CN115085624B - 一种交流伺服系统电流环自整定方法 - Google Patents

一种交流伺服系统电流环自整定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交流伺服系统电流环自整定方法，包括的步骤如下：步骤一，通过常规的电阻电感测量仪器，测量出需要整定的交流伺服电机的相电阻和相电感的具体值；步骤二，交流伺服驱动器中电流环采用串行PI控制，其公式为：kp为比例增益；tis为积分时间常数；L为相电感，λ为幅值优化常数，T∑i为电流延时时间和；L为相电感，R为相电阻；其中，L相电感，R相电阻，通过步骤一可测量得出，T∑i由电流环电流采集延时，电流环运算延时，电流环输出总延时组成。本发明的使用，使交流伺服参数调试不再繁杂，且对调试人员技术性要求降低，按步骤操作即可，同时自整定时间，明显比人工调试时间短，降低了人工成本。

Description

一种交流伺服系统电流环自整定方法
技术领域
本发明涉及交流伺服系统电流环自整定技术领域，具体为一种交流伺服系统电流环自整定方法。
背景技术
近年来，随着工业机器人、数控机床等行业的迅猛发展，交流伺服系统(交流伺服驱动器和交流伺服电机)的需求量越来越大，这为交流伺服系统的发展创造了有利的条件，同时，也对交流伺服系统的控制精度和调试简易性提出了更高的要求，交流伺服系统控制部分一般为三环结构(位置环、速度环、电流环)，电流环为最内环，是位置环、速度环的基础，良好的电流环动态响应，是实现伺服系统高精度控制的前提，但在现有情况下，交流伺服参数调试繁杂，且对调试人员技术性要求比较高，调试耗时较长，所以需要一种电流环自整定方法，以上分析可得，现有问题点是，交流伺服参数调试繁杂，且对调试人员技术性要求比较高，调试耗时较长，这就会导致人工成本的增加，所以电流环自整定势在必行。
现有的交流伺服系统电流环自整定方法存在的缺陷是：
1、专利文件CN103124158A公开了基于分数阶的永磁同步电机速度环控制参数的自整定方法，“该方法具体包括：首先采集所述交流伺服系统的电流与速度信号；其次，根据所述采集信号，辨识永磁同步电机伺服系统速度环被控对象模型，识别出模型的参数；最后，对控制参数进行寻优整定，获得最优的控制参数。本发明的方法利用分数阶PI控制器取代原有的整数阶PI控制器，并自动地整定控制器的参数，并且利用模式搜索算法对控制器参数进行寻优，整定出的控制器参数，具有良好的鲁棒性、抗扰动能力和控制精度”；
2、专利文件CN101989827A公开了一种基于PDFF的交流伺服驱动器控制参数自整定方法，“本发明将基于扰动转矩观测器的惯量辨识算法和交流伺服系统的特性相结合，可以实现不同转动惯量下交流伺服系统的速度环的PID参数的自整定。工程人员不需要根据经验手动设定和调节控制器参数，系统能自动完成速度环参数自整定，与现有技术相比，具有设计原理简单，对外部负载设备惯量变化较大的情况，有良好的适应性等优点”；
3、专利文件CN103713516A公开了一种基于PDFF的交流伺服驱动器控制参数自整定方法，“所述方法首先采集辨识交流伺服系统模型所需要的电流与速度信号；其次，根据所采集的信号，辨识永磁同步电机交流伺服驱动系统的速度环被控对象模型，辨识出模型的参数；最后，根据模型的参数以及性能指标对伺服驱动器的控制参数进行寻优整定，以获得最优的控制参数。该自整定方法在伺服驱动器的速度环利用PDFF控制器取代传统的PI控制器，并自动地整定控制器的参数。该自整定方法利用递推最小二乘法来辨识被控对象的模型，在根据可行的性能指标，利用模式搜索算法对控制器参数进行寻优，得到最优的控制参数，使得伺服驱动系统具有良好的抗扰动能力、控制精度以及鲁棒性”；
综上所述现有的交流伺服系统电流环自整定方法，调试人员在操作时并不能简易的进行操作，且参数调试繁杂，提高了人工成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种交流伺服系统电流环自整定方法，以解决上述背景技术中提出的参数调试繁杂的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种交流伺服系统电流环自整定方法，包括的步骤如下：
步骤一，通过常规的电阻电感测量仪器，测量出需要整定的交流伺服电机的相电阻和相电感的具体值。
步骤二，交流伺服驱动器中电流环采用串行PI控制，其公式为：
kp为比例增益；tis为积分时间常数………………………(1)
L为相电感，λ为幅值优化常数，/>为电流延时时间和……(2)
L为相电感，R为相电阻…………………………………………(3)；
其中，L相电感，R相电阻，通过步骤一可测量得出，由电流环电流采集延时，电流环运算延时，电流环输出总延时组成，这三部分延时，在交流伺服驱动器设计时是已知的量，所以对于电流环的自整定，就简化为仅需整定λ即可。
优选的，步骤三，动态响应性能优良的电流环是实现高精度交流伺服系统的基础，所以采用绝对误差积分IAE作为电流环的性能的评价函数，其公式为式中t为控制周期，err＝电流给定-电流反馈，ti为第0次到第i次积分的上限，dt为t的微分，即t的变化量，该公式表明的是指令与反馈所围成的区域面积绝对值的大小，面积越小，响应越好，在实际中电流环给定分为q轴电流给定和d轴电流给定，q轴电流给定不为0时，交流伺服电机存在力矩，电机轴会转动，这对实际使用提出了一定的条件，为了满足通用性，这里电流给定使用d轴电流给定，d轴电流给定不为0时，不会产生力矩，所以电机轴可以不转动，提高了此自整定方法的通用性，进一步的，公式中的err＝d轴电流给定-d轴电流反馈，同时，此公式在系统参数选择不同时，在性能指标上的反应不明显，为了体现动态响应性能，所以对IAE公式进行了改进，当err>0时，表示d轴电流反馈没有跟踪上d轴电流给定，这时就进一步放大err值，变成2*err从而体现电流环的动态响应，所以本发明最终使用发明的分段式绝对误差积分作为评价函数，其形式为公式4和公式5：
当err>0时
当err<＝0时
优选的，步骤四，电流环开始自整定时，交流伺服驱动器产生一定频率的方波d轴电流给定，其频率一般为10～50Hz，其d轴给定电流最大值为电机额定电流。
优选的，步骤五，在每次d轴给定电流向上阶跃时，改变PI控制的电流环的Kp值，即改变λ的值，λ每次改变+0.1，λ初始值不为0即可，一般为0.1。
优选的，步骤六，使用公式4和公式5，进行累计d轴电流给定为电机额定电流时的IAE值，每次开始累计IAE值时，先对IAE值进行清零。
优选的，步骤七，对相邻两次的IAE值进行比较，IAE_1为第1次的IAE值，IAE_2为第2次的IAE值，IAE_3为第3次的IAE值，以此类推，IAE_n为第n次IAE值，IAE_n+1为第n+1次IAE值，如果IAE_2比IAE_1小，则λ继续加0.1；然后用IAE_3与IAE_2比较，如果IAE_3比IAE_2小，则λ继续加0.1，以此类推；直到IAE_n+1的值大于IAE_n，则电流环自整定结束，读取第n次的λ值，然后代入公式2中，计算出PI控制的电流环的Kp值，至此，即可实现本发明的交流伺服系统电流环自整定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明的使用，让调试人员操作简单，使交流伺服参数调试不再繁杂，且对调试人员技术性要求降低，按步骤操作即可，同时自整定时间，明显比人工调试时间短，降低了人工成本；
2.本发明，理论联系实际，参数Kp中未知变量λ，通过电流环d轴电流一次次的方波电流给定，用电流阶跃的方式结合分段式IAE评价函数，不断的自动调整得到，类似人工调试，把人工调试的思想变成了自整定；
3.对绝对误差积分(IAE)这个评价函数，进行了改进，也是本发明的优点，使其对电流响应的表现更加明显。
附图说明
图1为本发明的交流伺服系统控制框图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明的d轴电流给定示意图；
图4为本发明λ值改变点结构示意图；
图5为本发明累计IAE值示意图；
图6为本发明每次IAT值的示意图。
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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-图6，本发明提供的一种实施例：
实施例1：步骤A，使用MICROTEST LCR METER 6374仪器，测量出格特电机(型号G3M-06040F27TGAE-S001)的相电阻为2.1565Ω，相电感为0.003071H。
步骤B，使用步骤二中的公式2和公式3，即可算出PI控制的电流环的比例系数Kp和Ki，Kp中的为电流延时时间和，在型号为HSS-LEDG-076交流伺服平台上，其值为85.75us(平台介绍：电流环控制周期为62.5us，电流采样在进入控制周期后延时8us后进行电流采集，电流环本次计算完成，在下一个控制周期开始时更新PWM)，那么Kp中就只有λ(幅值优化常数)是一个未知量，通过下面步骤即可得出。
步骤C，型号为HSS-LEDG-076交流伺服平台，工作在电流环自整定模式下，d轴电流给定发出方波给定电流，然后在给定电流为电机额定电流时，计算d轴的偏差(err＝d轴电流给定-d轴电流反馈)，同时进行IAE值的求取。
步骤D，每次方波给定电流阶跃处，改变λ值，计算Kp，同时比较相邻两次的IAE值，按步骤七的方式得出λ的值，然后代入公式2中，计算出PI控制的电流环的Kp值，至此，交流伺服系统电流环自整定完成。
实施例2：步骤A，使用MICROTEST LCR METER 6374仪器，测量出格特电机(型号G3M-06040F27TGAE-S001)的相电阻为2.8461Ω，相电感为0.002171H。
步骤B，使用步骤二中的公式2和公式3，即可算出PI控制的电流环的比例系数Kp和Ki，Kp中的为电流延时时间和，在型号为HSS-LEDG-076交流伺服平台上，其值为82.75us(平台介绍：电流环控制周期为62.5us，电流采样在进入控制周期后延时9us后进行电流采集，电流环本次计算完成，在下一个控制周期开始时更新PWM)，那么Kp中就只有λ(幅值优化常数)是一个未知量，通过下面步骤即可得出。
步骤C，型号为HSS-LEDG-076交流伺服平台，工作在电流环自整定模式下，d轴电流给定发出方波给定电流，然后在给定电流为电机额定电流时，计算d轴的偏差(err＝d轴电流给定-d轴电流反馈)，同时进行IAE值的求取。
步骤D，每次方波给定电流阶跃处，改变λ值，计算Kp，同时比较相邻两次的IAE值，按步骤七的方式得出λ的值，然后代入公式2中，计算出PI控制的电流环的Kp值，至此，交流伺服系统电流环自整定完成。
实施例3：步骤A，使用MICROTEST LCR METER 6374仪器，测量出格特电机(型号G3M-06040F27TGAE-S001)的相电阻为2.2153Ω，相电感为0.002981H。
步骤B，使用步骤二中的公式2和公式3，即可算出PI控制的电流环的比例系数Kp和Ki，Kp中的为电流延时时间和，在型号为HSS-LEDG-076交流伺服平台上，其值为83.78us(平台介绍：电流环控制周期为62.5us，电流采样在进入控制周期后延时7us后进行电流采集，电流环本次计算完成，在下一个控制周期开始时更新PWM)，那么Kp中就只有λ(幅值优化常数)是一个未知量，通过下面步骤即可得出。
步骤C，型号为HSS-LEDG-076交流伺服平台，工作在电流环自整定模式下，d轴电流给定发出方波给定电流，然后在给定电流为电机额定电流时，计算d轴的偏差(err＝d轴电流给定-d轴电流反馈)，同时进行IAE值的求取。
步骤D，每次方波给定电流阶跃处，改变λ值，计算Kp，同时比较相邻两次的IAE值，按步骤七的方式得出λ的值，然后代入公式2中，计算出PI控制的电流环的Kp值，至此，交流伺服系统电流环自整定完成。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (1)

1.一种交流伺服系统电流环自整定方法，其特征在于，包括的步骤如下：
步骤一，通过常规的电阻电感测量仪器，测量出需要整定的交流伺服电机的相电阻和相电感的具体值；
步骤二，交流伺服驱动器中电流环采用串行PI控制，其公式为：
Kp为比例增益；Tis为积分时间常数………………………(1)
L为相电感，λ为幅值优化常数，T∑i为电流延时时间和……(2)
L为相电感，R为相电阻…………………………………………(3)；
其中，L相电感，R相电阻，通过步骤一可测量得出，T∑i由电流环电流采集延时，电流环运算延时，电流环输出总延时组成，这三部分延时，在交流伺服驱动器设计时是已知的量，所以对于电流环的自整定，就简化为仅需整定λ即可；
步骤三，动态响应性能优良的电流环是实现高精度交流伺服系统的基础，所以采用绝对误差积分IAE作为电流环的性能的评价函数，其公式为式中t为控制周期，err＝电流给定-电流反馈，Ti为第0次到第i次积分的上限，dt为t的微分，即t的变化量，该公式表明的是指令与反馈所围成的区域面积绝对值的大小，面积越小，响应越好，在实际中电流环给定分为q轴电流给定和d轴电流给定，q轴电流给定不为0时，交流伺服电机存在力矩，电机轴会转动，这对实际使用提出了一定的条件，为了满足通用性，这里电流给定使用d轴电流给定，d轴电流给定不为0时，不会产生力矩，所以电机轴可以不转动，提高了此自整定方法的通用性，进一步的，公式中的err＝d轴电流给定-d轴电流反馈，同时，此公式在系统参数选择不同时，在性能指标上的反应不明显，为了体现动态响应性能，所以对IAE公式进行了改进，当err>0时，表示d轴电流反馈没有跟踪上d轴电流给定，这时就进一步放大err值，变成2*err从而体现电流环的动态响应，所以本发明最终使用发明的分段式绝对误差积分作为评价函数，其形式为公式4和公式5：
当err>0时
当err<＝0时
步骤四，电流环开始自整定时，交流伺服驱动器产生一定频率的方波d轴电流给定，其频率为10～50Hz，其d轴给定电流最大值为电机额定电流；
步骤五，在每次d轴给定电流向上阶跃时，改变PI控制的电流环的Kp值，即改变λ的值，λ每次改变+0.1，λ初始值不为0即可，为0.1；
步骤六，使用公式4和公式5，进行累计d轴电流给定为电机额定电流时的IAE值，每次开始累计IAE值时，先对IAE值进行清零；
步骤七，对相邻两次的IAE值进行比较，IAE_1为第1次的IAE值，IAE_2为第2次的IAE值，IAE_3为第3次的IAE值，以此类推，IAE_n为第n次IAE值，IAE_n+1为第n+1次IAE值，如果IAE_2比IAE_1小，则λ继续加0.1；然后用IAE_3与IAE_2比较，如果IAE_3比IAE_2小，则λ继续加0.1，以此类推；直到IAE_n+1的值大于IAE_n，则电流环自整定结束，读取第n次的λ值，然后代入公式2中，计算出PI控制的电流环的Kp值，至此，即可实现本发明的交流伺服系统电流环自整定。
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