CN115343945B - 一种全自动伺服控制器电流环带宽测试方法及其系统 - Google Patents

一种全自动伺服控制器电流环带宽测试方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及伺服电机控制技术领域，特别涉及一种全自动伺服控制器电流环带宽测试方法及其系统；本发明将伺服电流环带宽的测试过程与手动调节电流环PI的经验过程解耦，通过自动遍历可行的电流环PI参数的过程中，进行正弦波电流扫频测试，将遍历到的不同PI参数带入控制中，将测到的所有带宽数值中的最大值作为实际结果，从而实现伺服带宽测试的可重复性和高可靠性。

Description

一种全自动伺服控制器电流环带宽测试方法及其系统
技术领域
本发明涉及伺服电机控制技术领域，特别涉及一种全自动伺服控制器电流环带宽测试方法及其系统。
背景技术
在传统伺服的电流环带宽响应测试中，一般采用给电流环指令赋值不断增加频率大小的正弦波数值，通过检测到在反馈电流与给定的指令电流相位移90度时，或幅频特性曲线幅值衰减-3db时对应的正弦波电流指令频率，此刻的频率即为电流环带宽。
在实际检测时，这个测试中得到的带宽严重受到当前伺服的电流环调节的PI参数的影响，在不同伺服间，太依赖于测试人员调试经验，调节较好的参数与较差的参数间，带宽测试的结果差距可以达到1kHZ数量级以上，不同测试人员在调试后，针对同一台伺服驱动器，都能得出差异相当大的带宽测试结果。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供了一种全自动伺服控制器电流环带宽测试方法，其将伺服电流环带宽的测试过程与手动调节电流环PI的经验过程解耦，通过自动遍历可行的电流环PI参数的过程中，进行正弦波电流扫频测试，将遍历到的不同PI参数带入控制中，将测到的所有带宽数值中的最大值作为实际结果；还提供了一种全自动伺服控制器电流环带宽测试系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种全自动伺服控制器电流环带宽测试方法，其中，包括如下步骤：
步骤S1、给定正弦波指令的电流环频率的初始值；
步骤S2、电流环PI参数计算模块依当前的电流环频率传输给伺服驱动器的电流控制环使用；
步骤S3、发送开始信号至电流环指令发生及采集模块，开启伺服的测试运行，遍历不同PI参数带入控制中，电流环带宽计算模块持续计算更新最大电流环带宽值，以最大电流环带宽值为实际输出结果。
作为本发明的一种改进，步骤S3包括如下步骤：
步骤S31、接收开始信号；
步骤S32、以电流模式控制电机同时采集同一时间的电流反馈；
步骤S33、保存一个完整周期及以上的电流指令和电流反馈数据后，传输给电流环带宽计算模块。
作为本发明的进一步改进，步骤S3还包括：
步骤S34、对比正弦波指令的频率与电流环带宽范围，当正弦波指令的频率小于设定的电流环带宽值时，以固定值增加正弦波指令的频率，返回步骤S32；当正弦波指令的频率大于或等于设定的电流环带宽值时，返回步骤S31。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S33内，对电流环指令信号和电流环反馈信号应用快速傅里叶变换进行数据处理，以得到对应的幅频特性曲线。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S34内，当一组新的数据处理后，根据电流环带宽的定义，在幅频特征曲线上幅值为-3dB时，记录对应的频率且将之与之前记录的频率进行比较，如果当前的频率小于之前记录的频率，则保留之前记录的频率，如果当前的频率大于之前记录的频率，则储存当前的频率。
一种全自动伺服控制器电流环带宽测试系统，其中，包括：
电流环PI参数计算模块，用于建立电流环的PI控制模型，以一个电流环带宽以固定值对电流环频率增大，得到一系列可行的控制参数；
电流环指令发生及反馈采集模块，用于将正弦波指令传输给电流控制环以电流模式控制电机同时采集同一时间的电流反馈，保存一个完整周期及以上的电流指令和电流反馈数据后传输给电流环带宽计算模块；
电流环带宽计算模块，用于对电流环指令信号和电流环反馈信号进行数据处理，持续计算更新最大电流环带宽值。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明将伺服电流环带宽的测试过程与手动调节电流环PI的经验过程解耦，通过自动遍历可行的电流环PI参数的过程中，进行正弦波电流扫频测试，将遍历到的不同PI参数带入控制中，将测到的所有带宽数值中的最大值作为实际结果，从而实现伺服带宽测试的可重复性和高可靠性。
附图说明
图1为本发明的全自动伺服控制器电流环带宽测试方法的步骤框图；
图2为本发明的全自动伺服控制器电流环带宽测试方法的流程图；
图3为本发明的电流环带宽计算模块的流程图；
图4为本发明的电流环PI参数计算模块的PI控制框图的连接图；
图5为本发明的全自动伺服控制器电流环带宽测试系统的连接示意图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
专利名称为一种伺服响应带宽测试方法及系统（CN201710623511.2）的中国专利，通过简化伺服电机的控制环路，使得伺服电机的控制环路仅与位置环增益有关，再通过调整位置环增益，获得超调临界点对应的上升时间，通过该上升时间来反推出位置环带宽、速度环带宽和电流环带宽；但构建的带宽计算模型过于简单，与现行标准中要求的带宽定义有所差异，且无法适用于非该控制模型的伺服的电流环带宽测试。
专利名称为一种测量伺服驱动器带宽的装置和方法（CN201210220803.9）的中国专利，其公开了采用标准中规定的-3db衰减测试方法来确定电流环带宽，但需求的电流环控制参数如何调整并没有提及，而该参数对实际的测试结果具有较大的误差影响。
专利名称为一种伺服驱动器带宽测试装置和方法（CN201710522396.X）的中国专利，其公开了采用标准中规定的-3db衰减测试方法来确定电流环带宽，但需求的电流环控制参数需要人工手动调整，对实际的测试结果具有较大的误差影响。
请参照图1至图5，本发明提供了一种全自动伺服控制器电流环带宽测试方法，包括如下步骤：
步骤S1、给定正弦波指令的电流环频率的初始值；
步骤S2、电流环PI参数计算模块依当前的电流环频率传输给伺服驱动器的电流控制环使用；
步骤S3、发送开始信号至电流环指令发生及采集模块，开启伺服的测试运行，遍历不同PI参数带入控制中，电流环带宽计算模块持续计算更新最大电流环带宽值，以最大电流环带宽值为实际输出结果。
在本发明内，将伺服电流环带宽的测试过程与手动调节电流环PI的经验过程解耦，通过自动遍历可行的电流环PI参数的过程中，进行正弦波电流扫频测试，将遍历到的不同PI参数带入控制中，将测到的所有带宽数值中的最大值作为实际结果，从而实现伺服带宽测试的可重复性和高可靠性。
进一步，步骤S3包括如下步骤：
步骤S31、接收开始信号；
步骤S32、以电流模式控制电机同时采集同一时间的电流反馈；
步骤S33、保存一个完整周期及以上的电流指令和电流反馈数据后，传输给电流环带宽计算模块，其中，对电流环指令信号和电流环反馈信号应用快速傅里叶变换进行数据处理，以得到对应的幅频特性曲线。
步骤S34、对比正弦波指令的频率与电流环带宽范围，当正弦波指令的频率小于设定的电流环带宽值时，以固定值增加正弦波指令的频率，返回步骤S32；当正弦波指令的频率大于或等于设定的电流环带宽值时，返回步骤S31。
具体地讲，电流环指令发生模块为一个可产生不同频率、幅值的正弦波指令生成模块；采用将电流指令的正弦波幅值设置为伺服驱动器连接电机的额定电流，其步骤如下：
步骤一、在收到开始指令后，给定正弦波指令的频率一个初始值（如500hz）；
步骤二、将正弦波指令传输给电流控制环，以电流模式控制电机，同时采集同一时间的电流反馈；
步骤三、保存一个完整周期以上的电流指令和电流反馈数据后，传输给后续的带宽计算模块；步骤四、当正弦波指令的频率小于原定认为可能的电流环带宽范围（如5kHz）时，以固定值（如100hz）增加正弦波指令的频率，回到步骤二；当正弦波指令的频率大于或等于原定认为可能的电流环带宽范围（如5kHz）时，回到步骤一。
在本发明内，在步骤S34内，当一组新的数据处理后，根据电流环带宽的定义，在幅频特征曲线上幅值为-3dB时，记录对应的频率且将之与之前记录的频率进行比较，如果当前的频率小于之前记录的频率，则保留之前记录的频率，如果当前的频率大于之前记录的频率，则储存当前的频率；具体地讲，该模块主要用于对电流环指令信号和电流环反馈信号利用FFT(快速傅里叶变换)进行数据处理，以得到对应的幅频特性曲线（横轴频率、纵轴幅值的曲线）；当一组新的数据处理后，根据电流环带宽的定义，在幅频特性曲线上幅值为-3dB时，记录对应的频率
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，并与之前记录的频率
Figure 228733DEST_PATH_IMAGE002
进行大小比较，若小于之前记录的频率
Figure 496903DEST_PATH_IMAGE002
则舍去，若大于之前记录的频率
Figure DEST_PATH_IMAGE003
则储存下来令
Figure 584070DEST_PATH_IMAGE004
。
本发明还提供了一种全自动伺服控制器电流环带宽测试系统，包括：
电流环PI参数计算模块，用于建立电流环的PI控制模型，以一个电流环带宽以固定值对电流环频率增大，得到一系列可行的控制参数；
电流环指令发生及反馈采集模块，用于将正弦波指令传输给电流控制环以电流模式控制电机同时采集同一时间的电流反馈，保存一个完整周期及以上的电流指令和电流反馈数据后传输给电流环带宽计算模块；
电流环带宽计算模块，用于对电流环指令信号和电流环反馈信号进行数据处理，持续计算更新最大电流环带宽值。
一、电流环PI参数计算模块
根据传统的电机控制模型可知，电流环的PI控制模型分为两个部分：比例环节部分、积分环节部分；输入信号为电流指令
Figure DEST_PATH_IMAGE005
与电流反馈
Figure 810652DEST_PATH_IMAGE006
的差值
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，将输入信号
Figure 114595DEST_PATH_IMAGE008
经过比例、积分两个环节的作用，输出量叠加后作为控制器的输出值
Figure DEST_PATH_IMAGE009
。在连续时间域中，电流环PI的传递函数表达式如下：
Figure 186456DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为电流环PI控制器的比例系数，
Figure 128129DEST_PATH_IMAGE012
为电流环PI控制器的积分系数，s是传递函数的变量符号，是时域公式经过拉普拉斯变换到频域公式的结果中，变量t（时间）对应在频域的变量。在针对具体的电机控制时，对应的控制参数与电流环频率
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（单位：Hz）的关系公式如下：
Figure 260033DEST_PATH_IMAGE014
（1）
Figure DEST_PATH_IMAGE015
（2）
Figure 51272DEST_PATH_IMAGE016
（3）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
是PI控制的输出值除以伺服的输出电压值，
Figure 192403DEST_PATH_IMAGE018
是控制器本身的最小控制周期，L是测试系统中伺服连接的电机的电感，R是测试系统中伺服连接的电机的电阻。因而，对于待测试的伺服驱动器，可以通过从较低的带宽（如500hz），以一个固定的数值（如100hz）对电流环频率
Figure 221539DEST_PATH_IMAGE013
增大，直到根据前述公式（1）所计算出的
Figure 524344DEST_PATH_IMAGE013
最大值。并根据上述公式（2）和公式（3）在每次增大数值后计算出对应的
Figure 242027DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 655691DEST_PATH_IMAGE012
，即可得到一系列可行的控制参数。
二、电流环指令发生及反馈采集模块
电流环指令发生模块为一个可产生不同频率、幅值的正弦波指令生成模块。
采用将电流指令的正弦波幅值设置为伺服驱动器连接电机的额定电流，然后:
步骤一：在收到开始指令后，给定正弦波指令的频率一个初始值（如500hz）；
步骤二：将正弦波指令传输给电流控制环，以电流模式控制电机，同时采集同一时间的电流反馈；
步骤三：保存一个完整周期以上的电流指令和电流反馈数据后，传输给后续的带宽计算模块；
步骤四：当正弦波指令的频率小于原定认为可能的电流环带宽范围（如5kHz）时，以固定值（如100hz）增加正弦波指令的频率，回到步骤二；当正弦波指令的频率大于或等于原定认为可能的电流环带宽范围（如5kHz）时，回到步骤一。
三、电流环带宽计算模块
该模块主要用于对电流环指令信号和电流环反馈信号利用FFT(快速傅里叶变换)进行数据处理，以得到对应的幅频特性曲线（横轴频率、纵轴幅值的曲线）。
当一组新的数据处理后，根据电流环带宽的定义，在幅频特性曲线上幅值为-3dB时，记录对应的频率
Figure 539333DEST_PATH_IMAGE001
，并与之前记录的频率
Figure 13040DEST_PATH_IMAGE003
进行大小比较，若小于之前记录的频率
Figure 716554DEST_PATH_IMAGE002
则舍去，若大于之前记录的频率
Figure 668329DEST_PATH_IMAGE002
则储存下来令
Figure 672057DEST_PATH_IMAGE004
。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种全自动伺服控制器电流环带宽测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、给定正弦波指令的电流环频率的初始值；
步骤S2、电流环PI参数计算模块依当前的电流环频率传输给伺服驱动器的电流控制环使用；
步骤S3、发送开始信号至电流环指令发生及采集模块，开启伺服的测试运行，遍历不同PI参数带入控制中，电流环带宽计算模块持续计算更新最大电流环带宽值，以最大电流环带宽值为实际输出结果；
所述遍历不同PI参数带入控制中具体为：
所述电流环的PI控制模型分为两个部分：比例环节部分、积分环节部分；输入信号为电 流指令
Figure 9704DEST_PATH_IMAGE001
与电流反馈
Figure 934935DEST_PATH_IMAGE002
的差值
Figure 473757DEST_PATH_IMAGE003
；将输入信号
Figure 535254DEST_PATH_IMAGE004
经过比例、积分 两个环节的作用，输出量叠加后作为控制器的输出值
Figure 881921DEST_PATH_IMAGE005
；
在连续时间域中，电流环PI的传递函数表达式如下：
Figure 294448DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 322447DEST_PATH_IMAGE007
为电流环PI控制器的比例系数，
Figure 317079DEST_PATH_IMAGE008
为电流环PI控制器的积分系数，在针对具体 的电机控制时，对应的控制参数与电流环频率
Figure 506752DEST_PATH_IMAGE009
的关系公式如下：
Figure 468892DEST_PATH_IMAGE010
（1）
Figure 35002DEST_PATH_IMAGE011
（2）
Figure 336671DEST_PATH_IMAGE012
（3）
其中，
Figure 8829DEST_PATH_IMAGE013
是PI控制的输出值除以伺服的输出电压值；因而，对于待测试的伺服驱动 器，基于500hz的带宽，以100hz对所述电流环频率
Figure 395948DEST_PATH_IMAGE009
增大，直到根据前述公式（1）所计算出 的所述电流环频率
Figure 765750DEST_PATH_IMAGE009
最大值；并根据上述公式（2）和公式（3）在每次增大数值后计算出对应 的
Figure 718662DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 515717DEST_PATH_IMAGE008
，即可得到一系列可行的控制参数。
2.根据权利要求1所述的一种全自动伺服控制器电流环带宽测试方法，其特征在于，步骤S3包括如下步骤：
步骤S31、接收开始信号；
步骤S32、以电流模式控制电机同时采集同一时间的电流反馈；
步骤S33、保存一个完整周期及以上的电流指令和电流反馈数据后，传输给电流环带宽计算模块。
3.根据权利要求2所述的一种全自动伺服控制器电流环带宽测试方法，其特征在于，步骤S3还包括：
步骤S34、对比正弦波指令的频率与电流环带宽范围，当正弦波指令的频率小于设定的电流环带宽值时，以固定值增加正弦波指令的频率，返回步骤S32；当正弦波指令的频率大于或等于设定的电流环带宽值时，返回步骤S31。
4.根据权利要求3所述的一种全自动伺服控制器电流环带宽测试方法，其特征在于，在步骤S33内，对电流环指令信号和电流环反馈信号应用快速傅里叶变换进行数据处理，以得到对应的幅频特性曲线。
5.根据权利要求4所述的一种全自动伺服控制器电流环带宽测试方法，其特征在于，在步骤S34内，当一组新的数据处理后，根据电流环带宽的定义，在幅频特征曲线上幅值为-3dB时，记录对应的频率且将之与之前记录的频率进行比较，如果当前的频率小于之前记录的频率，则保留之前记录的频率，如果当前的频率大于之前记录的频率，则储存当前的频率。
6.一种全自动伺服控制器电流环带宽测试系统，其特征在于，包括：
电流环PI参数计算模块，用于建立电流环的PI控制模型，以一个电流环带宽以固定值对电流环频率增大，得到一系列可行的控制参数；
电流环指令发生及反馈采集模块，用于将正弦波指令传输给电流控制环以电流模式控制电机同时采集同一时间的电流反馈，保存一个完整周期及以上的电流指令和电流反馈数据后传输给电流环带宽计算模块；
电流环带宽计算模块，用于对电流环指令信号和电流环反馈信号进行数据处理，持续计算更新最大电流环带宽值；
所述以一个电流环带宽以固定值对电流环频率增大，得到一系列可行的控制参数，具体为：
在连续时间域中，电流环PI的传递函数表达式如下：
Figure 124553DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 111094DEST_PATH_IMAGE007
为电流环PI控制器的比例系数，
Figure 121776DEST_PATH_IMAGE008
为电流环PI控制器的积分系数，在针对具体 的电机控制时，对应的控制参数与电流环频率
Figure 152049DEST_PATH_IMAGE009
的关系公式如下：
Figure 248181DEST_PATH_IMAGE010
（1）
Figure 959785DEST_PATH_IMAGE011
（2）
Figure 127768DEST_PATH_IMAGE012
（3）
其中，
Figure 266625DEST_PATH_IMAGE013
是PI控制的输出值除以伺服的输出电压值；因而，对于待测试的伺服驱动 器，基于500hz的带宽，以100hz对所述电流环频率
Figure 912370DEST_PATH_IMAGE009
增大，直到根据前述公式（1）所计算出 的所述电流环频率
Figure 162086DEST_PATH_IMAGE009
最大值；并根据上述公式（2）和公式（3）在每次增大数值后计算出对应 的
Figure 147360DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 270167DEST_PATH_IMAGE008
，即可得到一系列可行的控制参数。
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