CN112994530A - 伺服驱动系统的两轴同步调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于伺服驱动系统的两轴同步调整方法，包括：命令第一伺服驱动器驱动第一电机以正弦曲线转动第一转轴；命令第二伺服驱动器驱动第二电机以余弦曲线转动第二转轴，基于正弦曲线和余弦曲线能够确定第一转轴和第二转轴的位置的理想圆；检测第一转轴的第一位置；检测第二转轴的第二位置，基于第一位置和第二位置能够确定第一转轴和第二转轴的位置的实际曲线；确定实际曲线和理想圆之间的偏差，如果偏差大于预定阈值，则改变第一伺服驱动器和第二伺服驱动器各自的控制参数，以减小所述偏差。本发明的方法简单省时，降低了对现场工程师的技术要求。本发明还提供了一种伺服驱动系统，其能够经由上述方法自动调整两轴同步。

Description

伺服驱动系统的两轴同步调整方法
技术领域
本发明涉及伺服驱动系统的控制，具体涉及伺服驱动系统的两轴同步调整方法。
背景技术
伺服驱动系统包括伺服驱动器、伺服电机和负载轴，伺服驱动器驱动伺服电机使负载轴转动。很多场合下，需要两个负载轴同步转动。此时，需要这两个轴都具有较高的动态响应，更重要的是，需要两个轴具有尽可能相似的响应特性。但是，由于两个轴通常具有不同的惯性、机械结构或额定功率，很难调整两个伺服驱动器的控制参数实现两轴同步响应。通常，操作人员基于经验通过“试错”方法手动地调整两个伺服驱动器。这一调整过程十分费时，并且增加了对于操作人员的要求。
因此，本发明旨在简化两轴同步调整过程，减少调整时间，并使伺服驱动系统简单易用。
发明内容
为此，在本发明的一方面，提供了一种用于伺服驱动系统的两轴同步调整方法，包括：
命令第一伺服驱动器驱动第一电机以正弦曲线转动第一转轴；
命令第二伺服驱动器驱动第二电机以余弦曲线转动第二转轴，其中，基于正弦曲线和余弦曲线能够确定第一转轴和第二转轴的位置的理想圆；
检测第一转轴的第一位置；
检测第二转轴的第二位置，其中，基于第一位置和第二位置能够确定第一转轴和第二转轴的位置的实际曲线；
确定实际曲线和理想圆之间的偏差，如果偏差大于预定阈值，则改变第一伺服驱动器和第二伺服驱动器各自的控制参数，以减小所述偏差。
可选地，所述方法还包括比较实际曲线和理想圆的相对位置，识别第一转轴和第二转轴中响应更慢的转轴，增大该更慢的转轴的伺服驱动器的速度环PID控制器的比例增益参数Kpn。
可选地，计算多个采样点的位置误差，该位置误差等于相应采样点的第一位置的平方与第二位置的平方之和减去理想圆的半径的平方；确定所述多个采样点的最大位置误差，以此作为实际曲线和理想圆之间的所述偏差。
可选地，所述方法还包括进行第一次振动检测，检测第一转轴和第二转轴是否发生振动；如果检测到某一转轴发生振动，则降低两个轴的伺服驱动器的位置PID控制器的比例增益参数Kpp，并且，增加速度前馈参数KFPp。
进一步，如果没有检测到某一转轴发生振动，则确定所述最大位置误差是否小于预定位置误差阈值；如果最大位置误差小于预定位置误差阈值，则保存第一伺服驱动器和第二伺服驱动器的当前控制参数作为两轴同步控制参数；如果最大位置误差不小于预定位置误差阈值，则以相同的值增大第一伺服驱动器和第二伺服驱动器各自的位置PID控制器的比例增益参数Kpp。
可选地，在增加速度前馈参数KFPp之后，进行第二次振动检测，检测第一转轴和第二转轴是否发生振动；如果检测到某一转轴发生振动，则结束方法，并报告当前位置阈值无法达成。
进一步，如果第二次振动检测没有检测到某一转轴发生振动，则确定所述最大位置误差是否小于预定位置误差阈值；如果最大位置误差小于预定位置误差阈值，在保存第一伺服驱动器和第二伺服驱动器的当前的控制参数作为两轴同步控制参数；如果最大位置误差不小于预定位置误差阈值，则增大第一伺服驱动器和第二伺服驱动器各自的速度前馈参数KFPp。
可选地，通过惯性识别功能自动确定第一转轴的第一惯性值和第二转轴的第二惯性值；通过刚性适应功能自动确定第一转轴的第一刚性值和第二转轴的第二刚性值。
进一步，所述方法还包括确定第一刚性值和第二刚性值中较小的刚性值；并且，基于该较小的刚性值和第一惯性值确定第一伺服驱动器的初始控制参数，基于该较小的刚性值和第二惯性值确定第二伺服驱动器的初始控制参数。
在本发明的另一方面，提供了一种伺服驱动系统，包括：第一伺服驱动器，其能够驱动第一电机以正弦曲线转动第一转轴；第二伺服驱动器，其能够驱动第二电机以余弦曲线转动第二转轴，第一检测器，其能够检测第一转轴的第一位置；第二检测器，其能够检测第二转轴的第二位置；同步控制器，其配置为使得所述伺服驱动系统进行上述两轴同步调整方法。
附图说明
图1示出进行两轴同步调整的伺服驱动系统的示意框图；
图2示出第一伺服驱动器的单轴调整阶段；
图3示出第二伺服驱动器的单轴调整阶段；
图4示出对称性调整阶段；
图5和图6示出误差调小阶段；
图7A示出第一转轴的正弦曲线位置命令，图7B示出第二转轴的余弦曲线位置命令；
图8A示出第一转轴和第二转轴同步响应情况下的理想位置曲线，图8B示出第一转轴比第二转轴响应更快的情况下的位置曲线，图8C示出第一转轴比第二转轴响应更慢的情况下的位置曲线。
具体实施方式
如图1示出了进行两轴同步调整的伺服驱动系统的示意框图。如图所示，该伺服驱动系统具有第一伺服驱动器11和第二伺服驱动器12。第一伺服驱动器11接收输入命令，并驱动第一电机12转动；第一电机12带动第一转轴13转动；第一检测器14用于检测第一转轴13的速度、位置等物理量，并将其提供至第一伺服驱动器11；第一伺服驱动器11基于第一转轴13的所述物理量控制第一电机12的转动，使得第一转轴13以符合输入命令的形式转动。
类似地，第二伺服驱动器21接收输入命令，并驱动第二电机22转动；第二电机22带动第二转轴23转动；第二检测器24用于检测第二转轴23的速度、位置等物理量，并将其提供至第二伺服驱动器21；第二伺服驱动器21基于第二转轴23的所述物理量控制第二电机22的转动，使得第二转轴23以符合输入命令的形式转动。
对于需要第一转轴13和第二转轴23同步转动的场合，需要第一转轴13和第二转轴23各自具有快速的动态响应，还需要二者具有类似的动态响应。为了实现这一目的，第一伺服驱动器11和第二伺服驱动器12各自包括PID控制器，其基于多种控制参数控制相应的第一转轴13和第二转轴23快速动态响应；而且，本发明的系统还具有同步控制器30，其从第一检测器14和第二检测器24接收第一转轴13和第二转轴23的位置信息，并基于该位置信息输出调整命令至第一伺服驱动器11和第二伺服驱动器21，分别调整二者的控制参数，使得第一转轴13和第二转轴23具有同步的动态响应。
下面结合图2至图6描述由上述两轴同步伺服驱动系统进行的同步调整方法。根据本发明的同步调整方法包括单轴调整阶段、对称性调整阶段、误差调小阶段。下面分别结合附图进行描述。
I.单轴调整阶段
单轴调整阶段涉及惯性识别功能和刚性适应功能。惯性识别功能通过测量电机的电流和转速，实时地识别转轴的转动惯量。刚性适应功能自动地增大系统的刚性至最优值。具体而言，在伺服驱动器中存储有预先确定的刚性参数表，其包括以刚性值1～n(例如，n＝32)标引的n组控制参数。基于一组控制参数和对应的惯性值可确定伺服驱动器的一组PID控制参数。刚性指数越大，相应的PID控制参数所实现的动态响应越快。刚性适应功能在确保不发生振动的情况下，自动将刚性值调整到最大值，以期获得最快的动态响应速度。
在本方法中，针对第一伺服驱动器11和第二伺服驱动器21分别进行单轴调整阶段，使得各自具有最佳的动态响应性能。
第一伺服驱动器11的单轴调整阶段如图2所示。方法以步骤101开始，在此，启动惯性识别功能以及刚性适应功能。然后，方法进行到步骤102，使用正弦命令运行第一电机12。然后，方法进行到步骤103，确定所识别的惯性是否稳定，以及刚性适应功能是否完成。如果惯性没有稳定和/或刚性适应功能没有完成，则回到步骤102，继续运行第一电机12；如果惯性已经稳定并且刚性适应功能已经完成，则进行至步骤104。在步骤104，存储第一惯性值，存储第一刚性值，用于在后续方法中控制第一电机12的运行，然后，停用惯性识别功能和刚性适应功能。
第二伺服驱动器21的单轴调整阶段如图3所示，其可以设置在图2所示的第一伺服驱动器11的单轴调整阶段完成之后。在其它实施方式中，第二伺服驱动器21的单轴调整阶段可以在第一伺服驱动器11的单轴调整阶段之前进行，二者也可以同时且彼此独立地进行。
如图3所示，在步骤105处，启动对于第二伺服驱动器21的惯性识别功能以及刚性适应功能。然后，方法进行到步骤106，使用余弦命令运行第二电机22。然后，方法进行到步骤107，确定所识别的惯性是否稳定，以及刚性适应功能是否完成。如果惯性没有稳定和/或刚性适应功能没有完成，则回到步骤106，继续运行第二电机22；如果惯性已经稳定并且刚性适应功能已经完成，则进行至步骤108。在步骤108，存储第二惯性值，用于在后续方法中控制第二电机22的运行，然后，停用惯性识别功能和刚性适应功能。
此处的“正弦命令”命令第一电机12带动第一转轴13在两个角度位置之间往复运动，其中相同时间间隔的位置指令大小相对于时间呈正弦曲线关系，如图7A所示；此处的“余弦命令”命令第二电机22带动第一转轴23在同样的两个角度位置之间往复运动，其中相同时间间隔的位置指令大小相对于时间呈余弦曲线关系，如图7B所示。命令时间间隔可以例如为250微秒。该正弦曲线和余弦曲线的幅值、周期均相同，区别仅在于具有90°的相位差。这种运动形式旨在进行后续的两轴同步调整。
在步骤108之后进行步骤109，取在步骤104保存的第一刚性值和在步骤108保存的第二刚性值之中较低的刚性值作为共用刚性值。基于该共用刚性值确定第一伺服驱动器11和第二伺服驱动器12的控制参数。由于两个转轴的物理特性不同，在各自的刚性适应功能中达到的最佳响应速度通常不同，为使二者具有类似的响应速度，在此，让刚性较大的转轴向下兼容刚性较小的转轴。
在完成两个伺服驱动器各自的单轴调整阶段之后，方法进入对称性调整阶段。
II.对称性调整阶段
如图4所示，对称性调整阶段从步骤201开始，在此，基于前述步骤获得的PID控制参数，使用正弦命令运行第一电机，并且在步骤202使用余弦命令运行第二电机。在步骤203，使用第一检测器14实时地检测第一转轴13的位置P1；在步骤204，使用第二检测器24实时地检测第二转轴23的位置P2。
在步骤205中，同步控制器30确定第一转轴13的位置P1和第二转轴23的位置P2形成的曲线是否对称。具体而言，参见图8A-C，以第一转轴13的位置P1为横坐标，以第二转轴的位置P2为纵坐标，得到记录两个转轴的位置的位置点(P1，P2)，该位置点(P1，P2)随时间沿逆时针方向移动形成轨迹曲线。
如上文所述，第一转轴13在两个位置之间以正弦曲线往复运动，第二转轴23在两个相同位置之间以余弦曲线往复运动，正弦曲线和余弦曲线的周期相同，因此，在两个转轴严格同步的情况下，位置点(P1，P2)的轨迹形成一标准圆，如图8A所示，其具有半径R。然而，事实上，两个转轴由于物理特性不同而具有不同的响应速度，其中一个转轴比另一个转轴的响应更快，由此，实际的位置点(P1，P2)的轨迹将偏离标准圆，不具有关于横轴和纵轴的对称性。例如，图8B示出的曲线显示第一转轴13响应更快；图8C示出的曲线显示第二转轴23响应更快。
在步骤205中，通过分析计算不同时间的位置点(P1，P2)的特征，评估位置点(P1，P2)形成的曲线的对称性是否达到预定对称程度。如果位置点(P1，P2)形成的曲线的对称性低于预定对称程度，则方法进行到步骤206，在此，根据实际的位置点(P1，P2)的轨迹偏离标准圆的方向识别出第一转轴和第二转轴中响应更慢的那个轴。例如，可以计算不同象限内的实际位置点(P1，P2)距离圆心的距离与理想圆的半径R之间关系，如果第一和三象限的实际位置点(P1，P2)距离圆心的距离小于理想圆的半径R，第二和四象限的实际位置点(P1，P2)距离圆心的距离大于理想圆的半径R，即图8B的情况，则可识别出第二转轴23为响应更慢的轴；反之，图8C的情况可识别出第一转轴13为响应的更慢的轴。
在识别出慢轴之后，在步骤207，以合适的调整值增大这一慢轴的速度环PID控制器的比例增益参数Kpn的值，以缩小两轴的响应速度之间的差异，然后，返回步骤201，再次运行电机并进行位置曲线的对称性评估。经过多次调整后，如果在步骤205中确定位置点(P1，P2)的轨迹的对称性达到了预定对称程度，则方法在步骤205处进入误差调小阶段。
经过上述对称性调整阶段，第一转轴13和第二转轴23初步实现同步，两轴的同步响应程度还需要进一步精细调整。下面的“误差调小阶段”旨在解决这些问题。
III.误差调小阶段
如图5所示，误差调小阶段从步骤301开始，在此，再次使用正弦命令运行第一电机12，然后在步骤302使用余弦命令运行第二电机22，接下来，在步骤303检测第一转轴13的位置P1，在步骤304检测第二转轴23的位置P2。然后，在步骤305启动第一次振动检测。
接下来，在步骤306检测第一轴以及第二轴是否存在振动现象。如果没有检测到任何轴存在振动现象，则方法进行到步骤307，在此，计算多个采样点的误差P1 2+P2 2-R2，其中，P1、P2是一组同时测得的第一转轴13和第二转轴23的实际位置；R为基于输入两个伺服驱动器的正弦命令和余弦命令确定的坐标点(P1，P2)的理想圆的半径，由此，误差可以反映实际的坐标点(P1，P2)相对于理想圆的偏差程度。
在步骤308，确定多个采样点中的最大误差emax是否小于预先设定的阈值。该最大误差emax是计算得到的多个误差e中的最大值。如果最大误差emax小于预定的阈值，则可确定实际的坐标点(P1，P2)的轨迹以符合期望的偏差接近理想圆，反映两个转轴具有符合期望的同步程度。然后，方法进行至步骤309，保存调整过程获得的控制参数值，结束同步调整过程。
相反，如果确定最大误差emax不小于阈值，则进行步骤310的调整操作，在此，以相同的值增大两个转轴各自的位置PID控制器的比例增益参数Kpp。然后，方法返回步骤301，再次运行两个电机并进行振动和位置误差检测，直到最大误差emax小于阈值。
如图4所示，在步骤306处，如果检测到第一转轴13或第二转轴23存在振动现象，通常是响应较快的轴存在振动现象，则进行相应调整操作。具体而言，在步骤311，降低两个轴的位置PID控制器的比例增益参数Kpp，例如，可以降低至前一值(如果有的话)。此处，“比例增益参数Kpp的前一值”是指：在方法经过步骤310增大Kpp之后，在步骤306处仍检测到振动，则将比例增益参数Kpp降低至最近一次增大Kpp之前的Kpp值。然后，在步骤312中增加两个伺服驱动器的速度前馈值KFPP。
接下来，如图6所示，方法再次运行两个电机，并进行第二次振动和位置误差检测。与前一次操作类似，在步骤313使用正弦命令运行第一电机12，然后在步骤314使用余弦命令运行第二电机22，接下来，在步骤315检测第一转轴13的位置P1，在步骤316检测第二转轴23的位置P2。然后，在步骤317启动振动检测。
接下来，在步骤318第二次检测第一轴以及第二轴是否仍然存在振动现象。如果没有检测到任何轴存在振动现象，则方法进行到步骤319，在此，计算误差P12+P22-R2。在步骤320，确定最大误差emax是否小于预先设定的阈值。如果最大误差emax小于阈值，则可确定实际的坐标点(P1，P2)的轨迹以符合期望的偏差接近理想圆，反映两个转轴具有符合期望的同步程度。然后，方法进行至步骤321，在此保存调整过程获得的相关控制参数，结束同步调整过程。
相反，如果确定最大误差emax不小于阈值，则进行步骤322的调整操作，该步骤322同前述的步骤312，即增加速度前馈值KFPP，然后返回至步骤313，重新运行电机并进行振动和位置检测，直到在步骤320中确定最大误差emax小于阈值。
如图6所示，如果在步骤318再次检测到振动，则方向进行到步骤323，在此保存上一组参数，并报告“阈值无法达成”，然后结束调整方法。
通过本发明的两轴同步调整方法，可极大程度上简化用于伺服控制的两轴同步应用的调整过程。仅需按下一个启动按钮，即可自动完成参数调整。调整后的机器在两个轴上都将具有较高的动态响应和相似的响应特性。本发明的两轴同步调整方法简单省时，降低了现场工程师的技术要求，使伺服驱动器易于使用。
本发明的方法的全部或部分功能可以通过硬件、软件或者它们的组合来实现。这里，通过软件来实现是指通过计算机读入程序并执行来实现。可以使用各种类型的计算机可读取的存储介质来存储程序并提供给计算机。在由硬件构成的情况下，可以使用各种类型的集成电路来构成执行本方法的各种驱动器或控制器的一部分或者全部。
上文已经详细描述了用于实现本发明的某些实施例，但应理解，这些实施例的作用仅在于举例，而不在于以任何方式限制本发明的范围、适用或构造。本发明的保护范围由所附权利要求及其等同方式限定。本领域技术人员可以在本发明的教导下对前述各实施例作出诸多改变，这些改变均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于伺服驱动系统的两轴同步调整方法，包括：
命令第一伺服驱动器驱动第一电机以正弦曲线转动第一转轴；
命令第二伺服驱动器驱动第二电机以余弦曲线转动第二转轴，其中，基于正弦曲线和余弦曲线能够确定第一转轴和第二转轴的位置的理想圆；
检测第一转轴的第一位置；
检测第二转轴的第二位置，其中，基于第一位置和第二位置能够确定第一转轴和第二转轴的位置的实际曲线；
确定实际曲线和理想圆之间的偏差，如果偏差大于预定阈值，则改变第一伺服驱动器和第二伺服驱动器各自的控制参数以减小所述偏差。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
比较实际曲线和理想圆的相对位置，识别第一转轴和第二转轴中响应更慢的转轴，增大该更慢的转轴的伺服驱动器的速度环PID控制器的比例增益参数Kpn。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
计算多个采样点的位置误差，该位置误差等于相应采样点的第一位置的平方与第二位置的平方之和减去理想圆的半径的平方；
确定所述多个采样点的最大位置误差，将其作为实际曲线和理想圆之间的所述偏差。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：
进行第一次振动检测(306)，检测第一转轴和第二转轴是否发生振动；
如果检测到某一转轴发生振动，则降低第一转轴和第二转轴的伺服驱动器的位置PID控制器的比例增益参数Kpp(311)，并且，增加速度前馈参数KFPp(312)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，
如果没有检测到某一转轴发生振动，则确定所述最大位置误差是否小于预定位置误差阈值(308)；
如果最大位置误差小于预定位置误差阈值，则保存第一伺服驱动器和第二伺服驱动器的当前控制参数(309)；
如果最大位置误差不小于预定位置误差阈值，则以相同的值增大第一伺服驱动器和第二伺服驱动器各自的位置PID控制器的比例增益参数Kpp(310)。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，
在增加速度前馈参数KFPp(312)之后，进行第二次振动检测，检测第一转轴和第二转轴是否发生振动(318)；
如果检测到某一转轴发生振动，则结束方法，并报告当前位置阈值无法达成(323)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，
如果第二次振动检测没有检测到某一转轴发生振动，则确定所述最大位置误差是否小于预定位置误差阈值(320)；
如果最大位置误差小于预定位置误差阈值，则保存第一伺服驱动器和第二伺服驱动器的当前的控制参数(321)；
如果最大位置误差不小于预定位置误差阈值，则增大第一伺服驱动器和第二伺服驱动器各自的速度前馈参数KFPp(322)。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
通过惯性识别功能自动确定第一转轴的第一惯性值和第二转轴的第二惯性值，并且，通过刚性适应功能自动确定第一转轴的第一刚性值和第二转轴的第二刚性值。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
确定第一刚性值和第二刚性值中较小的刚性值；并且，
基于该较小的刚性值和第一惯性值确定第一伺服驱动器的初始控制参数，基于该较小的刚性值和第二惯性值确定第二伺服驱动器的初始控制参数。
10.一种伺服驱动系统，包括：
第一伺服驱动器，其能够驱动第一电机以正弦曲线转动第一转轴；
第二伺服驱动器，其能够驱动第二电机以余弦曲线转动第二转轴，
第一检测器，其能够检测第一转轴的第一位置；
第二检测器，其能够检测第二转轴的第二位置；
同步控制器，其配置为使得所述伺服驱动系统进行权利要求1至9任一项所述的两轴同步调整方法。
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