CN115800871A - 基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法 - Google Patents

基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法。电机拖动摇臂机构，在规定时间内走完一定行程，通常规划梯形速度曲线。通过调整加减速段时间、匀速段时间以及匀速段转速，可以规划出不同的速度曲线。按照摇臂机构的运动行程和时间，规划出一系列速度曲线之后，带入电机效率MAP图，可以计算出摇臂机构按照所规划的速度曲线运动过程中电机的能量损耗。对所有规划的速度曲线的损耗进行计算，根据损耗最低原则寻优，找到最优的速度规划曲线，使得摇臂运动过程中能量损耗最低，从而降低驱动系统发热，抑制驱动器温升。

Description

基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法
技术领域
本发明属于伺服控制技术，具体为一种基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法。
背景技术
摇臂机构是伺服电机的一种典型应用，现在广泛应用于各种机器人关节。在实际工程应用中，对摇臂机构进行伺服控制，通常要求摇臂有较高的定位精度。为了较好的实现摇臂机构的高精度定位控制，通常会对摇臂机构运动过程中的速度曲线进行规划，通常学者们会简单规划一条梯形速度曲线。然而这样简单规划的速度曲线并没有考虑电机的损耗以及驱动系统的发热情况，所规划的曲线不一定是效率最优曲线。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法，以降低摇臂运动过程中的能量损耗，降低驱动系统发热，抑制驱动器温升。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法，包括以下步骤：
步骤1，根据摇臂运动行程以及总运行时间，基于梯形速度曲线，调整加速段、减速段以及匀速段的规划时间，获得多种不同的速度规划曲线；
步骤2，根据电机效率云图，计算速度规划曲线上每个规划点的运行功率和损耗；
步骤3，选取能量损耗最小的速度规划曲线，将其作为最优速度规划曲线。
优选地，步骤1获得多种不同的速度规划曲线的具体方法为：
设置梯形速度曲线加速段时间为
Figure SMS_1
，匀速段时间
Figure SMS_2
以及减速段时间
Figure SMS_3
，最高转速为
Figure SMS_4
，摇臂机构运动目标为在规定时间
Figure SMS_5
内走完既定行程
Figure SMS_6
，梯形速度曲线各设置参数与摇臂机构运动目标存在以下约束关系：
Figure SMS_7
选取加速段时间
Figure SMS_8
以及最高转速
Figure SMS_9
作为变量，规划的速度曲线表示为：
Figure SMS_10
。
优选地，步骤2根据电机效率云图，计算速度规划曲线上每个规划点的运行功率和损耗的具体方法为：
将摇臂速度规划曲线代入电机效率MAP图，进行损耗计算，具体计算过程如下：
将运行时间
Figure SMS_11
等间隔分成N个小区间，每个小区间的长度均为
Figure SMS_12
，N为自然数；
将小区间的间隔点
Figure SMS_13
作为规划点，计算每个规划点的电机瞬时功率，并在电机效率图中找到N个规划点所对应的电机效率 ；
计算每个规划点所对应的瞬时损耗功率；
计算每个规划点的瞬时损耗功率经过一个最小时间步长所造成的损耗能量积累；
在整个运动过程中将损耗能量对时间进行积分，得到电机在运动过程中的总的损耗。
优选地，电机瞬时功率计算公式具体为：
Figure SMS_14
其中，
Figure SMS_15
为转矩，n为转速。
优选地，瞬时损耗功率的计算公式为：
Figure SMS_16
其中，
Figure SMS_17
为规划点
Figure SMS_18
的电机瞬时损耗功率，
Figure SMS_19
为规划点
Figure SMS_20
的电机瞬时功率，
Figure SMS_21
为规划点
Figure SMS_22
的电机效率，i=0,1,...,N-1。
优选地，每个规划点所在的小区间内的损耗能量为具体为：
Figure SMS_23
。
优选地，电机在运动过程中的总的损耗具体为：
Figure SMS_24
。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明在进行速度曲线规划时，将摇臂运动过程中的能量损耗纳入考虑范围，规划出一条效率最优的速度曲线，降低摇臂机构运动过程中电机的能量损耗，抑制驱动器温升；相较于常规梯形速度规划曲线，采用本发明所选择的最优速度规划曲线，能够降低摇臂机构在运动过程中的能量损耗，抑制驱动系统的发热。
附图说明
图1是本发明实施例选取的三种典型速度规划曲线。
图2是本发明实施例的速度规划轨迹在电机效率MAP图中的投影。
具体实施方式
如图1、2所示，一种基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法，具体步骤为：
步骤1，根据摇臂运动行程以及总运行时间，基于梯形速度曲线，调整加速段、减速段以及匀速段的规划时间，获得多种不同的速度规划曲线。
假设摇臂机构运动目标是，在规定时间
Figure SMS_27
内走完既定行程
Figure SMS_30
。设置加速段时间为
Figure SMS_33
，匀速段时间
Figure SMS_26
以及减速段时间
Figure SMS_29
，最高转速为
Figure SMS_32
。
Figure SMS_34
，
Figure SMS_25
，
Figure SMS_28
以及
Figure SMS_31
这些变量的值是可以自由设置的，但是存在以下约束关系
Figure SMS_35
在上述约束条件下，可以有两个变量，选取加速段时间
Figure SMS_36
以及最高转速
Figure SMS_37
。一旦
Figure SMS_38
和
Figure SMS_39
给定之后，所规划的速度曲线随之也确定下来。
规划的速度曲线可表示为
Figure SMS_40
在
Figure SMS_41
和
Figure SMS_42
确定的情况下，给定
Figure SMS_43
，自由设置
Figure SMS_44
，可以规划出很多种不同的速度曲线，每种速度曲线运行过程中能量损耗也不同。为了方便阐述所提出的基于效率寻优的最优速度曲线规划方法，我们仅选取三种较为典型的速度规划曲线，对效率寻优方法的实施过程进行说明。第一种：常规梯形速度曲线，其特点为加速段时间与减速段时间相等。第二种：改进的梯形速度曲线，其特点为根据实际需要调整加速段与减速段时间。第三种：三角形速度曲线，其特点为整个运动过程仅仅包括加速段和减速段，匀速段运行时间为0。
步骤2，根据电机效率MAP图，计算出速度规划曲线上每个规划点的运行功率和损耗。
规划出摇臂机构运动速度曲线之后，接下来就是计算摇臂按照规划速度曲线运动过程中的能量损耗。根据摇臂速度规划曲线，将其代入电机效率MAP图，进行损耗计算。具体计算过程如下：
将运行时间
Figure SMS_45
等间隔分成N份，每个小区间的长度均为
Figure SMS_46
。
将小区间的间隔点
Figure SMS_47
作为规划点，根据电机运行功率计算公式
Figure SMS_48
，计算N个规划点的电机瞬时功率。并在电机效率图中找到这N个规划点所对应的电机效率
Figure SMS_49
。
计算每个规划点所对应的瞬时损耗功率，在摇臂运动过程中的某个规划点
Figure SMS_50
，所对应的瞬时损耗功率为
Figure SMS_51
其中，
Figure SMS_52
为
Figure SMS_53
规划点的电机瞬时损耗功率，
Figure SMS_54
为该规划点的电机瞬时功率，
Figure SMS_55
为该规划点的电机效率，将该规划点的转速和转矩带入电机效率MAP图中可以查到。
计算每个规划点的瞬时损耗功率经过一个最小时间步长所造成的损耗能量积累，具体为：
Figure SMS_56
在整个运动过程中将损耗对时间进行积分，可以得到电机在运动过程中的总的损耗：
Figure SMS_57
步骤3，选取能量损耗最小的速度规划曲线，将其作为最优速度规划曲线。
本发明通过实验验证所选取的速度曲线是否功率损耗最小。
本发明在步骤2规划了电机运动过程中的几种典型的速度曲线。步骤3根据电机的效率MAP图，对电机运动过程中的损耗进行了理论计算，选出了损耗最小的速度曲线将其作为最优速度曲线。为了验证所选择的最优速度曲线损耗最小，通过实验对其进行验证。验证过程如下：采用不同的速度规划曲线，让电机拖动摇臂机构来回摆动相同次数，在这个过程中记录驱动系统温升，验证采用所选择的最优速度曲线是否温升最小。
实施例
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。以一台永磁同步电机拖动摇臂负载的伺服系统为例，如图1所示，选择三种典型速度规划曲线，将其投影到如图2所示的电机效率MAP图中，计算摇臂运动过程中的能量损耗。选择能量损耗最小的速度曲线作为最优速度曲线，并通过实验验证所选择的速度规划曲线是否损耗最小。值得注意的是，在对摇臂机构进行控制时，首先对摇臂速度曲线进行规划，然后对速度曲线进行积分，得到理想的位置曲线。将该位置曲线作为位置环的位置指令。
步骤1，根据摇臂运动行程以及总运行时间，基于梯形速度曲线，调整加速段、减速段以及匀速段的规划时间，获得多种不同的速度规划曲线。
步骤2，根据电机效率MAP图，计算出速度规划曲线上每个规划点的运行功率和损耗。
步骤3，选取能量损耗最小的速度规划曲线，将其作为最优速度规划曲线。
具体在本申请实施例中，选取了三种较为典型的速度规划曲线。第一种：常规梯形速度曲线，其特点为加速段时间与减速段时间相等。第二种：改进的梯形速度曲线，其特点为根据实际需要调整加速段与减速段时间。第三种：三角形速度曲线，其特点为整个运动过程仅仅包括加速段和减速段。计算三种速度规划曲线所对应的损耗，选择其中损耗最小的速度曲线作为最优速度规划曲线。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据摇臂运动行程以及总运行时间，基于梯形速度曲线，调整加速段、减速段以及匀速段的规划时间，获得多种不同的速度规划曲线；
步骤2，根据电机效率云图，计算速度规划曲线上每个规划点的运行功率和损耗；
步骤3，选取能量损耗最小的速度规划曲线，将其作为最优速度规划曲线。
2.根据权利要求1所述的基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法，其特征在于，步骤1获得多种不同的速度规划曲线的具体方法为：
设置梯形速度曲线加速段时间为
Figure QLYQS_1
，匀速段时间
Figure QLYQS_2
以及减速段时间
Figure QLYQS_3
，最高转速为
Figure QLYQS_4
，摇臂机构运动目标为在规定时间
Figure QLYQS_5
内走完既定行程
Figure QLYQS_6
，梯形速度曲线各设置参数与摇臂机构运动目标存在以下约束关系：
Figure QLYQS_7
选取加速段时间
Figure QLYQS_8
以及最高转速
Figure QLYQS_9
作为变量，规划的速度曲线表示为：
Figure QLYQS_10
。
3.根据权利要求1所述的基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法，其特征在于，步骤2根据电机效率云图，计算速度规划曲线上每个规划点的运行功率和损耗的具体方法为：
将摇臂速度规划曲线代入电机效率MAP图，进行损耗计算，具体计算过程如下：
将运行时间
Figure QLYQS_11
等间隔分成N个小区间，每个小区间的长度均为
Figure QLYQS_12
，N为自然数；
将小区间的间隔点
Figure QLYQS_13
作为规划点，计算每个规划点的电机瞬时功率，并在电机效率图中找到N个规划点所对应的电机效率 ；
计算每个规划点所对应的瞬时损耗功率；
计算每个规划点的瞬时损耗功率经过一个最小时间步长所造成的损耗能量积累；
在整个运动过程中将损耗能量对时间进行积分，得到电机在运动过程中的总的损耗。
4.根据权利要求3所述的基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法，其特征在于，电机瞬时功率计算公式具体为：
Figure QLYQS_14
，其中，
Figure QLYQS_15
为转矩，n为转速。
5.根据权利要求4所述的基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法，其特征在于，瞬时损耗功率的计算公式为：
Figure QLYQS_16
，其中，
Figure QLYQS_17
为规划点
Figure QLYQS_18
的电机瞬时损耗功率，
Figure QLYQS_19
为规划点
Figure QLYQS_20
的电机瞬时功率，
Figure QLYQS_21
为规划点
Figure QLYQS_22
的电机效率，i=0,1,...,N-1。
6.根据权利要求5所述的基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法，其特征在于，每个规划点所在的小区间内的损耗能量为具体为：
Figure QLYQS_23
。
7.根据权利要求3所述的基于驱动器温升抑制的摇臂伺服控制方法，其特征在于，电机在运动过程中的总的损耗具体为：
Figure QLYQS_24
。
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