一种伺服系统及其转速补偿方法与流程

1.本技术属于伺服控制技术领域，更具体地，涉及一种伺服系统及其转速补偿方法。


背景技术：

2.随着控制技术不断地提高，伺服系统因其高性能、高精度等优势在现代工业领域中被广泛运用于数控机床、纺织、印刷、机器人等方面。
3.然而，在机械部位运动过程中，由于机械刚性有限发生弹性形变，从而产生了角度偏移。这种弹性形变在交流系统设计中通常被忽略简化。但这种简化在有些工况下会导致伺服系统性能不稳定。如当用于工业机器人时，伺服系统定位时在负载末端会发生抖振现象，这种振动可随时间衰减，但明显増加了伺服系统的调节时间，导致伺服系统的动态性能降低；有的甚至产生严重的位置速度振荡造成伺服系统发散，或者在工作时产生高频噪音，速度和位置不够稳定，同样有损伺服系统的控制性能。


技术实现要素：

4.本技术的目的包括，例如，提供了一种伺服系统及其转速补偿方法，以解决上述问题。
5.第一方面，提供一种伺服系统的转速补偿方法，包括：采集模块以预设采样周期采集负载的转速波动量；振动抑制模块在转速波动量大于预设阈值时，根据负载的转速参数、转速波动量、以及预设采样周期，得到转速补偿值；振动抑制模块将包括转速补偿值的转速命令发送至转速控制模块；转速控制模块基于转速补偿值对伺服系统的转速进行控制。
6.第二方面，提供一种伺服系统，包括采集模块、振动抑制模块、转速控制模块；
7.所述采集模块，用于以预设采样周期采集负载的转速波动量；振动抑制模块，用于在转速波动量大于预设阈值时，根据负载的转速参数、转速波动量、以及预设采样周期，得到转速补偿值；振动抑制模块，还用于将包括转速补偿值的转速命令发送至转速控制模块；转速控制模块，用于基于转速补偿值对伺服系统的转速进行控制。
8.本发明实施例提供一种伺服系统及其转速补偿方法，采集模块以预设采样周期采集负载的转速波动量，当转速波动量大于预设阈值时，根据反馈位置信号θ、估计位置信号反馈转矩te、估计转矩总转动惯量j、以及预设采样周期得到负载的估计转速再根据估计转速和反馈转速ωm得到转速波动差δω，根据初始转速、预设采样周期ts、跟踪系数α、转速波动量，得到负载的频率跟踪值再根据转速波动量的标准差v(k)，得到补偿增益k
comp
；再根据频率跟踪值和补偿增益k
comp
，得到转速补偿值ω
comp
；最后将包括转速补偿值的转速命令发送给转速控制模块，转速控制模块再转速补偿值ω
comp
对伺服系统的转速进行控制，以补偿因机械谐振导致的噪音、以及速度和位置不稳定的问题。相较于现有技术，本实施例无需增加额外的机械结构，避免导致伺服系统的结构复杂化，有利于节省制作成本。
附图说明
9.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
10.图1为本技术实施例提供的伺服系统的转速补偿方法的流程示意图；
11.图2为本技术实施例提供的伺服系统的转速补偿方法的流程示意图；
12.图3为本技术实施例提供的伺服系统的转速补偿方法的流程示意图；
13.图4为本技术实施例提供的257hz的振动波动量抑制前后对比图；
14.图5为本技术实施例提供的794hz的振动波动量抑制前后对比图。
具体实施方式
15.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
16.对于背景技术提出的伺服系统存在机械谐振问题，其成因比较复杂，同时受机械系统的固有特性以及负载情况的影响，一般可以通过避振的方式避免系统在谐振点工作，或者通过改进机械结构以及加固等被动方式解决此问题。但该种方式无疑会增大伺服系统的结构复杂程度，增加伺服系统的制作成本。
17.如图1所示，本发明实施例提供一种伺服系统的转速补偿方法，包括：
18.s11、采集模块以预设采样周期采集负载的转速波动量。
19.在一些实施例中，在不同的采集周期，采集模块可以采集多个转速波动量。
20.s12、振动抑制模块在转速波动量大于预设阈值时，根据负载的转速参数、转速波动量、以及预设采样周期，得到转速补偿值。
21.在一些实施例中，预设阈值的取值与具体的伺服系统和客户需求有关。不同的转速波动量在不同的伺服系统中呈现出的机械谐振可能不同。
22.在一些实施例中，转速参数包括反馈位置信号、估计位置信号、反馈转矩、估计转矩、反馈转速、初始转速，以及伺服电机和负载的总转动惯量等值。
23.s13、振动抑制模块将包括转速补偿值的转速命令发送至转速控制模块。
24.s14、转速控制模块基于转速补偿值对伺服系统的转速进行控制。
25.在一些实施例中，转速控制模块接收到转速命令后，对用于控制伺服系统的转速的参数进行调整，以控制伺服系统的转速。
26.本发明实施例提供一种伺服系统的转速补偿方法，采集模块以预设采样周期采集负载的转速波动量，当转速波动量大于预设阈值时，根据负载的转速参数、所述转速波动量、以及预设采样周期得到转速补偿值，并将包括转速补偿值的转速命令发送给转速控制模块，转速控制模块再转速补偿值对伺服系统的转速进行控制，以补偿因机械谐振导致的噪音、以及速度和位置不稳定的问题。相较于现有技术，本实施例无需增加额外的机械结构，避免导致伺服系统的结构复杂化，有利于节省制作成本。如图2所示，本发明实施例提供
一种伺服系统的转速补偿方法，包括：
27.s11、采集模块以预设采样周期采集负载的转速波动量。
28.s121、转速观测模块根据反馈位置信号θ、估计位置信号反馈转矩te、估计转矩总转动惯量j、以及预设采样周期ts，得到负载的估计转速
29.具体的，可以根据计算得到负载的估计转速其中，表示θ的导数，表示的导数，表示的导数，l1、l2、l3。
30.此处，转速观测模块可以实时接收反馈位置信号θ和反馈转矩te，可以通过对θ求导得到，可以通过对求导得到，可以通过对求导得到，l1、l2、l3为转速观测模块的参数，进而根据上述参数得到负载的估计转速
31.s122、转速观测模块根据估计转速和反馈转速ωm得到转速波动差δω。
32.具体的，根据计算得到转速波动差δω。其中，转速观测模块可以实时接收负载的反馈转速ωm。
33.s123、相位补偿模块根据初始转速、预设采样周期ts、跟踪系数α、转速波动量，得到负载的频率跟踪值
34.具体的，先根据a1＝2*α* ω
(k-1)
*ω
(k-1)
、、计算得到a0、a1、a2、a3。其中，负载的初始转速可以是 6280rad/s。即，在第一个采样周期，ω
(k-1)
＝6280rad/s。
35.之后，根据之后，根据计算得到x(k)。其中，x(k)可以作为计算频率跟踪值的中间变量，u(k)表示当前采样周期采集的转速波动量，u(k-1) 表示前一个采样周期采集的转速波动量，u(k-2)表示前两个采样周期采集的转速波动量。
36.最后，根据计算得到负载的频率跟踪值其中，ω
(k-1)
表示负载在前一个采样周期的转速。
37.s124、相位补偿模块根据转速波动量的标准差v(k)，得到补偿增益 k
comp
。
38.具体的，可以根据v(k)＝sqrt(((u1-x)2 (u2-x)2
…
(un-x)2)/n),计算采集模块采集的多个转速波动量的标准差v(k)。其中，u1、u2、u3
…
un表示多个转速波动量，x表示多
个转速波动量的平均值或中位数等。
39.之后，根据k
comp
＝factor*v(k)*(上限-下限)，计算得到补偿增益k
comp
。其中，转速波动量v(k)可根据预设采样周期实时更新，而补偿增益k
comp
不能实时更新，否则可能因为变化过快导致引入新的振动，通常补偿增益 k
comp
更新一次，但转速波动量v(k)已经更新了5-10次。同时，由于补偿增益k
comp
正比于转速波动量v(k)，因此，可以设置常数值factor，来提高各个预设采样周期的补偿增益k
comp
的准确性。在此基础上，由于存在机械误差等原因，还可以设置可忽略的误差的上限和下限。
40.s125、相位补偿模块根据频率跟踪值和补偿增益k
comp
，得到转速补偿值ω
comp
。
41.具体的，根据计算得到转速振动频率f。
42.之后，根据计算得到传递函数h(s)。其中，s 也表示传递函数，此公式可以根据振动频率f范围，经过试验推导得到。
43.之后，根据δω
*
＝h(s)*δω，计算得到转速波动差δω
*
。
44.最后，根据ω
comp
＝k
comp
*δω
*
，计算得到转速补偿值ω
comp
。
45.s13、振动抑制模块将包括转速补偿值ω
comp
的转速命令发送至转速控制模块。
46.s14、转速控制模块基于转速补偿值ω
comp
对伺服系统的转速进行控制。
47.步骤s11、s13和s14的解释说明与前一实施例的步骤s11、s13和s14 的解释说明相同，在此不再赘述。
48.本发明实施例提供一种伺服系统的转速补偿方法，采集模块以预设采样周期采集负载的转速波动量，当转速波动量大于预设阈值时，根据反馈位置信号θ、估计位置信号反馈转矩te、估计转矩总转动惯量j、以及预设采样周期得到负载的估计转速再根据估计转速和反馈转速ωm得到转速波动差δω，根据初始转速、预设采样周期ts、跟踪系数α、转速波动量，得到负载的频率跟踪值再根据转速波动量的标准差v(k)，得到补偿增益k
comp
；再根据频率跟踪值和补偿增益k
comp
，得到转速补偿值ω
comp
；最后将包括转速补偿值的转速命令发送给转速控制模块，转速控制模块再转速补偿值ω
comp
对伺服系统的转速进行控制，以补偿因机械谐振导致的噪音、以及速度和位置不稳定的问题。相较于现有技术，本实施例无需增加额外的机械结构，避免导致伺服系统的结构复杂化，有利于节省制作成本。
49.如图3所示，发明实施例提供一种伺服系统的转速补偿方法，包括：
50.s11、采集模块以预设采样周期采集负载的转速波动量。
51.在一些实施例中，在不同的采集周期，采集模块可以采集多个转速波动量。
52.s15、滤波模块对所述采集模块采集的所述转速波动量进行高通、低通滤波处理。
53.在一些实施例中，可以滤除50hz-1500hz以外的转速波动量，可选的，考虑到转速环振动频率主要集中于100hz-1000hz，因此，可以滤除 100hz-1000hz以外的转速波动量。
54.在一些实施例中，滤波模块可以是iir数字带通滤波器，可以利用iir 数字带通滤波器来对转速波动量进行高通、低通滤波处理。
55.利用iir数字带通滤波器来对转速波动量进行高通、低通滤波处理的过程可以为：先在s域上设计相应的模拟滤波器；再通过双线性变换来完成 z域上iir数字带通滤波器的设计方法，利用冲激响应不变法设计iir数字带通滤波器时，模拟角频率ω与数字角频率ω之间是线性关系，即ω＝ω/ts，即可对高通、低通滤波模块的离散形式进行推导，以截止频率为 50hz为例，得到高通滤波模块离散方程如下：
[0056][0057]
以截止频率为1500hz为例，得到低通滤波模块离散方程如下：
[0058][0059]
其中,x(k)表示当前采样周期采集的转速波动差，x(k-1)表示前一个采样周期采集的转速波动差，y(k)表示当前采样周期经滤波处理后的转速波动差，y(k-1)表示前一个采样周期经滤波处理后的转速波动差，f
l
为低通滤波截止频率，fh为高通滤波的截止频率。
[0060]
s16、振动抑制模块计算滤波处理后的转速波动量的标准差，记为标准转速波动量v(k)。
[0061]
在一些实施例中，以滤除50hz-1500hz以外的转速波动量为例，仅需计算50hz-1500hz以内的转速波动量的标准差，计算结果记为标准转速波动量v(k)。
[0062]
如图4和图5所示，为根据转速波动量进行高通、低通滤波处理后，计算转速波动量的标准值，根据标准转速波动量计算得到转速补偿值，转速控制模块对不同频率的转速波动量进行补偿后的谐振图，相较于抑制之前，本发明明显对谐振现象起到了抑制效果。
[0063]
s121、转速观测模块根据反馈位置信号θ、估计位置信号反馈转矩te、估计转矩总转动惯量j、以及预设采样周期得到负载的估计转速
[0064]
s122、转速观测模块根据估计转速和反馈转速ωm得到转速波动差δω。
[0065]
s123、相位补偿模块根据初始转速、预设采样周期ts、跟踪系数α、标准转速波动量，得到负载的频率跟踪值
[0066]
s124、相位补偿模块根据的标准转速波动量v(k)，得到补偿增益k
comp
。
[0067]
s125、相位补偿模块根据频率跟踪值和补偿增益k
comp
，得到转速补偿值ω
comp
。
[0068]
s13、振动抑制模块将包括转速补偿值ω
comp
的转速命令发送至转速控制模块。
[0069]
s14、转速控制模块基于转速补偿值ω
comp
对伺服系统的转速进行控制。
[0070]
步骤s11、s121、s122、s124、s125、s13和s14的解释说明与前一实施例的步骤s11、s121、s122、s124、s125、s13和s14的解释说明相同，在此不再赘述。
[0071]
在一些实施例中，步骤s16只要在步骤s15之后、步骤s123之前即可，本实施例仅列举出步骤s16在步骤s15之后、步骤s121之前的情况。
[0072]
本发明实施例提供一种伺服系统的转速补偿方法，在计算转速补偿值ω
comp
之前，还可对采集的转速波动量进行高通、低通滤波处理，并计算经滤波处理后的转速波动量的
标准差，记为标准转速波动量v(k)，之后可以利用标准转速波动量v(k)来计算转速补偿值，提高转速补偿值的准确性。
[0073]
本发明实施例还提供一种伺服系统，伺服系统包括采集模块、振动抑制模块、转速控制模块。
[0074]
采集模块，用于以预设采样周期采集负载的转速波动量。振动抑制模块，用于在转速波动量大于预设阈值时，根据负载的转速参数、转速波动量、以及预设采样周期，得到转速补偿值。振动抑制模块，还用于将包括转速补偿值的转速命令发送至转速控制模块。转速控制模块，用于基于转速补偿值对伺服系统的转速进行控制。
[0075]
本发明实施例提供的伺服系统的解释说明和有益效果与前述实施例所述的伺服系统的转速补偿方法的解释说明和有益效果，在此不再赘述。
[0076]
可选的，振动抑制模块包括转速观测模块和相位补偿模块。转速参数包括反馈位置信号θ、估计位置信号反馈转矩te、估计转矩反馈转速ωm、初始转速总转动惯量j。
[0077]
转速观测模块，用于根据反馈位置信号θ、估计位置信号反馈转矩te、估计转矩总转动惯量j、以及预设采样周期ts，得到负载的估计转速
[0078]
具体的，可以根据计算得到负载的估计转速其中，表示θ的导数，表示的导数，表示的导数，l1、l2、l3。
[0079]
此处，转速观测模块可以实时接收反馈位置信号θ和反馈转矩te，可以通过对θ求导得到，可以通过对求导得到，可以通过对求导得到，l1、l2、l3为转速观测模块的参数，进而根据上述参数得到负载的估计转速
[0080]
转速观测模块，还用于根据估计转速和反馈转速ωm得到转速波动差δω。
[0081]
具体的，根据计算得到转速波动差δω。其中，转速观测模块可以实时接收负载的反馈转速ωm。
[0082]
相位补偿模块，用于根据初始转速、预设采样周期ts、跟踪系数α、转速波动量，得到负载的频率跟踪值
[0083]
具体的，先根据a1＝2*α* ω
(k-1)
*ω
(k-1)
、、计算得到a0、a1、a2、a3。其中，负载的初始转速可以是 6280rad/s。即，在第一个采样周期，ω
(k-1)
＝6280rad/s。
[0084]
之后，根据之后，根据计算得到x(k)。其中，x(k)可以作为计算频率跟踪值的中间变量，u(k)表示当前采样周期采集的转速波动量，u(k-1) 表示前一个采样周期采集的转速波动量，u(k-2)表示前两个采样周期采集的转速波动量。
[0085]
最后，根据计算得到负载的频率跟踪值其中，ω
(k-1)
表示负载在前一个采样周期的转速。
[0086]
相位补偿模块，还用于根据转速波动量的标准差，得到补偿增益k
comp
。
[0087]
具体的，可以根据v(k)＝sqrt(((u1-x)2 (u2-x)2
…
(un-x)2)/n),计算采集模块采集的多个转速波动量的标准差v(k)。其中，u1、u2、u3
…
un表示多个转速波动量，x表示多个转速波动量的平均值或中位数等。
[0088]
之后，根据k
comp
＝factor*v(k)*(上限-下限)，计算得到补偿增益k
comp
。其中，转速波动量v(k)可根据预设采样周期实时更新，而补偿增益k
comp
不能实时更新，否则可能因为变化过快导致引入新的振动，通常补偿增益 k
comp
更新一次，但转速波动量v(k)已经更新了5-10次。同时，由于补偿增益k
comp
正比于转速波动量v(k)，因此，可以设置常数值factor，来提高各个预设采样周期的补偿增益k
comp
的准确性。在此基础上，由于存在机械误差等原因，还可以设置可忽略的误差的上限和下限。
[0089]
相位补偿模块，还用于根据频率跟踪值和补偿增益k
comp
，得到转速补偿值ω
comp
。
[0090]
具体的，根据计算得到转速振动频率f。
[0091]
之后，根据计算得到传递函数h(s)。其中，s 也表示传递函数，此公式可以根据振动频率f范围，经过试验推导得到。
[0092]
之后，根据δω
*
＝h(s)*δω，计算得到转速波动差δω
*
。
[0093]
最后，根据ω
comp
＝k
comp
*δω
*
，计算得到转速补偿值ω
comp
。
[0094]
本发明实施例中，当转速波动量大于预设阈值时，根据反馈位置信号θ、估计位置信号反馈转矩te、估计转矩总转动惯量j、以及预设采样周期得到负载的估计转速再根据估计转速和反馈转速ωm得到转速波动差δω，根据初始转速、预设采样周期ts、跟踪系数α、转速波动量，得到负载的频率跟踪值再根据转速波动量的标准差v(k)，得到补偿增益k
comp
；再根据频率跟踪值和补偿增益k
comp
，得到转速补偿值ω
comp
；最后将包括转速补偿值的转速命令发送给转速控制模块，转速控制模块再转速补偿值ω
comp
对伺服系统的转速进行控制，以补偿因机械谐振导致的噪音、以及速度和位置不稳定的问题。
[0095]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而
这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。