时间和工作量，为科研人员实现各种电机控制先进算法提供了便捷。

Description

一种伺服电机先进控制算法试验平台和工作方法
技术领域
本发明涉及伺服控制技术领域，具体而言涉及一种用于伺服电机先进控制算法试验平台和工作方法。
背景技术
电机先进控制算法的理论研究已经较为深入，但真正能够用于实际电机控制且真正有效的控制算法却少之又少，主要原因在于许多科研机构缺乏通用性较强的试验平台来对电机先进控制算法的有效性进行验证，研究人员在进行理论研究时，可能理论仿真效果良好，但缺乏适用于电机先进控制算法的试验平台来验证所提算法的有效性，所以大部分电机先进控制算法的实际有效性很难得到快捷验证。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种用于伺服电机先进控制算法试验平台和工作方法，利用PC在环实现伺服电机先进速度(或位置)控制算法，大大减少了从理论控制算法到实际效果验证的工作量，为科研人员验证电机先进速度(或位置)控制算法提供便捷。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种伺服电机先进控制算法试验平台，所述试验平台包括工业PC、主动伺服驱动器、主动伺服电机、负载伺服驱动器和负载伺服电机；
所述工业PC通过EtherCAT总线分别与主动伺服驱动器和负载伺服驱动器建立数据通讯链路；
所述主动伺服驱动器通过动力线与主动伺服电机相连以提供主动伺服电机正常工作所需电能，所述主动伺服驱动器通过编码器信号线与主动伺服电机建立数据通讯链路；所述负载伺服电机与主动伺服电机呈对拖关系，负载伺服驱动器工作在转矩模式时，与之相连的负载伺服电机用于给主动伺服电机加载；
所述工业PC内安装有Linux实时系统，工业PC用于对待测试的电机先进控制算法进行编程，根据待测试的电机先进算法类型将主动伺服驱动器设置为转矩控制模式或者速度控制模式，通过EtherCAT总线来进行工业PC与主动伺服驱动器的数据交换，通过对主动伺服电机的PC在环控制对内嵌的电机先进控制算法进行验证；
所述对主动伺服电机的PC在环控制是指，由工业PC在每个定时周期通过EtherCAT接收主动伺服电机驱动器反馈的实际速度值或位置值，结合设定的速度值或者位置值，执行速度环或位置环的先进控制算法，又在每个周期通过EtherCAT向所述主动伺服驱动器下发设定转矩值或者速度值。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，当测试电机速度环先进控制算法时，将主动伺服驱动器工作在转矩控制模式，PC端实时向主动伺服驱动器发送转矩指令，同时从主动伺服驱动器读取主动伺服电机反馈的实时转速，实现主动伺服电机的速度闭环先进控制算法；
当测试电机位置环先进控制算法时，将主动伺服驱动器工作在速度控制模式，PC端实时向主动伺服驱动器发送速度指令，同时从主动伺服驱动器读取主动伺服电机反馈的实时位置，实现主动伺服电机的位置闭环先进控制算法；
在试验过程中，PC端向负载伺服驱动器发送转矩指令实现加载。
进一步地，所述工业PC通过对预先装入的非实时的Linux系统打入实时内核补丁的方式得到Linux实时系统。
进一步地，所述工业PC通过网线与主动伺服驱动器建立数据通讯链路，并且在装入Linux实时系统后，通过配置IGH EtherCAT Master组件使工业PC利用网线与主动伺服驱动器进行EtherCAT通信。
进一步地，所述工业PC每隔1ms下发一次设定转矩值或设定速度值。
进一步地，所述工业PC通过安装Qt软件以形成Qt编程环境，采用C++编程语言对待测试的电机先进控制算法进行编程，以分别生成参数设置功能模块、图形显示功能模块和数据保存功能模块。
进一步地，所述图形显示功能模块包括在Qt编程环境下制作的图形用户界面，在图形用户界面上设置有电机使能按钮、电机启动按钮、电机加载按钮、电机停止按钮、写入数据库按钮、清空数据库按钮，以及用于绘制主动伺服电机运行时的各个参数的实际数据曲线的图形窗口。
进一步地，所述数据保存功能模块用于使工业PC与MySQL数据库管理系统建立数据交互通道，将主动伺服电机运行时产生的所有运行数据保存到MySQL数据库中。
本发明还提及一种伺服电机先进控制算法试验平台的工作方法，所述电机先进控制算法试验平台采用如前所述的电机先进控制算法试验平台；
所述工作方法包括以下步骤：
S1，使工业PC与主动伺服驱动器、负载伺服驱动器实现EtherCAT通信；
S2，在工业PC上的Qt编程环境下用C++编程语言对待测试的电机先进控制算法进行编程，并对相关控制参数进行设置；
S3，运行Qt软件，弹出图形用户界面；
S4，按下电机使能按钮，主动伺服电机使能；
S5，按下启动按钮，主动伺服电机启动，通过在工业PC上运行电机先进控制算法实现主动伺服电机闭环控制；在主动伺服电机运行时，按下电机加载按钮，负载伺服电机输出设定转矩值，实现对主动伺服电机加载；
S6，在主动伺服电机运行预设时长后，按下电机停止按钮，伺服电机停止运行，绘制主动伺服电机从启动到停止这段时间内的运行数据曲线；
S7，按下写入数据库按钮，将主动伺服电机的运行数据写入数据库。
本发明的有益效果是：
1、本发明具有较强的通用性，支持对电机的各种先进速度(或位置)控制算法进行试验验证，大大减少了从理论控制算法到实际效果验证的工作量，为科研人员进行电机先进速度(或位置)控制算法的验证提供了便捷。
2、本发明具有较强的开放性，可直接在Qt编程环境下对电机先进速度(或位置)控制算法的相关控制参数进行设置，随后直接通过工业PC上的图形用户界面看到电机实际运行的参数曲线图，操作方便，实用性强。
3、本发明具有较强的新颖性，相比于传统使用MATLAB软件和硬件实时卡来进行电机控制，成本非常高且效果不显著。本发明提出了PC在环控制，即通过EtherCAT总线实现对主动伺服电机的控制，成本不仅低，而且控制效果更显著。
4、由于先进控制算法在PC端实现，开放性好，且PC强大的运算能力以及实时系统、实时总线确保了各种先进控制算法的实现，比如滑模控制、分数阶控制、最优控制等策略。相比之下，传统PC方案往往需要专用的硬件卡才能实现PC与伺服驱动器之间数据交互，嵌入式系统运算能力弱、开放性差，不容易实现复杂先进控制算法。该试验平台及工作方法大大减少了电机控制先进算法的验证时间和工作量，为科研人员实现各种电机控制先进算法提供了便捷。
附图说明
图1为本发明实施例中的电机先进控制算法试验平台的硬件接线图。
图2为本发明实施例中的电机先进控制算法试验平台的EtherCAT软件框架结构图。
图3为本发明实施例中的电机先进控制算法试验平台的控制结构图。
图4为本发明实施例中的电机先进速度控制算法选用滑模控制算法和主动伺服驱动器设置为转矩控制模式的图形用户界面。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
结合图1-图3，本发明提及一种伺服电机先进控制算法试验平台，所述试验平台包括工业PC、主动伺服驱动器、主动伺服电机、负载伺服驱动器和负载伺服电机。
所述工业PC通过EtherCAT总线分别与主动伺服驱动器和负载伺服驱动器建立数据通讯链路。
所述主动伺服驱动器通过动力线与主动伺服电机相连以提供主动伺服电机正常工作所需电能，所述主动伺服驱动器通过编码器信号线与主动伺服电机建立数据通讯链路；所述负载伺服电机与主动伺服电机呈对拖关系，负载伺服驱动器工作在转矩模式时，与之相连的负载伺服电机用于给主动伺服电机加载。
所述工业PC内安装有Linux实时系统，工业PC用于对待测试的电机先进控制算法进行编程，根据待测试的电机先进算法类型将主动伺服驱动器设置为转矩控制模式或者速度控制模式，通过EtherCAT总线来进行工业PC与主动伺服驱动器的数据交换，通过对主动伺服电机的PC在环控制实现对先进控制算法的验证。
所述对主动伺服电机的PC在环控制是指，由工业PC在每个定时周期通过EtherCAT接收主动伺服电机驱动器反馈的实际速度值或位置值，结合设定的速度值或者位置值，执行速度环或位置环的先进控制算法，又在每个周期通过EtherCAT向所述主动伺服驱动器下发设定转矩值或者速度值。
本发明的一种新型的伺服电机先进控制算法试验平台，包括工业PC，主动伺服驱动器、主动伺服电机、负载伺服驱动器和负载伺服电机，具体接线图如图1所示。工业PC使用网线与主动伺服驱动器相连，利用EtherCAT总线来进行数据的交换。而主动伺服驱动器通过动力线和编码器信号线与主动伺服电机相连，驱动主动伺服电机运转。在本发明中，主动伺服电机和负载伺服电机对拖，负载伺服驱动器工作在转矩模式时，用于给主动伺服电机加载。这一过程只需要在主动伺服电机运行时，通过PC端向负载伺服驱动器发送转矩指令即可实现。
如图2所示，为了能使工业PC与主动伺服驱动器进行EtherCAT通信，本平台采用了Linux+Preempt-RT+IGH EtherCAT Master的软件框架结构对工业PC进行改造。其中，Linux系统采用的是Ubuntu 16.04系统。而单独的Linux系统的实时性较差，需要对其实时性进行改进，故而在Linux系统原有的基础上，打上了Preempt-RT实时内核补丁，使Linux系统的实时性得到显著地提高。随后，在Linux实时系统上再配置IGH EtherCAT Master组件，从而能使工业PC通过EtherCAT总线来与主动伺服驱动器进行数据的交换，以便工业PC来对主动伺服驱动器进行实时控制。
如图3所示，工业PC作为在环控制器，通过Linux实时系统、EtherCAT总线参与到主动伺服驱动器的控制回路中，进而实现对主动伺服电机的在环控制。而主动伺服电机的在环控制就是在装入Linux实时系统的工业PC上运行电机先进速度(或位置)控制算法，通过EtherCAT总线将设定的转矩值(或速度值)传输给主动伺服驱动器，而运行在转矩控制模式(或速度控制模式)的主动伺服驱动器在接收到传输过来的转矩值(或速度值)之后会驱动主动伺服电机运转，主动伺服驱动器读取到主动伺服电机的实际速度值(或实际位置值)，并通过EtherCAT总线将其反馈给工业PC，工业PC再根据电机先进速度(或位置)控制算法对设定值与实际值进行处理，从而形成下一次发送的转矩值(或速度值)，这样不断地进行循环，实现实时的闭环主动伺服电机控制。
主动伺服电机的PC在环控制是基于EtherCAT总线的实时特性和全双工特性，即工业PC每1ms就会发送设定的转矩值(或速度值)和读取实际速度值(或实际位置值)，且发送设定的转矩值(或速度值)的过程与读取实际速度值(或实际位置值)的过程是同时进行的。
工业PC通过在Linux实时系统下安装Qt软件来形成Qt编程环境，其程序是采用C++编程语言来进行编写，主要实现的功能是参数设置、图形显示和数据保存。
参数设置功能是在Qt编程环境下先将电机先进速度(或位置)控制算法公式利用C++编程语言进行编写成控制程序，然后直接对其中涉及的控制参数进行设置。
图形显示功能是在Qt编程环境下制作出图形用户界面，在这图形用户界面上一共有六个按钮和一个图形窗口。这六个按钮分别为电机使能按钮，电机启动按钮，电机加载按钮，电机停止按钮，写入数据库按钮和清空数据库按钮。这六个按钮都是通过鼠标点击之后才会启动，电机使能按钮的作用是给主动伺服驱动器信号，让主动伺服驱动器对主动伺服电机进行供电(也称为励磁)，当接到这个信号后，主动伺服驱动器的位置控制模式、速度控制模式、电流控制模式(具体是哪种控制模式由控制程序决定)进入工作状态；电机启动按钮的作用是给主动伺服驱动器传输电机启动信号，从而驱动主动伺服电机开始运转；电机加载按钮是使负载伺服驱动器工作在转矩控制模式，并驱动负载伺服电机输出设定的转矩值；电机停止按钮的作用是给主动伺服驱动器传输电机停止信号，从而驱动主动伺服电机停止运转；写入数据库按钮的作用为了将主动伺服电机运行过程中产生的相关参数存储到数据库中；清空数据库按钮的作用是为了将之前所存储的主动伺服电机相关参数给清除掉，以便存储更多的主动伺服电机参数。图形窗口的设计是基于Qt软件中QCustomPlot的图形库，其能为实时可视化操作提供高性能服务。而图形窗口的作用是绘制主动伺服电机运行时的各个参数的实际数据曲线。
数据保存功能是在Qt编程环境下利用C++程序来把主动伺服电机运行时的所有的参数数据都保存到MySQL数据库中。首先是利用程序来打开MySQL数据库，然后将主动伺服驱动器通过EtherCAT总线传输过来的主动伺服电机运行的所有参数数据保存到数组中，最后把数组里的所有参数数据整体再保存到数据库中，这样利用数组这个媒介来进行数据的传递是因为直接将主动伺服电机的所有参数数据都保存到MySQL数据库中会产生丢包现象，导致实际接收到的主动伺服电机的参数数据不全。
本试验平台能够利用滑模控制算法、分数阶控制算法等多种电机先进速度(或位置)控制算法来对主动伺服电机进行控制。为了验证本试验平台的控制效果，采用了滑模控制算法作为电机先进速度控制算法，并将主动伺服驱动器设置为转矩控制模式。最终获得的试验结果如图4所示，其速度参数为灰色曲线，转矩参数为黑色曲线。
如图1所示，主动伺服驱动器有两根线与主动伺服电机相连，一根线为动力线，用于主动伺服驱动器给主动伺服电机提供三相交流电源；另一根线为编码器信号线，用于将主动伺服电机的实际位置信号经由编码器反馈给主动伺服驱动器进行计算，进而得到主动伺服电机的实际参数数据。
工业PC所选用的是联想的工控机，其型号为ThinkCentre M720Q，其处理器选用的九代酷睿六核i5-9500T，处理效率高，并且选用了英特尔的以太网网卡。
主动伺服驱动器所用是松下主动伺服驱动器，其型号为MCDHT3520BA1，支持EthereCAT通信，能够设置控制模式为CSP(位置控制模式)、CSV(速度控制模式)和CSP(转矩控制模式)。主动伺服驱动器所用的是绝对式编码器，其作用是对主动伺服电机转速和转子实际位置进行反馈，并配有电池给其供电，能保存主动伺服电机的位置值，抗干扰性能和可靠性能高。主动伺服电机选用的也是松下的主动伺服电机，其额定功率为750W，额定频率为200Hz，最大转速为3000转/每分钟。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种伺服电机先进控制算法试验平台，其特征在于，所述试验平台包括工业PC、主动伺服驱动器、主动伺服电机、负载伺服驱动器和负载伺服电机；
所述工业PC通过EtherCAT总线分别与主动伺服驱动器和负载伺服驱动器建立数据通讯链路；
所述主动伺服驱动器通过动力线与主动伺服电机相连以提供主动伺服电机正常工作所需电能，所述主动伺服驱动器通过编码器信号线与主动伺服电机建立数据通讯链路；所述负载伺服电机与主动伺服电机呈对拖关系，负载伺服驱动器工作在转矩模式时，与之相连的负载伺服电机用于给主动伺服电机加载；
所述工业PC内安装有Linux实时系统，工业PC用于对待测试的电机先进控制算法进行编程，根据待测试的电机先进算法类型将主动伺服驱动器设置为转矩控制模式或者速度控制模式，通过EtherCAT总线来进行工业PC与主动伺服驱动器的数据交换，通过对主动伺服电机的PC在环控制对内嵌的电机先进控制算法进行验证；
所述对主动伺服电机的PC在环控制是指，由工业PC在每个定时周期通过EtherCAT接收主动伺服电机驱动器反馈的实际速度值或位置值，结合设定的速度值或者位置值，执行速度环或位置环的先进控制算法，又在每个周期通过EtherCAT向所述主动伺服驱动器下发设定转矩值或者速度值。
2.根据权利要求1所述的伺服电机先进控制算法试验平台，其特征在于，
当测试电机速度环先进控制算法时，将主动伺服驱动器工作在转矩控制模式，PC端实时向主动伺服驱动器发送转矩指令，同时从主动伺服驱动器读取主动伺服电机反馈的实时转速，实现主动伺服电机的速度闭环先进控制算法；
当测试电机位置环先进控制算法时，将主动伺服驱动器工作在速度控制模式，PC端实时向主动伺服驱动器发送速度指令，同时从主动伺服驱动器读取主动伺服电机反馈的实时位置，实现主动伺服电机的位置闭环先进控制算法；
在试验过程中，PC端向负载伺服驱动器发送转矩指令实现加载。
3.根据权利要求1所述的电机先进控制算法试验平台，其特征在于，所述工业PC通过对预先装入的非实时Linux系统打入实时内核补丁的方式得到Linux实时系统。
4.根据权利要求1所述的电机先进控制算法试验平台，其特征在于，所述工业PC通过网线与主动伺服驱动器建立数据通讯链路，并且在装入Linux实时系统后，通过配置IGHEtherCAT Master组件使工业PC利用网线与主动伺服驱动器进行EtherCAT通信。
5.根据权利要求1所述的电机先进控制算法试验平台，其特征在于，所述工业PC每隔1ms下发一次设定转矩值或设定速度值。
6.根据权利要求1所述的电机先进控制算法试验平台，其特征在于，所述工业PC通过安装Qt软件以形成Qt编程环境，采用C++编程语言对待测试的电机先进控制算法进行编程，分别生成参数设置功能模块、图形显示功能模块和数据保存功能模块。
7.根据权利要求6所述的电机先进控制算法试验平台，其特征在于，所述图形显示功能模块包括在Qt编程环境下制作的图形用户界面，在图形用户界面上设置有电机使能按钮、电机启动按钮、电机加载按钮、电机停止按钮、写入数据库按钮、清空数据库按钮，以及用于绘制主动伺服电机运行时的各个参数的实际数据曲线的图形窗口。
8.根据权利要求6所述的电机先进控制算法试验平台，其特征在于，所述数据保存功能模块用于使工业PC与MySQL数据库管理系统建立数据交互通道，将主动伺服电机运行时产生的所有运行数据保存到MySQL数据库中。
9.一种伺服电机先进控制算法试验平台的工作方法，其特征在于，所述电机先进控制算法试验平台采用如权利要求7所述的电机先进控制算法试验平台；
所述工作方法包括以下步骤：
S1，使工业PC与主动伺服驱动器、负载伺服驱动器实现EtherCAT通信；
S2，在工业PC上的Qt编程环境下用C++编程语言对待测试的电机先进控制算法进行编程，并对相关控制参数进行设置；
S3，运行Qt软件，弹出图形用户界面；
S4，按下电机使能按钮，主动伺服电机使能；
S5，按下启动按钮，主动伺服电机启动，通过在工业PC上运行电机先进控制算法实现主动伺服电机闭环控制；在主动伺服电机运行时，按下电机加载按钮，负载伺服电机输出设定转矩值，实现对主动伺服电机加载；
S6，在主动伺服电机运行预设时长后，按下电机停止按钮，伺服电机停止运行，绘制主动伺服电机从启动到停止这段时间内的运行数据曲线；
S7，按下写入数据库按钮，将主动伺服电机的运行数据写入数据库。
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