[發明專利]一種抑制伺服系統定位時發生的低頻振動的控制系統

在審

• 申請號: 201710580235.6
• 申請日: 2017-07-17
• 公開（公告）號: CN107272497A
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 李瓊;范瑞祥;王華云;鄭蜀江;王文彬;蒙天騏;徐在德;饒斌斌;周龍武;徐希
• 申請（專利權）人: 國網江西省電力公司電力科學研究院;國家電網公司
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 南昌市平凡知識產權代理事務所36122
• 代理人: 姚伯川

技術領域

本發明涉及一種抑制伺服系統定位時發生的低頻振動的控制系統，屬工業伺服控制技術領域。

背景技術

現代交流伺服系統，高速和高精度是追求的技術指標。但是，交流伺服系統機械傳動部分離不開聯軸器、傳動軸等傳動裝置用來連接負載和電機。當這些傳動裝置的剛性要求不夠時，在低速時會引起電機與負載之間的彈性扭轉，從而造成伺服系統定位時末端發生振動，通常此振動頻率在50Hz以下，并且振動幅值隨時間衰減。但在一些高精度要求場合，這樣的振動是不允許的。

目前，抑制末端振動的方法主要有優化彈性連接裝置以及增加補償或者濾波算法等。優化彈性裝置在實際操作中有很大局限性；后者則需要迅速知道末端振動信息。系統通過BODE圖或者位置波形來獲取振動信息缺乏實時性，尤其是在低頻時，振動信息可能捕獲不準，導致振動抑制不成功。

發明內容

本發明的目的是，為了提高交流伺服系統定位響應速度以及精度，拓展系統在高速、重載等工況下的適用領域，本發明提供一種抑制定位低頻振動的伺服驅動系統，能夠對定位時發生的低頻振動起到良好的抑制效果。

實現本發明的技術方案是，一種抑制伺服系統定位時發生的低頻振動的控制系統，包括伺服驅動器、永磁伺服電機和絕對位置編碼器。所述伺服驅動器用于控制和驅動電機；所述絕對位置編碼器向伺服驅動器的DSP芯片提供控制永磁伺服電機的位置編碼。

所述伺服驅動器包括DSP芯片、FPGA、信號轉換單元、智能驅動單元、通信單元、數碼顯示單元、數字IO口單元和編碼器通信接口；所述DSP芯片分別與智能驅動單元、FPGA、絕對位置編碼器、數碼顯示單元、通信單元互聯；智能驅動單元的逆變器端口與永磁伺服電機互聯；信號轉換單元連接FPGA。

所述DSP芯片由芯片微處理器CPU構成，外部配置通信的接口模塊SPI、嵌入式存儲模塊、豐富的IO端口、ADC/DAC模擬前端、電源供應模塊、PWM、USB和timer模塊，并能支持多種工業總線協議。

低頻振動頻率診斷、系統控制參數整定由所述CPU運行，這些算法能夠在較低的采樣速率下執行；基于轉矩前饋和負載觀測器的低頻振動抑制算法以及FOC算法，屬于時間關鍵型，需要在極高的采樣速率下進行，則在所述FPGA中實現。

所述低頻振動頻率診斷采用位置誤差峰值檢測法，從第二個振動波，即探測到第二個峰值開始檢測，為了避免信號波動帶來的影響，先對位置誤差進行低通濾波；檢測記錄當前時刻位置誤差與上一時刻時的位置誤差e(k),e(k-1)，當sign[e(k)-e(k-1)]發生變化時，表明檢測到振動信號的波峰或者波谷，記錄每個波峰波谷定時器的時間值，當sign[e(k)-e(k-1)]發生三次變化時為一個振動周期；設測量的振動周期為T₁，T₂…T_k，采用加權平均值法得：T_vib＝α₁T₁+α₂T₂+…+α_kT_k，其中，T_vib即低頻振動周期。

所述低頻振動抑制算法采用基于擾動觀測器的轉矩前饋的方法；包括(1)構建擾動觀測器實現擾動觀測，用于補償擾動，增強系統的魯棒性；(2)構建轉矩前饋用于直接補償指令，加快指令響應以及抑制振動。

所述構建擾動觀測器步驟包括：

(1)采用低階擾動觀測器用來觀測擾動轉矩，擾動觀測器需要調節的參數只有一個；

(2)在構建擾動觀測器后，需對擾動觀測器參數進行設置，觀測器參數設置如下；

一階擾動觀測器使用后，負載轉矩T_L到轉速ω_m的傳遞函數式為：

測量噪聲ζ對ω_m在有觀測器下的傳遞函數為：

其中，k為觀測器控制參數，K_p,K_i為PI調節器參數，J_m為電機轉動慣量，K_T為轉矩系數。加大k值則有助于提高系統的抗擾動能力，相反，較小的k值則有益于避免高頻測量噪聲的影響。所以，為兼顧到兩者，實際運用中需要調試，建議k的取值不超過速度環的截止頻率，這樣可以滿足抗干擾性的同時盡量避免噪聲影響。

所述構建轉矩前饋步驟包括：

(1)采用一種改善的微分法求取轉矩前饋，該微分法的傳遞函數為：