一種伺服電機速度控制器增益參數(shù)自整定的方法技術

本發(fā)明專利技術公開了一種伺服電機速度控制器增益參數(shù)自整定的方法，該方法通過以下四步解決了現(xiàn)有技術自整定過程復雜和自整定效果不足的問題。具體為：首先為伺服系統(tǒng)規(guī)劃正弦形式的電流信號，根據(jù)伺服電機速度方程的頻域形式計算負載慣量比；然后根據(jù)伺服系統(tǒng)速度閉環(huán)特性建立比例增益和積分增益的關系，并搜索最大增益參數(shù)；在此基礎上自動生成增益等級表；最后根據(jù)負載慣量比和增益等級表計算速度控制器實際增益。本發(fā)明專利技術方法具有自整定執(zhí)行簡單和自整定效果好的優(yōu)點。

Automatic tuning method for gain parameter of servo motor speed controller

The invention discloses a method for self-tuning the gain parameter of a servo motor speed controller. The method solves the problems of complicated self setting process and insufficient self setting effect of the prior art through the following four steps. Details are as follows: firstly, for the current signal of the servo system planning in the form of sine wave, servo motor speed based on the frequency equation in the calculation of load inertia ratio; then the proportional gain and integral gain according to the characteristics of the closed-loop servo system speed, and search for the maximum gain parameter; automatic gain scale on the basis; finally according to the load inertia ratio and the gain scale calculation the actual gain speed controller. The method of the invention has the advantages of self setting, simple execution and good self setting effect.

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種伺服電機速度控制器增益參數(shù)自整定的方法
本專利技術涉及一種參數(shù)自整定的方法，具體涉及一種伺服電機速度控制器增益參數(shù)自整定的方法，屬于伺服控制

技術介紹
伺服電機作為一種機械執(zhí)行機構，廣泛應用于機械制造、工業(yè)機器人、航空航天等工程領域。以伺服電機為基本部件的伺服系統(tǒng)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)設備的重要驅(qū)動部件之一，是工業(yè)自動化不可缺少的重要基本技術。在工程應用中，一個產(chǎn)品化的伺服驅(qū)動器會固化一組調(diào)節(jié)器參數(shù)提供給用戶使用。但是針對不同電機，不同供電環(huán)境，這組參數(shù)適應性不同，很有可能不能正常工作或達不到理想的性能指標。這種情況下用戶要自行調(diào)試或者工程人員要出差現(xiàn)場。現(xiàn)在考慮能不能采用一種方法，使得伺服驅(qū)動器能夠根據(jù)工況，包括電源、電機的信息自動整定出一組合適參數(shù)，這樣將大大減少勞動的成本，為用戶使用提供方便。眾所周知，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標的重要環(huán)節(jié)，該過程需要耗費很多時間與精力的工作。如果伺服單元可以通過幾次試運行，自動將系統(tǒng)的參數(shù)整定為滿足當前工作環(huán)境要求的相對最優(yōu)的參數(shù)，對于使用伺服單元的用戶來說，這是新型伺服系統(tǒng)最具吸引力的特點之一。伺服系統(tǒng)現(xiàn)有自整定技術中，對于速度控制器參數(shù)的自整定方法可分為兩種：第一種是基于經(jīng)驗的自整定方法，具體是模擬工程師調(diào)節(jié)參數(shù)的思路，讓伺服驅(qū)動器按照某種遍歷規(guī)律自動尋找評價最優(yōu)的參數(shù)；另一種是基于模型的自整定方法，具體是建立伺服電機的理論模型，然后基于時域或者頻域的方法，由模型計算速度控制器參數(shù)。第一種方法的優(yōu)點是思路簡單、易于實現(xiàn)，較容易獲得一組較優(yōu)的速度控制器參數(shù)，缺點是整定時間過長，很難找到適用于各種工況的參數(shù)評價標準；第二種方法的優(yōu)點是在精確建模的前提下能夠精確獲得使得伺服系統(tǒng)獲得高性能的控制參數(shù)，缺點是難以建立伺服系統(tǒng)各場合時的精確模型，在建模不準時，自整定參數(shù)的控制性能會受到很大的影響。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術所要解決的技術問題是：提供一種伺服電機速度控制器增益參數(shù)自整定的方法，改善了現(xiàn)有伺服系統(tǒng)參數(shù)自整定技術的整定效果，縮短了自整定技術的整定時間。本專利技術為解決上述技術問題采用以下技術方案：一種伺服電機速度控制器增益參數(shù)自整定的方法，包括如下步驟：步驟1，給伺服系統(tǒng)規(guī)劃正弦形式的電流信號，得到伺服系統(tǒng)的轉速幅值，根據(jù)伺服電機速度方程的頻域形式計算負載慣量，根據(jù)負載慣量和伺服系統(tǒng)本體慣量得到負載慣量比；步驟2，對伺服電機執(zhí)行速度閉環(huán)控制，根據(jù)伺服系統(tǒng)的速度閉環(huán)特性，建立速度控制器比例增益參數(shù)和積分增益參數(shù)的關系，將比例增益參數(shù)從初始值開始，每隔固定增益時間間隔增加一個增益刻度，當比例增益參數(shù)增加到使伺服電機的轉速超過震蕩臨界值時，記此時的比例增益參數(shù)為臨界震蕩比例增益；步驟3，根據(jù)步驟2比例增益參數(shù)的初始值、固定時間間隔、增益刻度以及比例增益參數(shù)和積分增益參數(shù)的關系，生成包含增益等級-比例增益參數(shù)-積分增益參數(shù)的增益等級表；步驟4，根據(jù)負載慣量比和增益等級表計算速度控制器的實際比例增益參數(shù)和實際積分增益參數(shù)。作為本專利技術的一種優(yōu)選方案，步驟1所述負載慣量的計算公式為：其中，JL為負載慣量，Kt為伺服系統(tǒng)的轉矩系數(shù)，|I|為電流幅值，f為電流頻率，|ω|為伺服系統(tǒng)的轉速幅值。作為本專利技術的一種優(yōu)選方案，步驟1所述負載慣量比的計算公式為：其中，RJ為負載慣量比，JL為負載慣量，J為伺服系統(tǒng)本體慣量。作為本專利技術的一種優(yōu)選方案，步驟2所述比例增益參數(shù)和積分增益參數(shù)的關系為：其中，為積分增益參數(shù)，為比例增益參數(shù)，ξb為伺服系統(tǒng)的最佳阻尼比，JL為負載慣量。作為本專利技術的一種優(yōu)選方案，步驟3所述增益等級具體為：將比例增益參數(shù)為初始值時的增益等級設為1級，每隔一個固定時間間隔，增益等級增加1級，直至比例增益參數(shù)到達臨界震蕩比例增益，臨界震蕩比例增益對應的增益等級為最高級max。作為本專利技術的一種優(yōu)選方案，步驟4所述實際比例增益參數(shù)和實際積分增益參數(shù)的計算公式分別為：其中，KP、KI分別為實際比例增益參數(shù)、實際積分增益參數(shù)，分別為比例增益參數(shù)、積分增益參數(shù)，RJ為負載慣量比。本專利技術采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果：1、本專利技術方法結合了傳統(tǒng)基于經(jīng)驗和基于模型的自整定方法，可大范圍應用于當今伺服產(chǎn)品的速度控制器增益參數(shù)自整定功能，與現(xiàn)有技術相比具有自整定執(zhí)行簡單和自整定效果好的優(yōu)點。2、本專利技術方法自整定執(zhí)行簡單：四個步驟在實現(xiàn)上都很簡單，很方便在驅(qū)動器的軟件代碼中實現(xiàn)，無需硬件上的改變。按照增益等級最大值max＝15來計算，自整定過程的時間僅為7.5s。3、本專利技術方法自整定效果好：首先，本專利技術中的負載慣量比計算是基于伺服電機速度方程的頻域形式計算得到的，且比例增益和積分增益的關系是基于伺服系統(tǒng)速度閉環(huán)特性建立的，這兩個技術特征都擁有基于模型自整定方法的精度高的優(yōu)點；其次，本專利技術中搜索最大增益參數(shù)和自動生成增益等級表這兩個技術特征又有基于經(jīng)驗自整定方法的整定思路簡單的優(yōu)點。由于結合了基于經(jīng)驗和基于模型的自整定方法二者的技術優(yōu)點，采用本專利技術技術方案整定出來的速度控制器增益參數(shù)效果較好。附圖說明圖1是本專利技術伺服電機速度控制器增益參數(shù)自整定的方法的步驟流程圖。圖2是本專利技術伺服電機速度控制器增益參數(shù)自整定的方法的控制結構框圖。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本專利技術實施例中的附圖，對本專利技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本專利技術的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本專利技術中的實施例，本領域技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本專利技術所保護的范圍。本專利技術是為了改善現(xiàn)有伺服系統(tǒng)速度控制器參數(shù)自整定技術的整定效果，縮短自整定技術的整定時間，提出了一種新型速度控制器增益參數(shù)自整定方法。為了說明本專利技術的具體實施方式，下面結合某市售電機進行說明。該直流電機的參數(shù)具體為：電樞電阻R為1.73Ω；極對數(shù)nP為3；電樞電感L為0.26mH；額定電流為2.4A；本體慣量為0.16Kgcm2；電機轉矩系數(shù)為0.56Nm/A；速度環(huán)控制周期為150μs。如圖1所示，為本專利技術伺服電機速度控制器增益參數(shù)自整定的方法的步驟流程圖，具體步驟如下：步驟一：負載慣量比計算步驟。伺服系統(tǒng)接好負載后工作在轉矩控制模式，給伺服系統(tǒng)規(guī)劃一個幅值為|I|，頻率為f的正弦形式的電流信號，記此時伺服系統(tǒng)的轉速幅值為|ω|，根據(jù)伺服電機速度方程的頻域形式，建立如下的負載慣量計算公式計算負載慣量JL：其中，Kt為伺服系統(tǒng)的轉矩系數(shù)。按照本步驟的說明，比如可以選擇幅值為|I|＝0.5A，頻率為f＝100Hz的正弦形式的電流信號，假設此時伺服系統(tǒng)的轉速幅值對應為|ω|＝50rpm，再結合電機轉矩系數(shù)Kt＝0.56Nm/A，計算得到負載慣量為JL＝0.85Kgcm2。根據(jù)計算得到的負載慣量JL＝0.85Kgcm2和伺服系統(tǒng)本體慣量J＝0.16Kgcm2得到負載慣量比RJ為：步驟二：最大增益參數(shù)搜索步驟。如圖2所示，伺服電機執(zhí)行速度閉環(huán)控制，給定轉速ωr為0，速度控制器的比例增益參數(shù)從比例增益初始值開始每隔一段的增益時間間隔的時間增加一個增益刻度。同時，由于伺服系統(tǒng)的速度閉環(huán)是一個二階的控制系統(tǒng)，根據(jù)伺服系統(tǒng)的速度閉環(huán)特性，速度控制本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種伺服電機速度控制器增益參數(shù)自整定的方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1，給伺服系統(tǒng)規(guī)劃正弦形式的電流信號，得到伺服系統(tǒng)的轉速幅值，根據(jù)伺服電機速度方程的頻域形式計算負載慣量，根據(jù)負載慣量和伺服系統(tǒng)本體慣量得到負載慣量比；步驟2，對伺服電機執(zhí)行速度閉環(huán)控制，根據(jù)伺服系統(tǒng)的速度閉環(huán)特性，建立速度控制器比例增益參數(shù)和積分增益參數(shù)的關系，將比例增益參數(shù)從初始值開始，每隔固定增益時間間隔增加一個增益刻度，當比例增益參數(shù)增加到使伺服電機的轉速超過震蕩臨界值時，記此時的比例增益參數(shù)為臨界震蕩比例增益；步驟3，根據(jù)步驟2比例增益參數(shù)的初始值、固定時間間隔、增益刻度以及比例增益參數(shù)和積分增益參數(shù)的關系，生成包含增益等級?比例增益參數(shù)?積分增益參數(shù)的增益等級表；步驟4，根據(jù)負載慣量比和增益等級表計算速度控制器的實際比例增益參數(shù)和實際積分增益參數(shù)。

【技術特征摘要】
1.一種伺服電機速度控制器增益參數(shù)自整定的方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1，給伺服系統(tǒng)規(guī)劃正弦形式的電流信號，得到伺服系統(tǒng)的轉速幅值，根據(jù)伺服電機速度方程的頻域形式計算負載慣量，根據(jù)負載慣量和伺服系統(tǒng)本體慣量得到負載慣量比；步驟2，對伺服電機執(zhí)行速度閉環(huán)控制，根據(jù)伺服系統(tǒng)的速度閉環(huán)特性，建立速度控制器比例增益參數(shù)和積分增益參數(shù)的關系，將比例增益參數(shù)從初始值開始，每隔固定增益時間間隔增加一個增益刻度，當比例增益參數(shù)增加到使伺服電機的轉速超過震蕩臨界值時，記此時的比例增益參數(shù)為臨界震蕩比例增益；步驟3，根據(jù)步驟2比例增益參數(shù)的初始值、固定時間間隔、增益刻度以及比例增益參數(shù)和積分增益參數(shù)的關系，生成包含增益等級-比例增益參數(shù)-積分增益參數(shù)的增益等級表；步驟4，根據(jù)負載慣量比和增益等級表計算速度控制器的實際比例增益參數(shù)和實際積分增益參數(shù)。2.根據(jù)權利要求1所述伺服電機速度控制器增益參數(shù)自整定的方法，其特征在于，步驟1所述負載慣量的計算公式為：其中，JL為負載慣量，Kt為伺服系統(tǒng)的轉矩系數(shù)，|I|為電流幅值，f為電流頻率，|ω|為伺服系統(tǒng)的轉速幅值。3.根據(jù)權利要求1所述伺服電機速度控制器增益參數(shù)自整定的方法，其特征...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：李世華，吳超，石珂，李奇，曹為理，張允志，
申請(專利權)人：東南大學，中國船舶重工集團公司第七一六研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32