[发明专利]一种抑制伺服系统定位时发生的低频振动的控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种抑制伺服系统定位时发生的低频振动的控制系统，属工业伺服控制技术领域。

背景技术

现代交流伺服系统，高速和高精度是追求的技术指标。但是，交流伺服系统机械传动部分离不开联轴器、传动轴等传动装置用来连接负载和电机。当这些传动装置的刚性要求不够时，在低速时会引起电机与负载之间的弹性扭转，从而造成伺服系统定位时末端发生振动，通常此振动频率在50Hz以下，并且振动幅值随时间衰减。但在一些高精度要求场合，这样的振动是不允许的。

目前，抑制末端振动的方法主要有优化弹性连接装置以及增加补偿或者滤波算法等。优化弹性装置在实际操作中有很大局限性；后者则需要迅速知道末端振动信息。系统通过BODE图或者位置波形来获取振动信息缺乏实时性，尤其是在低频时，振动信息可能捕获不准，导致振动抑制不成功。

发明内容

本发明的目的是，为了提高交流伺服系统定位响应速度以及精度，拓展系统在高速、重载等工况下的适用领域，本发明提供一种抑制定位低频振动的伺服驱动系统，能够对定位时发生的低频振动起到良好的抑制效果。

实现本发明的技术方案是，一种抑制伺服系统定位时发生的低频振动的控制系统，包括伺服驱动器、永磁伺服电机和绝对位置编码器。所述伺服驱动器用于控制和驱动电机；所述绝对位置编码器向伺服驱动器的DSP芯片提供控制永磁伺服电机的位置编码。

所述伺服驱动器包括DSP芯片、FPGA、信号转换单元、智能驱动单元、通信单元、数码显示单元、数字IO口单元和编码器通信接口；所述DSP芯片分别与智能驱动单元、FPGA、绝对位置编码器、数码显示单元、通信单元互联；智能驱动单元的逆变器端口与永磁伺服电机互联；信号转换单元连接FPGA。

所述DSP芯片由芯片微处理器CPU构成，外部配置通信的接口模块SPI、嵌入式存储模块、丰富的IO端口、ADC/DAC模拟前端、电源供应模块、PWM、USB和timer模块，并能支持多种工业总线协议。

低频振动频率诊断、系统控制参数整定由所述CPU运行，这些算法能够在较低的采样速率下执行；基于转矩前馈和负载观测器的低频振动抑制算法以及FOC算法，属于时间关键型，需要在极高的采样速率下进行，则在所述FPGA中实现。

所述低频振动频率诊断采用位置误差峰值检测法，从第二个振动波，即探测到第二个峰值开始检测，为了避免信号波动带来的影响，先对位置误差进行低通滤波；检测记录当前时刻位置误差与上一时刻时的位置误差e(k),e(k-1)，当sign[e(k)-e(k-1)]发生变化时，表明检测到振动信号的波峰或者波谷，记录每个波峰波谷定时器的时间值，当sign[e(k)-e(k-1)]发生三次变化时为一个振动周期；设测量的振动周期为T₁，T₂…T_k，采用加权平均值法得：T_vib＝α₁T₁+α₂T₂+…+α_kT_k，其中，T_vib即低频振动周期。

所述低频振动抑制算法采用基于扰动观测器的转矩前馈的方法；包括(1)构建扰动观测器实现扰动观测，用于补偿扰动，增强系统的鲁棒性；(2)构建转矩前馈用于直接补偿指令，加快指令响应以及抑制振动。

所述构建扰动观测器步骤包括：

(1)采用低阶扰动观测器用来观测扰动转矩，扰动观测器需要调节的参数只有一个；

(2)在构建扰动观测器后，需对扰动观测器参数进行设置，观测器参数设置如下；

一阶扰动观测器使用后，负载转矩T_L到转速ω_m的传递函数式为：

测量噪声ζ对ω_m在有观测器下的传递函数为：

其中，k为观测器控制参数，K_p,K_i为PI调节器参数，J_m为电机转动惯量，K_T为转矩系数。加大k值则有助于提高系统的抗扰动能力，相反，较小的k值则有益于避免高频测量噪声的影响。所以，为兼顾到两者，实际运用中需要调试，建议k的取值不超过速度环的截止频率，这样可以满足抗干扰性的同时尽量避免噪声影响。

所述构建转矩前馈步骤包括：

(1)采用一种改善的微分法求取转矩前馈，该微分法的传递函数为：