CN114770496B - 一种利用数字孪生技术抑制机器人关节机械振动的关节伺服驱动控制器 - Google Patents

一种利用数字孪生技术抑制机器人关节机械振动的关节伺服驱动控制器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用数字孪生技术抑制机器人关节机械振动的关节伺服驱动控制器。通过并行运行的数字孪生模型的第二数字信号处理器和执行伺服控制算法的第一数字信号处理器，数字孪生模型控制的刚性系统的电机速度反馈值和伺服系统的电机速度反馈值之差经过低通滤波器和高通滤波器再乘以振动补偿的增益，得到振动分量的补偿值被馈入实际的速度控制器，最终有益的效果就是实际的伺服系统的机械振动被削弱或者被抑制。其中本发明的有益效果是：在抑制机器人关节机械振动时无需识别振动频率，无需在线设置滤波器参数，振动抑制算法实时运行，持续起作用，和核心控制环具有相同的控制周期，关节电机高低速无差别运行。

Description

一种利用数字孪生技术抑制机器人关节机械振动的关节伺服 驱动控制器
技术领域
本发明涉及机械臂振动抑制领域，特别涉及一种利用数字孪生技术抑制机械臂振动的关节伺服驱动控制方法。
背景技术
伺服驱动系统是一种机电一体系统。
机电系统在运动状态下，容易在某种因素激发下引起机械振动，机械振动发生后可能对伺服动作定位精度产生影响，严重的可能引起机械部件损坏。伺服机械系统不仅具有固有的谐振频率，也会因运动动作引起其他的振动频率。
因此，有必要对该机械振动进行削弱或者抑制。
现有伺服驱动系统中，一般采用多种方法对机械振动进行抑制，如增加机械系统的刚性等外部物理的方法。从控制层面也有多种方法进行处理，比如针对不同的振动频率段，在控制环路中采用不同的滤波器技术对振动分量进行控制从而达到减小或者抑制机械振动的目的。
但是，现有技术一般需要区分振动类型和识别振动频率进而采取相应的补偿算法，这种方法需要设置相应的滤波器，在准确的区分并识别出了振动频率之后才可取得较好的效果。因此，这种方法的关键首先在于振动频率的识别，然后才是采取何种措施来抑制该频率的机械振动。
然而在振动频率识别中，识别精度和识别速度对最终的振动抑制效果都有影响。而且，即便识别出来之后，再进行相关滤波器的设置，对于电机高速运行的场合也可能存在振动抑制失效的风险。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种利用数字孪生技术抑制机械臂振动的关节伺服驱动控制方法，本发明的技术方案是这样实施的：
一种利用数字孪生技术抑制机器人关节机械振动的关节伺服驱动控制器，内嵌有专门运行数字孪生模型的第二数字信号处理器和执行伺服控制算法的第一数字信号处理器；
所述数字孪生模型是基于伺服控制算法控制的实际运行的伺服系统建成的无谐振因素的刚性系统的数字模型；
所述伺服控制算法的输出特性参数和所述数字孪生模型的输出特性参数相减，相同的输出特性参数相互抵消，不同的输出特性参数差值即为实际运行的伺服系统的振动分量，所述振动分量被作为对伺服系统进行补偿的基础，从而削弱或抑制伺服系统的机械振动。
优选地，所述第一数字信号处理器中运行位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器的参数和所述第二数字信号处理器中运行位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器的对应的参数相同；
所述第二数字信号处理器控制所述数字孪生模型中的电机及负载惯量模型；
所述第一数字信号处理器的速度和转矩指令输入到负载转矩观测器后，所述负载转矩观测器计算伺服控制算法中的电机负载转矩输出给第二数字信号处理器作为数字孪生模型的负载转矩；
所述第一数字信号处理器和所述第二数字信号处理器中运行的位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器对应的执行周期相同。
优选地，所述第一数字信号处理器接收所述第二数字信号处理器反馈的数字孪生模型控制的刚性系统的电机速度并计算与实际运行的伺服系统的电机速度之差，所述速度差作为实际运行的伺服系统的振动分量先后经过低通滤波器和高通滤波器后乘以补偿增益得到振动补偿分量，所述振动补偿分量反馈至所述伺服控制算法的速度环控制器。
优选地，所述低通滤波器和所述高通滤波器滤除振动分量中的极低频振动成分和调节振动频率成分的相位后，馈入所述第一数字信号处理器中的速度控制器。
优选地，所述关节伺服驱动控制器用于抑制伺服系统的机械振动。
优选地，所述第一数字信号处理器和所述第二数字信号处理器为多核数字信号处理器中的单核数字信号处理器；或所述第一数字信号处理器和所述第二数字信号处理器为单独的数字信号处理器。
实施本发明的技术方案可解决现有技术中伺服驱动系统存在的机械振动现象会引起伺服定位误差增加，甚至过大的振动会引起机械部件的损坏的技术问题；实施本发明的技术方案，通过以数字孪生技术为基础，建立了具有数字孪生模型的伺服驱动控制器，能实现自适应的对伺服系统出现的机械振动加以抑制的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的算法控制框图；
图2为振动分量提取及补偿分量算法框图；
图3为实际双惯量柔性伺服系统传递函数框图；
图4为振动分量处理算法框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
在一种具体的实施例中，一种利用数字孪生技术抑制机器人关节机械振动的关节伺服驱动控制器，内嵌有专门运行数字孪生模型的第二数字信号处理器和执行伺服控制算法第一数字信号处理器；
所述数字孪生模型是基于伺服控制算法控制的实际运行的伺服系统建成的无谐振因素的刚性系统的数字模型；
所述伺服控制算法的输出特性参数和所述数字孪生模型的输出特性参数相减，相同的输出特性参数相互抵消，不同的输出特性参数差值即为实际运行的伺服系统的振动分量，所述振动分量被作为对伺服系统进行补偿的基础，从而削弱或抑制伺服系统的机械振动。
所述第一数字信号处理器中运行位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器的参数和所述第二数字信号处理器中运行位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器的对应的参数相同；
所述第二数字信号处理器控制所述数字孪生模型中的电机及负载惯量模型；
所述第一数字信号处理器的速度和转矩指令输入到负载转矩观测器后，所述负载转矩观测器计算伺服控制算法中的电机负载转矩输出给第二数字信号处理器作为数字孪生模型的负载转矩；
所述第一数字信号处理器和所述第二数字信号处理器中运行的位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器对应的执行周期相同。
所述第一数字信号处理器接收所述第二数字信号处理器反馈的数字孪生模型控制的刚性系统的电机速度并计算与实际运行的伺服系统的电机速度之差，所述速度差作为实际运行的伺服系统的振动分量先后经过低通滤波器和高通滤波器后乘以补偿增益得到振动补偿分量，所述振动补偿分量反馈至所述伺服控制算法的速度环控制器。
所述低通滤波器和所述高通滤波器滤除振动分量中的极低频振动分量和调节振动频率成分的相位后，馈入所述第一数字信号处理器中的速度控制器。
进一步的说明本发明的思想如下。
伺服系统发生机械振动时，振动分量必然会体现在电机编码器输出的信号中，进而会体现在反馈的电机速度中。因此如果能从速度反馈量中提取出该振动分量并进行补偿，则能有效减少机械振动。
但是，要提取该振动分量是比较困难的，因为伺服系统在运行中，负载不同，惯量不同，振动频率也都是不同的，因此在实际提取中存在很多不确定性。
如果能有相同的另一个控制系统，但该控制系统是“纯净”的无振动分量的控制系统，该控制系统除了无振动分量之外，其他的环节与实际运行的伺服系统均一致。这样，如果把该“纯净”系统的速度值和实际运行的伺服系统的速度值之差得到，相当于得到了实际的伺服系统的振动分量，然后对该振动分量进行相应的数学处理之后，再引入实际控制环节进行补偿，则会有效削弱或抑制实际伺服系统的机械振动。
因此，本实施例以数字孪生技术为基础，建立了具有数字孪生模型的伺服驱动控制器，能自适应的对伺服系统出现的机械振动加以抑制。基于“纯”刚性的数字孪生模型和实际伺服算法相结合，以实现振动抑制，并进行相位和增益调节处理。
本实施例中，数字孪生模型是基于实际运行的伺服系统建成的无谐振因素的刚性系统的数字模型，该数字孪生模型完全反映了实际的伺服控制算法剔除了振动分量之后的特性。因此实际的伺服控制算法的输出特性和该数字孪生模型的输出特性参数相减，相同的输出特性参数相互抵消，不同的输出特性参数差值即为实际运行的伺服系统的振动分量，所述振动分量被作为对伺服系统进行补偿的基础，从而削弱或抑制伺服系统的机械振动。
因为该数字孪生模型的存在，因此本实施例的技术方案对低频谐振、中高频谐振均有很好的抑制作用，从而提升实际运行的伺服系统的性能。特别是在机器人机械臂领域，当各关节谐振频率各不相同时，该方案均可以起到抑制振动的目的。
下面结合附图对本实施例进行详细说明。
图1为实际控制系统和数字孪生模型系统控制框图。
图1中，各符号的含义如下：
Kp：位置控制器增益；
Kv_p：速度环比例增益；
Kp_i：速度环积分增益；
Kc_p：电流环比例增益；
Kc_i：电流环积分增益；
θ(s)：电机转子位置转换单元；
θ(t)：电机反馈转子位置角；
i(t)：电机电流；
ω(t)：电机转速；
im(t)：模型中电机电流；
ωm(t)：模型中电机转速；
Jm：电机转子惯量；
JL：负载惯量；
θref(t)：位置指令；
s：拉普拉斯算子。
本实施例采用了两个数字信号处理器，分别为第一数字信号处理器和第二数字信号处理器。
第一数字信号处理器运行控制实际运行的伺服系统的伺服控制算法；第二数字信号处理器运行基于实际运行的伺服系统建成的无谐振因素的刚性系统的数字孪生模型。
第一数字信号处理器和第二数字信号处理器也可以是一个多核数字信号处理器中的两个单核数字信号处理器。
第一数字信号处理器和第二数字信号处理器可以并行运行。
在第一数字信号处理器中运行的位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器参数和第二数字信号处理器中运行的位置环控制器、速度环控制器和电流环的控制器对应的参数取值相同。
不同的是，第一数字信号处理器控制的是实际运行的伺服控制算法，而第二数字信号处理器控制的是在数字孪生模型中模拟运行的电机及负载惯量模型。
伺服控制算法的速度和转矩指令输入到负载转矩观测器，负载转矩观测器输出计算的负载转矩给数字孪生模型作为负载转矩。
第一数字信号处理器和第二数字信号处理器中各对应的速度环控制器、电流环控制器和位置环控制器具有相同的执行周期。
数字孪生模型由控制系统模型和电机及负载惯量模型组成；其中，控制系统模型和在第一数字信号处理器中运行的实际控制器结构及参数相同，各控制环路具有相同的执行周期。
控制环路由位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器组成。第二数字信号处理器中的位置指令和第一数字信号处理器中伺服控制算法中的位置指令相同。
图2为振动分量提取及补偿算法。
数字孪生模型输出速度为不含谐振分量的电机速度，该速度和实际运行的伺服系统的电机速度之差，作为振动频率分量的基础。
振动分量要进入低通滤波器和高通滤波器，所述低通滤波器和所述高通滤波器滤除所述振动分量中的极低频振动成分和调节振动频率成分的相位后，馈入所述第一数字信号处理器中的速度控制器。具体的，如图4所示：
ω0为低通滤波器截至频率，ω1为高通滤波器截至频率，Kvs为补偿增益。
本实施例中的技术方案对控制机器人机械臂关节的伺服系统的振动进行抑制，不必区分或者识别具体振动频率，不仅对机械臂关节末端较高频振动有效，也对关节电机系统低频振动有效。
在一种具体的应用例中，如图3所示，一种简化的具有2惯量体弹性实际控制系统，这种2惯量体弹性伺服系统具有固有的谐振频率，是典型的谐振系统，此处作为例子进一步说明本发明的理论基础。
图3的各符号含义如下：
ωref(t)：速度指令；
ωr：谐振频率；
ωa：反谐振频率；
s:拉普拉斯算子。
为简化说明，以P控制速度闭环为例(P控制，即比例控制)。
实际运行的伺服系统的电机惯量为Jm，负载惯量为JL，该伺服系统谐振频率为Wr，反谐振频率为Wa。由该传递函数图可见，如果仅把前面的1/(Jm+JL)环节看作为一个刚性系统的话，后面的两个环节就是谐振环节，则图3中ω0(t)就是刚性系统输出的电机速度，不包含谐振频率；而图3中ω(t)为包含了谐振频率的电机速度输出，这正是实际运行的伺服系统中电机编码器的输出；本质上刚性系统输出的速度无法被直接采集到。因此，如果能够采集到ω0(t)，则振动频率分量会容易得到，从而才有可能针对性地进行补偿。
结合上述实施例和应用例。本发明构建了基于实际运行的伺服控制算法的数字孪生模型。
在本发明中，位置环为比例控制；速度环和电流环为PI控制器；PI控制器，即是比例-积分控制器；
位置控制器的输出作为速度控制器的指令输入；速度控制器的输出作为电流控制器的指令输入。
电流控制器的输出施加在电机上对电机进行控制。
采集电机电流作为电流反馈；
采集电机转速作为速度反馈；
采集电机转子位置作为位置反馈。
伺服控制算法(运行于第一数字信号处理器)和数字孪生模型(运行于第二数字信号处理器)，对应的控制参数相同。
而数字孪生模型中，电机及负载采用1/(Jm+JL)s作为电机及负载模型。
本发明在抑制机器人关节机械振动时无需识别振动频率，无需在线设置滤波器参数，振动抑制算法实时运行，持续起作用，和核心控制环具有相同的执行周期，电机高低速无差别运行。
需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用数字孪生技术抑制机器人关节机械振动的关节伺服驱动控制器，其特征在于：内嵌有专门运行数字孪生模型的第二数字信号处理器和执行伺服控制算法的第一数字信号处理器；
所述数字孪生模型是基于伺服控制算法控制的实际运行的伺服系统建成的无谐振因素的刚性系统的数字模型；
所述伺服控制算法的输出特性参数和所述数字孪生模型的输出特性参数相减，相同的输出特性参数相互抵消，不同的输出特性参数差值即为实际运行的伺服系统的振动分量，所述振动分量被作为对伺服系统进行补偿的基础，从而削弱或抑制伺服系统的机械振动；
所述第一数字信号处理器中运行位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器的参数和所述第二数字信号处理器中运行位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器的对应的参数相同；
所述第二数字信号处理器控制所述数字孪生模型中的电机及负载惯量模型；
所述第一数字信号处理器的速度和转矩指令输入到负载转矩观测器后，所述负载转矩观测器计算伺服控制算法中的电机负载转矩输出给第二数字信号处理器作为数字孪生模型的负载转矩；
所述第一数字信号处理器和所述第二数字信号处理器中运行的位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器对应的执行周期相同。
2.根据权利要求1所述的一种利用数字孪生技术抑制机器人关节机械振动的关节伺服驱动控制器，其特征在于：所述第一数字信号处理器接收所述第二数字信号处理器反馈的数字孪生模型控制的刚性系统的电机速度并计算与实际运行的伺服系统的电机速度差，所述速度差作为实际运行的伺服系统的振动分量先后经过低通滤波器和高通滤波器后乘以补偿增益得到振动补偿分量，所述振动补偿分量反馈至所述伺服控制算法的速度环控制器。
3.根据权利要求2所述的一种利用数字孪生技术抑制机器人关节机械振动的关节伺服驱动控制器，其特征在于：所述低通滤波器和所述高通滤波器滤除振动分量中的极低频振动成分和调节振动频率成分的相位后，馈入所述第一数字信号处理器中的速度控制器。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种利用数字孪生技术抑制机器人关节机械振动的关节伺服驱动控制器，其特征在于：所述关节伺服驱动控制器用于抑制伺服系统的机械振动。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种利用数字孪生技术抑制机器人关节机械振动的关节伺服驱动控制器，其特征在于：所述第一数字信号处理器和所述第二数字信号处理器为多核数字信号处理器中的单核数字信号处理器；或所述第一数字信号处理器和所述第二数字信号处理器为单独的数字信号处理器。
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