一种伺服电机的在线自动辨识的方法与流程

1.本发明涉及伺服电机系统领域，特别地，涉及一种伺服电机的在线自动辨识的方法。


背景技术：

2.伺服电机：是一种电力驱动部件，它受伺服驱动器控制，实现对关联机械的位置、速度、力矩精准控制的电动机，伺服电机以永磁同步电机(pmsm)为主，根据需要配置不同类型及分辨率的位置编码器。
3.位置编码器：是一种跟踪电机转子角度或位置的传感器，根据传感技术分成光电、磁电、旋变，正余弦，根据信号类型分成增量型、绝对式、模拟型，增量型，根据接线方式分成多线式、省线式、总线型，总线型又根据总线数据协议分成nrz、endat、biss、ssi等多种类型。
4.伺服电机应用场景极广，不同应用需求、不同电机设计方案及制造工艺、不同类型的位置编码器，导致了伺服电机的种类非常繁多，目前新型号的伺服电机和伺服驱动器的第一次标定工作都是在工厂试验室完成的，主要原因就是伺服电机电流环是最底层环路，它是外层速度环、位置环优良性能的基础，所以合理的设置电流环参数非常重要。电流环控制参数和伺服电机内部模型直接相关，需要根据伺服电机的电气参数(定子电感、定子电阻、反电动势、极对数、额定电流、峰值电流、等等)设定电流环pi参数，另外位置编码器类型及精度，电角度零位偏差、转子转动惯量等等是实现电流环与速度环进行参数传递的关联因素，也需要在工厂内进行检测标定，以上过程都需要在试验室环境下，借助专业测试仪器及仿真调试系统，由电机驱动专业工程师进行反复尝试调节，整个适配过程费时费力。到了应用现场，伺服驱动器只能使用标定过的伺服电机种类，如果现场更换成未适配过的伺服电机，根本无法正常可靠的运行，即使勉强能够转动起来，控制效果也将大打折扣，这种伺服驱动器和伺服电机间的密切耦合关系增加了伺服驱动器制造环节及库存管理的难度，售后维护也受到很大的影响，比如客户原伺服电机损坏停机时即使有现成的类似伺服电机，只要没有标定过就无法实现及时替换，降低了客户满意度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题，新型号的伺服电机电流环控制参数标定都是在工厂试验室环境下，由专业技术人员借助专用仪器设备来完成的，无法在应用现场即时更替使用，这大大限制了伺服驱动系统的灵活配置及售后维护，我们提出了一种伺服电机的电流环在线辨识方法，可以很好地解决这些伺服电机现场适配及售后维护的难题。
6.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种伺服电机的在线自动辨识的方法，将在线自动辨识装置内置于伺服驱动器中，其特征是：所述在线自动辨识装置在接收到启动命令后开始运行，包括如下步骤：
7.步骤1：获取外部用户输入的电机大类或可选择性输入的制造参数，根据电机大类和制造参数选择对应的编码器识别模型，对伺服电机编码器进行识别及校正；
8.步骤2：对伺服电机相序和极对数进行识别；
9.步骤3：电流环pi参数进行智能调节；
10.步骤4：伺服电机转动惯量和速度环增益进行标定。
11.优选的，步骤1中包括，将位置编码器根据传感技术分成光电、磁电、旋变，正余弦，根据信号类型分成增量型、绝对式、模拟型，根据接线方式分成多线式、省线式、总线型，总线型又根据总线数据协议分成nrz、endat、biss、ssi类型，将上述类型的编码器的识别模型分类形成对应的编码器识别模块，根据输入信息确定具体的编码器类型并调用对应的编码器识别模块。
12.优选的，步骤2中包括开环控制电场标量vd、vq值、电角度及步长进行控制，电场标量vd＝k、vq＝0，电角度置零停留2s，记录当前编码器值；电场标量vd、vq值不变，电角度增加步长60
°
停留2s，记录当前编码器值直到走满2整圈；
13.评估核对编码器分辨率、极对数、电角度零点偏移量、功率相序是否正确，如果不正确则关闭pwm，显示报警号、保存报警记录，结束，如果正确则关闭pwm记录编码器精度、极对数、功率相序、电角度零点偏移量信息。
14.优选的，步骤3中包括根据电机基础参数、电机大类参数、电机制造参数，测试电机电感、电阻，然后分别设定电流环pi参数辨识的起始值、最大值、iq_ref测试标准值、kp和ki的起始点、kp和ki的调节步长参数，保证最佳pi参数在此区间之内，辨识测量根据额定电流合理的设置iq_ref，给定阶跃输入iq_ref，观察iq_fbd的响应曲线，不断调节电流环kp、ki，统计分析最优kp参数和ki参数。
15.优选的，步骤3中包括启动本次iq响应尝试，记录本次iq响应曲线，判断iq_fdb过冲量是否达到上限，如果是则统计分析最优kp参数，如果否则判断kp是否达到上限，如果是则统计分析最优kp参数，如果否则kp参数步长增加再次进入iq响应尝试，直到iq_fdb过冲量或kp达上限后统计分析最优kp参数。
16.优选的，步骤3中包括启动本次iq响应尝试，记录本次iq响应曲线，判断iq_fdb过冲量是否达到上限，如果是则统计分析最优ki参数，如果否则判断ki是否达到上限，如果是则统计分析最优ki参数，如果否则ki参数步长增加再次进入iq响应尝试，直到iq_fdb过冲量或ki达上限后统计分析最优ki参数。
17.优选的，步骤4中转动惯量和速度环增益的标定包括：标定时根据iq_fdb阶跃响应电机转子速度从零到达预设速度的时间宽度来倒推计算，由这个时间常数得到基准的速度环单位增益knp0、kni0，以此来标定转动惯量和速度环增益。
18.相比于背景技术，本发明技术效果主要体现在以下方面：本发明的核心发明点是通过深入分析伺服电机内部各部件的原理模型，采用了一种自动识别测试标定的方法，将由专业技术人员才能操作的比较复杂的电机标定过程简化为了一键自动辨识标定，我们已经将此方法进行编程内置于伺服驱动器，作为一种高级功能供用户调用。整个辨识过程无需人工干预，辨识时间1～3分钟完成。
附图说明
19.图1为实施例中方法流程图第一部分图；
20.图2为实施例中方法流程图第二部分图；
21.图3为实施例中方法流程图第三部分图。
具体实施方式
22.以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。
23.实施例：
24.参考图1、图2和图3所示，一种伺服电机的在线自动辨识的方法，将在线自动辨识装置内置于伺服驱动器中，其特征是：在线自动辨识装置在接收到启动命令后开始运行，包括如下步骤：
25.步骤1：获取外部用户输入的电机大类或可选择性输入的制造参数，根据电机大类和制造参数选择对应的编码器识别模型，对伺服电机编码器进行识别及校正；将位置编码器根据传感技术分成光电、磁电、旋变，正余弦，根据信号类型分成增量型、绝对式、模拟型，根据接线方式分成多线式、省线式、总线型，总线型又根据总线数据协议分成nrz、endat、biss、ssi类型，将上述类型的编码器的识别模型分类形成对应的编码器识别模块，根据输入信息确定具体的编码器类型并调用对应的编码器识别模块。
26.伺服电机编码器是一种跟踪电机转子角度或位置的传感器，是伺服电机里面的核心部件，编码器的分辨率和安装角度偏差与电机性能好坏密切相关，所以伺服电机在线辨识的第一道工序就是对电机位置编码器进行识别与校正。
27.步骤2：对伺服电机相序和极对数进行识别。开环控制电场标量vd、vq值、电角度及步长进行控制，电场标量vd＝k、vq＝0，k作为常数。电角度置零停留2s，记录当前编码器值；电场标量vd、vq值不变，电角度增加步长60
°
停留2s，记录当前编码器值直到走满2整圈；
28.评估核对编码器分辨率、极对数、电角度零点偏移量、功率相序是否正确，如果不正确则关闭pwm(脉冲宽度调制)，显示报警号、保存报警记录，结束，如果正确则关闭pwm记录编码器精度、极对数、功率相序、电角度零点偏移量信息。
29.不同厂家伺服电机的动力线相序及极对数可能不一致，即使同一厂家的不同型号的伺服电机动力线及极对数也可能不尽相同，这种差别通过肉眼无法分辨。所以通过步骤2，我们完成对伺服电机相序和极对数进行识别。我们分析通过开环设定电机的标量vd、vq，按预定电角度方向转动，观察电机位置编码器反馈的旋转方向来判断动力线相序的正反。电机极对数的判别原理相同，开环设定伺服电机旋转角度或圈数，观察电机实际的运动角度或圈数来判别。相序及极对数的识别必须在编码器识别后方可进行。
30.步骤3：电流环pi参数进行智能调节。伺服电机的性能好坏和电流环pi参数直接相关，合理设置电流环参数非常重要，不同电机的绕组电感l、电阻r、反电动势、过载倍率、极对数都很难一致，即使同样的设计方案如果采用了不同的材质，比如铁芯、漆包线、磁钢片等等，都会体现在电机电感l、电阻r及反电动势e上，而pi参数的基准来源于这些关键参量，我们研究了他们之间的传递函数关系，根据电机基础参数、电机大类参数、电机制造参数，测试电机电感、电阻，然后分别设定电流环pi参数辨识的起始值、最大值、iq_ref(测试标准
值)、kp和ki的起始点、kp和ki的调节步长参数，保证最佳pi参数在此区间之内，辨识测量根据额定电流合理的设置iq_ref，给定阶跃输入iq_ref，观察iq_fbd的响应曲线，不断调节电流环kp、ki，统计分析最优kp参数和ki参数。
31.启动本次iq响应尝试，记录本次iq响应曲线，判断iq_fdb过冲量是否达到上限，如果是则统计分析最优kp参数，如果否则判断kp是否达到上限，如果是则统计分析最优kp参数，如果否则kp参数步长增加再次进入iq响应尝试，直到iq_fdb过冲量或kp达上限后统计分析最优kp参数。
32.启动本次iq响应尝试，记录本次iq响应曲线，判断iq_fdb过冲量是否达到上限，如果是则统计分析最优ki参数，如果否则判断ki是否达到上限，如果是则统计分析最优ki参数，如果否则ki参数步长增加再次进入iq响应尝试，直到iq_fdb过冲量或ki达上限后统计分析最优ki参数。
33.步骤4：伺服电机转动惯量和速度环增益进行标定。转动惯量和速度环增益的标定包括：标定时根据iq_fdb阶跃响应电机转子速度从零到达预设速度的时间宽度来倒推计算，由这个时间常数得到基准的电流环单位增益knp0、kni0，以此来标定转动惯量和速度环增益。
34.伺服电机的光轴转动惯量和速度环knp0、kni0单位增益相关。伺服电机在应用现场往往会连接到其它机械传动机构上，这些机械结构可以折算成数倍或几十倍的转动惯量比，转动惯量比不同，速度环的knp、kni增益就要做相应的调节，可以简单等效为knp＝jr*knp0、kni＝jr*kni0，jr是连接在伺服电机上所有机械折算出的转动惯量比，knp0、kni0就是速度环单位增益。这个单位增益是实际现场速度环、增益的基础参数，不能有太大偏差，否者速度环参数自适应达不到完美控制效果。
35.该方法不管是哪个厂家的伺服电机，配置的是哪种类型的位置传感器，只需要驱动控制器和伺服电机之间正确的接线，提供基本的电气参数，就可以在几分钟之内，自动识别伺服电机的极对数、编码器分辨率、机械零点电角度偏移值、电流环pi参数、速度环pi单位增益等所有电气参数。
36.使用者准备启动电流环在线辨识功能前，首先需要确定驱动器处于非使能状态，然后检查被辨识的伺服电机接线(功率线、位置编码器线)是否正确，确认无误后即可通过驱动器面板菜单选择电机大类或者输入基本电机电气参数，激活在线辨识功能，该功能一旦启动就处于自动运行状态，整个过程再无需干预，直至辨识过程完成，辨识成功完成后参数自动保存生效，适配效果与专业人员相当，检测效率明显优于传统标定方法，用户可以通过上位机软件观测电流环响应曲线来确认辨识效果。
37.该功能方法既可以在工厂内替代专业人员实现新增伺服电机的自动标定，也可以在客户现场更换未注册伺服电机时标定校正使用，具有很强的可操作性。
38.目前每增加一个新的电机供应商或更换原材料，为了达到最佳性能，伺服电机电流环标定工作都要重复进行。如前所述，目前伺服电机电流环标定都是在试验室环境下，由专业技术人员借助专门的检测仪器及仿真设备来完成的，企业要付出大量人力及时间成本，在产品技术迭代周期越来越快的当今世界，传统的电机参数标定方法需要升级改进。另一方面因为伺服驱动器和伺服电机的强耦合关系，伺服驱动器或伺服电机在客户应用现场有一个不行，就必须更换原型号的产品，原型号一旦缺货或停产，就必须整套更换才能继续
工作，售后维护成本很高，造成很大的资源浪费。本发明旨在提出一种全新的伺服电机在线自动辨识方法，该方法具有快速、准确、有效的特点，辨识效果与专业技术人员相当，可以显著提高伺服电机产品检测标定及售后服务效率，控制企业运营成本。
39.当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。