CN114509247A - 一种垂直轴负载的机械特性分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及伺服领域，尤其涉及一种垂直轴负载的机械特性分析方法，包括：步骤1：获取伺服驱动器的重力补偿值；步骤2：伺服驱动器励磁，伺服控制方式采用速度闭环控制，速度环的速度调节器采用IP控制器；步骤3：将重力补偿值作为IP控制器的积分项的初始基值进行重力补偿，松开伺服抱闸；步骤4：施加激励转矩到被控电机；步骤5：保存转速反馈值和电磁转矩输出值；步骤6：将电机的电磁转矩输出值中的直流分量去除；步骤7：将转速反馈值作为输出，将电机的电磁转矩的测量值作为输入进行模型识别，从而识别出频率幅值特性。本发明实现垂直轴负载的机械特性分析，提高测量准确性。

Description

一种垂直轴负载的机械特性分析方法
技术领域
本发明涉及伺服领域，尤其涉及一种垂直轴负载的机械特性分析方法。
背景技术
当伺服系统的增益提高时，振动现象普遍存在于非刚性系统中，影响系统的控制精度。为了减小振动，通常会加入陷波滤波器等振动抑制措施。而振动抑制措施的实施，往往需要基于系统的机械负载特性。为了更好地分析系统的机械负载特性，伺服驱动器产品中一般带有机械特性分析功能，从系统的输入输出数据获取系统数学模型。专利CN1242309C提出一种机械特性分析方法，但是该方法没有考虑到垂直轴模式下重力的影响。在测量机械负载特性时，测量转矩速度的开环特性是最能反映负载特性的，在水平轴的情况下，一般将激励信号直接加在转矩输入，采用转矩开环的控制。但是在垂直轴负载上，受重力影响，不能进行转矩开环控制操作，但是如果在位置闭环或速度闭环的情况下，在转矩给定输入中加入激励，测量结果会受到位置环和速度环的影响，不能直接反映负载特性。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种垂直轴负载的机械特性分析方法，实现垂直轴负载的机械特性分析，提高测量准确性。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种垂直轴负载的机械特性分析方法，步骤包括：
步骤1：获取伺服驱动器的重力补偿值；
步骤2：伺服驱动器励磁，伺服控制方式采用速度闭环控制，速度环的速度调节器采用IP控制器；
步骤3：将重力补偿值作为IP控制器的积分项的初始基值进行重力补偿，松开伺服抱闸；
步骤4：施加激励转矩到被控电机；
步骤5：保存转速反馈值和电磁转矩输出值；
步骤6：将电机的电磁转矩输出值中的直流分量去除；
步骤7：将转速反馈值作为输出，将去除直流分量后的电磁转矩的测量值作为输入进行模型识别，从而识别出频率幅值特性。
优选地，获取重力补偿值时，
对于未存储重力补偿值的伺服驱动器，先进行重力识别；伺服驱动器控制结构为通用伺服采用的位置控制模式，伺服励磁，松开伺服抱闸，采用延时方法等待调整完毕后进测定，记录并存储速度环IP控制器的积分项输出，完成重力识别后，关闭伺服驱动器；
对于已经存储了重力补偿值的伺服驱动器，无需重力识别，直接读取之前存储的重力补偿值即可，由于IP控制器积分环节一直在调整输出，重力补偿值在伺服驱动器正常运行过程中不断更新调整，以便下次开机使用。
优选地，速度环中，IP控制器的比例系数Kp＝160Hz,IP控制器积分时间常数Ti＝200ms。
优选地，模型识别采用的是ETFE模型辨识方法。
优选地，所述步骤7后还包括以下步骤：步骤8：利用识别出的频率幅值特性结果绘制频谱曲线，从频谱曲线反映系统的频率幅值特性用于用户分析。
本发明具有如下有益效果：
一、本发明采用速度闭环控制，避免直接在垂直轴负载进行转矩开环控制，造成负载的跌落；速度环使用IP控制器，减小q轴的冲击电流，加大相位滞后，从而减弱速度响应的实时性；本发明为了凸显激励转矩的控制效应，降低速度环的控制效应，将IP控制器使用到转矩-速度的开环测量中，有效减少转速由于速度环的控制效应带来的调整，加大转速对于激励转矩的响应性，提高测量准确性；本发明易于工程实现且安全稳定，用于分析垂直轴负载的伺服系统的转矩-速度机械特性。
二、在使用IP控制器，速度响应实时性较慢，为了防止速度环刚性较弱情况下，在伺服初始上电时，负载受重力影响产生移位，本发明采用一种基值补偿方法，将重力补偿量作为IP控制器积分环节的初始基值，上电即可实现IP调节器的输出与重力的抵消。当负载运行过程中，如果重力发生变化，IP调节器的积分项会根据转速偏差自动调整，无需考虑重力的变化，而且不用考虑补偿值的介入与撤出时机，与一般的直接加入重力补偿量的方法，由于积分环节一直在调整输出，具有自动调整的优点。
附图说明
图1为本发明实施例方法流程图；
图2为本发明实施例信号传递框图；
图3为本实施例中IP控制器的结构示意图；
图4为本实施例中重力补偿单元的结构示意图；
图5为本实施例中ETFE模型输入数据示意图；
图6为本实施例中ETFE模型输出数据示意图；
图7为本实施例中ETFE模型辨识结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参考图1至图4，本发明为一种垂直轴负载的机械特性分析方法，对现有的伺服驱动器进行改进，现有伺服驱动器的速度环结构为速度调节器获取速度指令后，结合激励信号单元输出的激励信号，输入至转矩控制单元调节后输入至被控对象。
参阅图2，本发明中速度调节器采用IP控制器进行IP控制，其次，采用重力补偿单元获取伺服驱动器的重力补偿值并将重力补偿值作为IP控制器的积分项的初始基值进行重力补偿；最后设置模型识别单元，根据检测的转速反馈值和电机电磁转矩作为测量值进行模型识别，从而识别出系统的频率幅值特性。
参阅图1，本发明为一种垂直轴负载的机械特性分析方法，步骤包括：
步骤1：获取伺服驱动器的重力补偿值；
对于未存储重力补偿值的伺服驱动器，先进行重力识别；伺服驱动器控制结构为通用伺服采用的位置控制模式，伺服励磁，松开伺服抱闸，由于伺服位置环和速度环的存在，会自动平衡重力，本发明中采用延时方法等待调整完毕，1s后进测定；此时伺服由于位置环的存在，不会发生移位，此时记录并存储速度环IP控制器的积分项输出；完成重力识别后，关闭伺服驱动器；
对于已经存储了重力补偿值的伺服驱动器，无需重力识别操作，直接读取之前存储的重力补偿值即可，由于IP控制器积分环节一直在调整输出，重力补偿值在伺服驱动器正常运行过程中不断更新调整，以便下次开机使用。
步骤2：伺服驱动器励磁，将控制结构切换为速度控制，速度环的速度调节器采用IP控制器且增益设置为一个较低值；
本实施例中，IP控制器控制框图如图3所示，其中：ω*为速度指令，ω为速度反馈，Ti为IP控制器积分时间常数，Kp为IP控制器比例系数，Acc*为加速度给定，J为系统惯量，Te*为转矩给定，C(s)为转矩跟踪环，Te为电磁给定，G为重力，f(s)为需要辨识的负载特性，s为拉普拉斯算子；为了获取f(s)的频率特性，A点为理想的数据输入测量点，B点为理想的数据输出测量点，但是电机轴上的受力是难以测量的，只能通过测量电机的电流得到电机的电磁转矩，C点为实际数据输入测量点。
速度环中，IP控制器的比例系数Kp＝160Hz,IP控制器积分时间常数Ti＝200ms。
步骤3：将重力补偿值作为IP控制器的积分项的初始基值进行重力补偿，松开伺服抱闸，此时IP控制器的输出等于之前记录的重力值，自动克服重力，负载不会发生移动。；
步骤4：施加激励转矩到被控电机，输入激励为M序列；
步骤5：保存转速反馈值和电磁转矩输出值；
步骤6：测定完成后上传步骤5中的测试数据至上位机；由于电机的电磁转矩中含有为克服重力产生的直流分量，需要将电机的电磁转矩输出值中的直流分量去除；
步骤7：将转速反馈值作为模型辨识单元的输出，将去除直流分量后的电磁转矩的测量值作为模型辨识单元的输入，利用模型的输入输出数据，在模型辨识单元进行模型辨识从而识别出频率幅值特性，结合图5-图7，本发明采用ETFE(基于经验的传递函数估计方法，Empirical transfer function estimate)模型辨识方法，此方法为本行业公知方法，本发明不再赘述。
步骤8：利用识别出的频率幅值特性结果绘制频谱曲线，从频谱曲线上反映了系统的频率幅值特性，用户即可分析出系统的振动点，用于设定陷波滤波器等，此方法为本行业公知方法，本发明不再赘述。
本发明中，为了避免直接在垂直轴负载进行转矩开环控制，造成负载的跌落，本发明采用速度闭环控制。为了减少速度环对转矩-速度开环特性测量的影响，在机械负载特性的测量过程中，激励信号可以视为系统的扰动环节，但是目的不是抑制这种扰动，而是要保持扰动效应，使用IP控制器，可以减小q轴的冲击电流，加大相位滞后，从而减弱速度响应的实时性。本发明为了凸显激励转矩的控制效应，降低速度环的控制效应，故将IP控制器使用到转矩-速度的开环测量中，可以有效减少转速由于速度环的控制效应带来的调整，加大转速对于激励转矩的响应性，提高测量准确性，故本发明速度调节器采用IP控制结构控制。为了进一步减小速度环的影响，该IP控制器需要采用轻刚性(增益较小)的设置。
在使用以上轻刚性的IP控制结构后，速度响应实时性较慢，为了防止速度环刚性较弱情况下，在伺服初始上电时，负载受重力影响产生移位，本发明采用一种基值补偿方法，如图4所示，将重力补偿量作为IP控制器积分环节的初始基值，上电即可实现IP调节器的输出与重力的抵消。当负载运行过程中，如果重力发生变化，IP调节器的积分项会根据转速偏差自动调整，无需考虑重力的变化，而且不用考虑补偿值的介入与撤出时机，与一般的直接加入重力补偿量的方法，由于积分环节一直在调整输出，具有自动调整的优点。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种垂直轴负载的机械特性分析方法，其特征在于：步骤包括：
步骤1：获取伺服驱动器的重力补偿值；
步骤2：伺服驱动器励磁，伺服控制方式采用速度闭环控制，速度环的速度调节器采用IP控制器；
步骤3：将重力补偿值作为IP控制器的积分项的初始基值进行重力补偿，松开伺服抱闸；
步骤4：施加激励转矩到被控电机；
步骤5：保存转速反馈值和电磁转矩输出值；
步骤6：将电机的电磁转矩输出值中的直流分量去除；
步骤7：将转速反馈值作为输出，将去除直流分量后的电磁转矩的测量值作为输入进行模型识别，从而识别出频率幅值特性。
2.根据权利要求1所述的垂直轴负载的机械特性分析方法，其特征在于：获取重力补偿值时，
对于未存储重力补偿值的伺服驱动器，先进行重力识别；伺服驱动器控制结构为通用伺服采用的位置控制模式，伺服励磁，松开伺服抱闸，采用延时方法等待调整完毕后进测定，记录并存储速度环IP控制器的积分项输出，完成重力识别后，关闭伺服驱动器；
对于已经存储了重力补偿值的伺服驱动器，无需重力识别，直接读取之前存储的重力补偿值即可，由于IP控制器积分环节一直在调整输出，重力补偿值在伺服驱动器正常运行过程中不断更新调整，以便下次开机使用。
3.根据权利要求1所述的垂直轴负载的机械特性分析方法，其特征在于：速度环中，IP控制器的比例系数Kp＝160Hz，IP控制器积分时间常数Ti＝200ms。
4.根据权利要求1所述的垂直轴负载的机械特性分析方法，其特征在于：模型识别采用的是ETFE模型辨识方法。
5.根据权利要求1所述的垂直轴负载的机械特性分析方法，其特征在于：所述步骤7后还包括以下步骤：
步骤8：利用识别出的频率幅值特性结果绘制频谱曲线，从频谱曲线反映系统的频率幅值特性用于用户分析。
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