CN117075482B - 一种伺服自适应前馈控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伺服自适应前馈控制系统。该系统包括：位置处理模块，用于根据输入的位置信号生成位置闭环给定信号，并输入所述PID控制器的位置环；力矩前馈模块，用于根据所述位置闭环给定信号生成力矩前馈信号，并输入所述PID控制器的力矩环；速度前馈模块，用于根据所述位置闭环给定信号生成速度前馈信号，并输入所述PID控制器的速度环；所述PID控制器根据所述位置闭环给定信号、所述力矩前馈信号以及所述速度前馈信号控制伺服电机。本发明结构简单，前馈控制过程中不会对系统整体稳定性造成影响，操作方便，无需采用人工试凑调整前馈增益过程，大大压缩伺服控制系统的调试时间，从而提升调试效率。
Description
技术领域
本发明涉及伺服电机控制技术领域，尤其涉及一种伺服自适应前馈控制系统。
背景技术
随着数字控制技术的发展，伺服系统在工业控制领域应用越来越广泛，其中，对伺服电机控制系统的性能要求也越来越高，需要满足高精度、快速响应、快速定位等特征。
常规的伺服控制系统通常使用基于位置、速度及力矩闭环的反馈控制方式，辅以速度、力矩、电压等前馈控制方式，其中前馈部分对伺服电机的动态响应起着巨大的作用。目前的前馈控制方式通常使用数学模型运算，由于当前控制算法均基于数字控制芯片来实现，芯片的主频、程序的调度周期间隔决定了前馈的补偿存在实时性的问题，最后导致上述的前馈控制方式无法很好地发挥作用，容易导致信号的超调，不利于系统的稳定性。而且不同的前馈参数需要通过试凑调试得到，对操作人员的工程经验也有较高要求。
发明内容
为了解决上述提出的技术问题，本发明提供一种伺服自适应前馈控制系统，以解决目前常规的伺服控制系统的前馈控制方式存在的不稳定以及操作复杂的技术问题。
一种伺服自适应前馈控制系统，包括：
位置处理模块，用于根据输入的位置信号生成位置闭环给定信号，并输入PID控制器的位置环；
力矩前馈模块，用于根据所述位置闭环给定信号生成力矩前馈信号，并输入所述PID控制器的力矩环；
速度前馈模块，用于根据所述位置闭环给定信号生成速度前馈信号，并输入所述PID控制器的速度环；
所述PID控制器根据所述位置闭环给定信号、所述力矩前馈信号以及所述速度前馈信号控制伺服电机。
优选地，所述位置处理模块，包括：
接收外部输入的位置信号；
对所述位置信号进行处理，生成所述位置闭环给定信号；
将所述位置闭环给定信号输入到所述力矩前馈模块、所述速度前馈模块和所述位置环。
优选地，所述对所述位置信号进行处理，生成所述位置闭环给定信号之前，还包括系统响应设置：
设置系统的响应幅度，控制所述PID控制器的位置环的比例控制；
同步修改所述位置处理模块的位置环给定增益。
优选地，所述对所述位置信号进行处理，生成所述位置闭环给定信号之前，还包括对位置环进行等效简化：
根据所述位置环给定增益，对所述位置环进行等效简化，得到原始简化传递函数；
所述原始简化传递函数的输出为所述控制增益的倒数与拉氏变换因子相乘加一的结果的倒数。
优选地，所述得到原始简化传递函数之后，还包括：
使用后向差分法对所述原始简化传递函数进行离散化处理，得到简化传递函数；
使用所述简化传递函数对所述位置信号进行处理，得到所述位置闭环给定信号。
优选地，所述力矩前馈模块，包括：
所述力矩前馈模块对所述位置闭环给定信号进行微分，得到速度量；
对所述速度量进行微分，得到第一结果；
所述第一结果与所述电机的惯量的乘积即为所述力矩前馈信号；
所述力矩前馈模块将所述力矩前馈信号输出到所述力矩环。
优选地，所述速度前馈模块，包括：
速度前馈模块获取计算调度周期；
取所述计算调度周期的倒数，得到时间系数；
计算所述位置闭环给定信号与所述时间系数以及所述电机的同轴编码器反馈脉冲中一个脉冲对应的弧度数的乘积，得到速度前馈量；
所述速度前馈模块根据所述速度前馈量，生成速度前馈信号；
所述速度前馈模块将所述速度前馈信号输出到所述速度环。
优选地，所述位置处理模块将所述位置闭环给定信号输入到所述位置环之后，还包括：
所述位置环与所述速度环连接；
所述位置环根据所述响应幅度，将所述位置闭环给定信号与位置反馈信号结合，输入比例控制器，生成速度环给定信号，并输出到所述速度环；
所述速度环结合所述速度环给定信号、速度前馈信号、速度反馈信号和速度反馈信号，并输入到第一比例积分控制器，生成力矩环给定信号，并输出到所述力矩环；
所述力矩环结合所述力矩环给定信号、力矩前馈信号、力矩前馈信号和力矩反馈信号，并输入第二比例积分控制器，生成三相逆变器控制信号，并输出到所述三相逆变器控制所述伺服电机运行。
优选地，所述三相逆变器控制信号输入所述三相逆变器控制所述伺服电机运行之后，还包括ENC反馈部分：
所述ENC反馈部分根据所述电机的运行状态，生成所述位置反馈信号和所述速度反馈信号；
所述ENC反馈部分将所述功率反馈信号反馈输出到所述位置环；
所述ENC反馈部分将所述速度反馈信号输出到所述速度环。
优选地，所述三相逆变器控制信号输入所述三相逆变器之后，还包括反馈电流处理
所述反馈电流处理，接收所述三相逆变器输出到所述电机的电流；
所述反馈电流处理对所述三相逆变器输出到所述电机的电流进行处理，得到所述力矩反馈信号；
所述反馈电流处理将所述力矩反馈信号反馈输出到所述力矩环。
本发明使用了一种伺服自适应前馈控制系统，位置处理模块，用于根据输入的位置信号生成位置闭环给定信号，并输入所述PID控制器的位置环；力矩前馈模块，用于根据所述位置闭环给定信号生成力矩前馈信号，并输入所述PID控制器的力矩环；速度前馈模块，用于根据所述位置闭环给定信号生成速度前馈信号，并输入所述PID控制器的速度环，所述PID控制器根据所述位置闭环给定信号、所述力矩前馈信号以及所述速度前馈信号控制伺服电机。本系统结构简单，只需要对位置闭环给定信号做出处理，前馈控制过程中不会对系统整体稳定性造成影响，操作方便，前馈给定量可以由处理后的信号直接算出而无需采用人工试凑调整前馈增益过程，大大压缩伺服控制系统的调试时间，从而提升效率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本发明公开的技术方案。
图1为本发明实施例提供的一种伺服自适应前馈控制系统流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种伺服自适应前馈控制系统结构示意图；
图3为本发明实施例提供的传统的常规伺服前馈控制系统结构示意图；
图4为本发明实施例提供的传统的常规伺服前馈控制系统位置响应波形；
图5为本发明实施例提供的一种伺服自适应前馈控制系统位置响应波形。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样能够实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
常规的伺服控制系统通常使用基于位置、速度及力矩闭环的反馈控制方式，辅以速度、力矩、电压等前馈控制方式，其中前馈部分对伺服电机的动态响应起着巨大的作用。目前的前馈控制方式通常使用数学模型运算，由于当前控制算法均基于数字控制芯片来实现，芯片的主频、程序的调度周期间隔决定了前馈的补偿存在实时性的问题，最后导致上述的前馈控制方式无法很好地发挥作用，容易导致信号的超调，不利于系统的稳定性。而且不同的前馈参数需要通过试凑调试得到，对操作人员的工程经验也有较高要求。
本发明使用了一种伺服自适应前馈控制系统，位置处理模块，用于根据输入的位置信号生成位置闭环给定信号，并输入所述PID控制器的位置环，力矩前馈模块，用于根据所述位置闭环给定信号生成力矩前馈信号，并输入所述PID控制器的力矩环，速度前馈模块，用于根据所述位置闭环给定信号生成速度前馈信号，并输入所述PID控制器的速度环，所述PID控制器根据所述位置闭环给定信号、所述力矩前馈信号以及所述速度前馈信号控制伺服电机。本系统结构简单，只需要对位置闭环给定信号做出处理，前馈控制过程中不会对系统整体稳定性造成影响，操作方便，前馈给定量可以由处理后的信号直接算出而无需采用人工试凑调整前馈增益过程，大大压缩伺服控制系统的调试时间，从而提升效率。本发明在保证系统工作在最佳的前馈补偿量的前提下，对系统的稳定性、便利性会有较大提升。
一种伺服自适应前馈控制系统，参考图1，包括：
位置处理模块，用于根据输入的位置信号生成位置闭环给定信号，并输入PID控制器的位置环；
力矩前馈模块，用于根据位置闭环给定信号生成力矩前馈信号，并输入PID控制器的力矩环；
速度前馈模块，用于根据位置闭环给定信号生成速度前馈信号，并输入PID控制器的速度环；
PID控制器根据位置闭环给定信号、力矩前馈信号以及速度前馈信号控制伺服电机。
优选地，位置处理模块，包括：
接收外部输入的位置信号；
对所述位置信号进行处理，生成所述位置闭环给定信号；
将所述位置闭环给定信号输入到所述力矩前馈模块、所述速度前馈模块和所述位置环。
优选地，对位置环进行等效简化，得到简化传递函数之前，参考图2，还包括系统响应设置：
其中，为位置反馈信号，为速度反馈信号，为力矩反馈信号，为力矩反
馈分量，为速度反馈量，为速度环给定信号，为力矩环给定信号，P指PID控制器中
的比例控制器，I指PID控制器中的积分控制器，D指PID控制器中的微分控制器，PI指PID控
制器中的比例积分控制器；
设置系统的响应幅度，控制所述PID控制器的位置环的比例控制；
同步修改所述位置处理模块的位置环给定增益。
优选地，对位置环进行等效简化，得到简化传递函数，包括：
根据位置环给定增益，对位置环进行等效简化，得到原始简化传递函数；
原始简化传递函数的输出为控制增益的倒数与拉氏变换因子相乘加一的结果的倒数：
；
其中，为原始简化传递函数的输出，为系统响应设置中设置的参数，与系
统的刚性相关，系统的刚性越大，的值越大，等效变换的截止频率也就相应越高，即处理
前后的位置延迟性也就越小，为拉氏变换因子。
优选地，所述得到原始简化传递函数之后，还包括：
使用后向差分法对原始简化传递函数进行离散化处理，得到简化传递函数：
；
其中，为简化传递函数的输出，即位置闭环给定信号，为计算调度周期；
使用所述简化传递函数对所述位置信号进行处理，得到所述位置闭环给定信号。
优选地，力矩前馈模块，包括：
力矩前馈模块对位置闭环给定信号进行微分，得到速度量；
对速度量进行微分，得到第一结果；
第一结果与电机的惯量的乘积即为力矩前馈信号：
；
其中，为力矩前馈信号，为伺服电机的电机惯量，为对速度量进行微分得
到的第一结果；
力矩前馈模块将力矩前馈信号输出到力矩环。
优选地，速度前馈模块，包括：
速度前馈模块获取计算调度周期；
取计算调度周期的倒数，得到时间系数：
；
计算位置闭环给定信号与时间系数以及电机的同轴编码器反馈脉冲中一个脉冲对应的弧度数的乘积，得到速度前馈量：
；
其中，为速度前馈量，为位置闭环给定信号，为电机的同轴编码器反馈
脉冲中一个脉冲对应的弧度数，单位为弧度/脉冲数；
速度前馈模块根据速度前馈量，生成速度前馈信号；
速度前馈模块将速度前馈信号输出到速度环。
优选地，位置处理模块将位置闭环给定信号输入到位置环之后，参考图2，还包括：
所述位置环与所述速度环连接；
所述位置环根据所述响应幅度，将所述位置闭环给定信号与位置反馈信号结合，输入比例控制器，生成速度环给定信号，并输出到所述速度环；
所述速度环结合所述速度环给定信号、速度前馈信号、速度反馈信号和速度反馈信号，并输入到第一比例积分控制器，生成力矩环给定信号，并输出到所述力矩环；
所述力矩环结合所述力矩环给定信号、力矩前馈信号和力矩反馈信号，并输入第二比例积分控制器，生成三相逆变器控制信号，并输出到所述三相逆变器控制所述伺服电机运行。
优选地，所述三相逆变器控制信号输入所述三相逆变器控制所述伺服电机运行之后，还包括ENC反馈部分：
所述ENC反馈部分根据所述电机的运行状态，生成所述位置反馈信号和所述速度反馈信号；
所述ENC反馈部分将所述功率反馈信号反馈输出到所述位置环；
所述ENC反馈部分将所述速度反馈信号输出到所述速度环。
优选地，所述三相逆变器控制信号输入所述三相逆变器之后，还包括反馈电流处理
所述反馈电流处理，接收所述三相逆变器输出到所述电机的电流；
所述反馈电流处理对所述三相逆变器输出到所述电机的电流进行处理，得到所述力矩反馈信号；
所述反馈电流处理将所述力矩反馈信号反馈输出到所述力矩环。
将传统的常规伺服前馈控制系统与一种伺服自适应前馈控制系统进行对比测试，结果参考图4和图5所示；
传统的常规伺服前馈控制系统参考图3，其中，为输入信号；
其中图4代表使用传统的常规伺服前馈控制系统，通过对前馈参数的试凑调节后，最终得到较好的响应曲线；
图5代表使用一种伺服自适应前馈控制系统，在同样的给定位置条件下，设置好响应增益后，得到的位置响应波形图；
对比可以看出其跟随性、启停稳定性上比传统的常规伺服前馈控制系统强，一种伺服自适应前馈控制系统具有更调节简单，动态更随性好无超调，整定时间短等优点，具有较高的工程应用价值。
在一些实施例中，本发明公开实施例提供的装置具有的功能或包含的模块可以用于执行上文方法实施例描述的方法，其具体实现可以参照上文方法实施例的描述，为了简洁，这里不再赘述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。所属领域的技术人员还可以清楚地了解到，本发明各个实施例描述各有侧重，为描述的方便和简洁，相同或类似的部分在不同实施例中可能没有赘述，因此，在某一实施例未描述或未详细描述的部分可以参见其他实施例的记载。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（digital subscriberline，DSL））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，数字通用光盘（digital versatiledisc，DVD）)、或者半导体介质（例如固态硬盘（solid state disk ，SSD））等。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，该流程可以由计算机程序来指令相关的硬件完成，该程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法实施例的流程。而前述的存储介质包括：只读存储器（read-only memory，ROM）或随机存储存储器（random access memory，RAM）、磁碟或者光盘等各种可存储程序代码的介质。
Claims (7)
1.一种伺服自适应前馈控制系统，其特征在于，包括：
位置处理模块，用于根据输入的位置信号生成位置闭环给定信号，并输入PID控制器的位置环；
力矩前馈模块，用于根据所述位置闭环给定信号生成力矩前馈信号，并输入所述PID控制器的力矩环；
速度前馈模块，用于根据所述位置闭环给定信号生成速度前馈信号，并输入所述PID控制器的速度环；
所述PID控制器根据所述位置闭环给定信号、所述力矩前馈信号以及所述速度前馈信号控制伺服电机；
所述位置处理模块，包括：
接收外部输入的位置信号；
对所述位置信号进行处理，生成所述位置闭环给定信号；
将所述位置闭环给定信号输入到所述力矩前馈模块、所述速度前馈模块和所述位置环；
所述速度前馈模块，包括：
速度前馈模块获取计算调度周期；
取所述计算调度周期的倒数，得到时间系数；
计算所述位置闭环给定信号与所述时间系数以及所述电机的同轴编码器反馈脉冲中一个脉冲对应的弧度数的乘积，得到速度前馈量；
所述速度前馈模块根据所述速度前馈量，生成速度前馈信号；
所述速度前馈模块将所述速度前馈信号输出到所述速度环；
所述位置处理模块将所述位置闭环给定信号输入到所述位置环之后，还包括：
所述位置环与所述速度环连接；
所述位置环根据响应幅度，将所述位置闭环给定信号与位置反馈信号结合，输入比例控制器，生成速度环给定信号，并输出到所述速度环；
所述速度环结合所述速度环给定信号、速度前馈信号、速度反馈信号和速度反馈信号，并输入到第一比例积分控制器，生成力矩环给定信号，并输出到所述力矩环；
所述力矩环结合所述力矩环给定信号、力矩前馈信号、力矩前馈信号和力矩反馈信号，并输入第二比例积分控制器，生成三相逆变器控制信号，并输出到所述三相逆变器控制所述伺服电机运行。
2.根据权利要求1所述的一种伺服自适应前馈控制系统，其特征在于，所述对所述位置信号进行处理，生成所述位置闭环给定信号之前，还包括系统响应设置：
设置系统的响应幅度，控制所述PID控制器的位置环的比例控制；
同步修改所述位置处理模块的位置环给定增益。
3.根据权利要求2所述的一种伺服自适应前馈控制系统，其特征在于，所述对所述位置信号进行处理，生成所述位置闭环给定信号之前，还包括对位置环进行等效简化：
根据所述位置环给定增益，对所述位置环进行等效简化，得到原始简化传递函数；
所述原始简化传递函数的输出为控制增益的倒数与拉氏变换因子相乘加一的结果的倒数。
4.根据权利要求3所述的一种伺服自适应前馈控制系统，其特征在于，所述得到原始简化传递函数之后，还包括：
使用后向差分法对所述原始简化传递函数进行离散化处理，得到简化传递函数；
使用所述简化传递函数对所述位置信号进行处理，得到所述位置闭环给定信号。
5.根据权利要求1所述的一种伺服自适应前馈控制系统，其特征在于，所述力矩前馈模块，包括：
所述力矩前馈模块对所述位置闭环给定信号进行微分，得到速度量；
对所述速度量进行微分，得到第一结果；
所述第一结果与所述电机的惯量的乘积即为所述力矩前馈信号；
所述力矩前馈模块将所述力矩前馈信号输出到所述力矩环。
6.根据权利要求1所述的一种伺服自适应前馈控制系统，其特征在于，所述三相逆变器控制信号输入所述三相逆变器控制所述伺服电机运行之后，还包括ENC反馈部分：
所述ENC反馈部分根据所述电机的运行状态，生成所述位置反馈信号和所述速度反馈信号；
所述ENC反馈部分将功率反馈信号反馈输出到所述位置环；
所述ENC反馈部分将所述速度反馈信号输出到所述速度环。
7.根据权利要求1所述的一种伺服自适应前馈控制系统，其特征在于，所述三相逆变器控制信号输入所述三相逆变器之后，还包括反馈电流处理
所述反馈电流处理，接收所述三相逆变器输出到所述电机的电流；
所述反馈电流处理对所述三相逆变器输出到所述电机的电流进行处理，得到所述力矩反馈信号；
所述反馈电流处理将所述力矩反馈信号反馈输出到所述力矩环。
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