一种减小伺服控制系统启动电流的方法与流程

1.本发明涉及伺服控制技术领域，尤其涉及一种减小伺服控制系统启动电流的方法。


背景技术：

2.直流伺服电动机在运动控制中作为执行电机应用广泛。通过控制电枢绕组中电流的方向和大小，可以控制直流伺服电动机的旋转方向和速度。然而，直流伺服电动机直接启动时，启动电流很大，对电动机本身和电源造成冲击，影响电动机和电源的使用寿命。
3.现有技术中常用的减小启动电流的方法为电枢回路串电阻启动、降电压启动和软启动的启动方法。其中，电枢回路串电阻启动是将限流电阻串入电动机电枢回路中，电动机转动后再逐个短路切除限流电阻，实现限制启动电流的效果，但限流电阻启动过程中会消耗电能；降电压启动就是在启动时降低电动机输入电压来达到限制启动电流的目的，在电动机启动后再逐渐提高电源电压，直到额定电压，但调压电源需要使用相控变流器或直流斩波器来实现；软启动就是控制电动机输入电压从零逐渐升到电机额定电压，很自然地控制启动电流，将传统启动方式不可控的启动电流变为可控的启动电流，实现电动机的平滑快速启动，但软启动器需要增加全控器件模块、微处理器、检测模块、保护模块和显示模块等硬件设备。
4.综上，目前减小直流伺服电动机启动电流的方法，需要增加设备，对硬件电路和软件程序进行设计，存在硬件电路和软件设计成本高、电能消耗大、无法在空间有限的情况下使用等缺陷。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种减小伺服控制系统启动电流的方法，用以解决现有技术中存在的硬件电路和软件设计成本高、电能消耗大、无法在空间有限的情况下使用等问题。
6.本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
7.本发明实施例提供了一种减小伺服控制系统启动电流的方法，包括如下步骤：
8.获取所述伺服控制系统控制量饱和值与被控对象转速的对应关系；
9.根据期望的软启动电流值和期望的正常控制电流值，获得软启动控制过程中第一阶段的控制量饱和值和第三阶段的控制量饱和值；
10.基于所述控制量饱和值与被控对象转速的对应关系，以及所述第一阶段的控制量饱和值和第三阶段的控制量饱和值，利用软启动控制算法，获得软启动控制过程中第二阶段的控制量饱和值；
11.基于所述第一阶段、第二阶段和第三阶段的控制量饱和值进行电压控制，以实现对所述伺服控制系统的软启动控制；
12.其中，第一阶段为启动阶段；第二阶段为过渡阶段；第三阶段为正常控制阶段。
13.基于上述方法的进一步改进，所述伺服控制系统包括：
14.控制器、伺服电动机、传动机构、被控对象及其构成的控制回路；其中，所述伺服电动机包括电枢，所述电枢上设置有电枢绕组；
15.通过将位置指令信号输入所述控制器，由所述控制器控制所述伺服电动机的旋转，经由所述传动机构控制所述被控对象，通过被控对象的反馈元件测得被控对象的位置反馈信号和被控对象转速。
16.基于上述方法的进一步改进，当系统满足第一阶段的判断依据时进入所述第一阶段，当系统不满足第一阶段的判断依据而满足第二阶段的判断依据时进入所述第二阶段，当系统不满足第二阶段的判断依据而满足第三阶段的判断依据时进入所述第三阶段；
17.各阶段的所述判断依据均包括误差和所述被控对象转速的正负符号关系；其中，所述误差表示所述位置指令信号与所述位置反馈信号的差值。
18.基于上述方法的进一步改进，所述软启动控制过程中第一阶段、第二阶段和第三阶段，包括：
19.所述第一阶段的所述判断依据包括：
20.所述误差与所述被控对象转速同号，所述误差的绝对值不小于第三阶段的控制量饱和值所对应误差的绝对值，且所述被控对象转速的绝对值不大于被控对象第一转速的绝对值；
21.满足所述第一阶段的所述判断依据后，通过第一阶段的控制量饱和值对伺服控制系统进行电压控制；
22.所述第二阶段的所述判断依据包括：
23.所述误差与所述被控对象转速同号，所述误差的绝对值不小于第三阶段的控制量饱和值所对应误差的绝对值，且所述被控对象转速的绝对值不大于被控对象第二转速的绝对值；
24.满足所述第二阶段的所述判断依据后，通过第二阶段的控制量饱和值对伺服控制系统进行电压控制；
25.所述第三阶段的所述判断依据包括：
26.除所述启动阶段的判断依据和所述过渡阶段的判断依据以外的其它情况。
27.满足所述第三阶段的所述判断依据后，通过第三阶段的控制量饱和值对伺服控制系统进行电压控制；
28.基于上述方法的进一步改进，所述软启动控制过程中第二阶段的控制量饱和值通过所述软启动控制算法，根据所述被控对象转速v的绝对值进行线性化计算获得：
[0029][0030]
其中，k为所述第二阶段的控制量饱和值；k1为所述第一阶段的控制量饱和值；k2为所述第三阶段的控制量饱和值；v1为所述被控对象第一转速；v2为所述被控对象第二转速；absv为所述被控对象转速v的绝对值。
[0031]
基于上述方法的进一步改进，所述被控对象第一转速v1和所述被控对象第二转速v2通过如下方式获得：
[0032]
基于所述控制量饱和值与被控对象转速的对应关系，通过取所述控制量饱和值为
40％，获得所述被控对象第一转速v1；
[0033]
基于所述控制量饱和值与被控对象转速的对应关系，通过取所述控制量饱和值为60％，获得所述被控对象第二转速v2。
[0034]
基于上述方法的进一步改进，所述第一阶段的控制量饱和值k1通过下述方式计算获得：
[0035]
根据期望的软启动电流的值，确定对应的软启动平均电压的值；
[0036]
通过对控制器的输出值，即控制量，进行限幅处理，以达到所述软启动平均电压的值；
[0037]
将达到所述软启动平均电压的值时对应的控制器的输出值作为所述第一阶段的控制量饱和值k1。
[0038]
基于上述方法的进一步改进，所述第三阶段的控制量饱和值k2通过下述方式计算获得：
[0039]
根据期望的正常控制电流值，确定对应的正常控制平均电压的值；
[0040]
通过对控制器的输出值，即控制量，进行限幅处理，以达到所述正常控制平均电压的值；
[0041]
将达到所述正常控制平均电压的值时对应的控制器的输出值作为所述第三阶段的控制量饱和值k2。
[0042]
基于上述方法的进一步改进，所述伺服控制系统进行阶跃输入测试，建立控制量饱和值与被控对象转速的对应关系，包括：
[0043]
针对所述伺服控制系统，通过对控制器的输出值，即控制量，进行限幅处理来获得不同的所述控制量饱和值；
[0044]
开展不同控制量饱和值下的被控对象转速测试，进而得到对应的所述被控对象转速，建立所述控制量饱和值与被控对象转速的对应关系。
[0045]
基于上述方法的进一步改进，所述对伺服控制系统进行软启动控制，包括以下步骤：
[0046]
输入并采集位置指令信号，采集位置反馈信号；
[0047]
根据所述位置指令信号和位置反馈信号，计算误差；
[0048]
对所述误差进行pid运算，获得控制量；
[0049]
利用由所述软启动控制算法所确定的控制量饱和值，限制控制器的输出；
[0050]
基于上述步骤进行循环采集、运算和控制，直至达到所述正常控制阶段，完成所述伺服控制系统的软启动控制。
[0051]
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
[0052]
1、本发明通过设计软启动控制算法，对控制量饱和值进行限制，大幅减小了伺服控制系统的启动电流，延长了电动机和电源的使用寿命。
[0053]
2、本发明通过设计软启动控制算法，利用一般伺服控制系统中所包含的控制器，对控制量饱和值进行限制，在不增加硬件设备的前提下，仅利用软件来减小伺服控制系统的启动电流，实现了伺服控制系统的软启动，节约了成本，并实现了伺服控制系统在空间有限的情况下的使用。
[0054]
3、本发明通过设计软启动控制算法，对控制量饱和值进行限制，使得软启动的伺
服控制系统阶跃上升时间、超调量、稳态误差等指标，与正常启动的伺服控制系统对应指标基本一致，即减小伺服控制系统的启动电流的同时，保证了伺服控制系统的性能。
[0055]
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0056]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0057]
图1为伺服控制系统的原理框图；
[0058]
图2为伺服控制系统的软件流程图；
[0059]
图3为伺服控制系统的阶跃响应图；
[0060]
图4为伺服控制系统的阶跃响应控制量对比图；
[0061]
图5为伺服控制系统的阶跃响应电流对比图。
具体实施方式
[0062]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0063]
实施例1
[0064]
本发明的一个具体实施例，公开了一种减小伺服控制系统启动电流的方法，包括如下步骤：
[0065]
s1.获取伺服控制系统控制量饱和值与被控对象转速的对应关系；
[0066]
其中，控制量饱和值指通过对控制器的输出值，即控制量，进行限幅处理时，控制量的最大值；
[0067]
具体的，可以通过对伺服控制系统进行阶跃输入测试，得到伺服控制系统控制量饱和值与被控对象转速的对应关系。
[0068]
阶跃输入测试包括通过限制控制量饱和值的范围为0-95％，来测试获得伺服控制系统中被控对象在对应控制量饱和值下的转速。
[0069]
s2.根据期望的软启动电流值和期望的正常控制电流值，获得软启动控制过程中第一阶段的控制量饱和值和第三阶段的控制量饱和值；
[0070]
s3.设计软启动控制算法，基于所述控制量饱和值与被控对象转速的对应关系，以及所述第一阶段的控制量饱和值和第三阶段的控制量饱和值，获得软启动控制过程中第二阶段的控制量饱和值；
[0071]
s4.基于上述步骤，对所述伺服控制系统进行软启动控制，减小所述伺服控制系统的启动电流。
[0072]
与现有技术相比，本实施例提供的方法通过设计软启动控制算法，结合控制量饱和值与被控对象转速的对应关系，利用一般伺服控制系统中所包含的控制器，对控制量饱和值进行限制，实现了伺服控制系统的软启动，在不增加硬件设备、不影响伺服控制系统性
能的前提下，减小了伺服控制系统的启动电流，延长了电动机和电源的使用寿命，实现了伺服控制系统在空间有限的情况下的使用。
[0073]
实施例2
[0074]
在实施例1的基础上进行优化，步骤s1可进一步细化为如下步骤：
[0075]
s11.建立伺服控制系统，包括：
[0076]
控制器、伺服电动机、传动机构、被控对象及其构成的控制回路；其中，伺服电动机包括电枢，电枢上设置有电枢绕组。通过将位置指令信号输入控制器，由控制器控制伺服电动机的旋转，经由传动机构控制被控对象，通过被控对象的反馈元件测得被控对象的位置反馈信号和被控对象转速v。将位置指令信号与位置反馈信号的差值定义为误差e(k)。
[0077]
s12.针对伺服控制系统，通过对控制器的输出值，即控制量，进行限幅处理，来获得不同的控制量饱和值u
max
；其中，
[0078]
将控制量饱和值u
max
的范围限制为0～95％，可选的，以10％为控制量饱和值u
max
的起始值，同时设置阶跃幅值为10个百分点，得到20％、30％、
……
、90％等控制量饱和值u
max
，并增设95％作为最后一个控制量饱和值u
max
。
[0079]
s13.基于s12中的一系列控制量饱和值u
max
，开展不同控制量饱和值下的被控对象转速测试，进而得到对应的被控对象转速v，建立控制量饱和值u
max
与被控对象转速v的对应关系，示例性的，如下表所示：
[0080]
控制量饱和值u
max
(％)被控对象转速v(
°
/s)104620923013940180502316026070323803679041295433
[0081]
优选地，步骤s2可进一步细化为如下步骤：
[0082]
s21.根据期望的软启动电流i
st0
的值，确定软启动控制过程中第一阶段的控制量饱和值u
max
。其中，启动电流i
st
和脉宽调制的占空比ρ存在如下关系：
[0083][0084]
其中，ua为伺服电动机的电枢两端电压，为电枢绕组上的平均电压，ra为电枢绕组的电阻。
[0085]
软启动时，期望的软启动电流i
st0
满足：
[0086]
[0087]
其中，为电枢绕组上的软启动平均电压，k1为第一阶段的控制量饱和值u
max
的取值，与期望的软启动电流i
st0
有关；
[0088]
根据期望的软启动电流i
st0
的值，确定对应的软启动平均电压的值；
[0089]
通过对控制器的输出值，即控制量，进行限幅处理，以达到所述软启动平均电压的值；
[0090]
将达到所述软启动平均电压的值时对应的控制器的输出值作为所述第一阶段的控制量饱和值u
max
，记作k1。
[0091]
k1的选取可根据具体工程而设定，一般范围为50％～95％。
[0092]
优选的，k1取65％，既可以限制启动电流而实现软启动，又不会使伺服控制系统的阶跃上升时间过长。
[0093]
s22.根据期望的正常控制电流值i
st1
，获得软启动控制过程中第三阶段的控制量饱和值u
max
。
[0094]
正常控制时，控制量饱和值u
max
达到最大值(通常为95％)时，期望的正常控制电流i
st1
满足：
[0095][0096]
其中，为电枢绕组上的正常控制平均电压，k2为第三阶段的控制量饱和值u
max
的取值，与期望的正常控制电流i
st1
有关；
[0097]
根据期望的正常控制电流i
st1
的值，确定对应的正常控制平均电压的值；
[0098]
通过对控制器的输出值，即控制量，进行限幅处理，以达到所述正常控制平均电压的值；
[0099]
将达到所述正常控制平均电压的值时对应的控制器的输出值作为所述第三阶段的控制量饱和值u
max
，记作k2。
[0100]
优选的，k2取95％。
[0101]
优选地，步骤s3可进一步细化为如下步骤：
[0102]
s31.设计软启动控制算法，包括第一阶段判断依据中的被控对象第一转速和第二阶段判断依据中的被控对象第二转速。基于控制量饱和值u
max
与被控对象转速v的对应关系，获得被控对象第一转速v1和被控对象第二转速v2；其中，优选的，一般取控制量饱和值u
max
为40％时对应的被控对象转速v作为被控对象第一转速v1，因此v1取180(
°
/s)，一般取控制量饱和值u
max
为60％时对应的被控对象转速v作为被控对象第二转速v2，因此v2取260(
°
/s)。
[0103]
s32.设计软启动控制算法，包括软启动控制过程中三个阶段的控制量饱和值；其中，第二阶段的控制量饱和值k按如下方法获得：
[0104]
利用软启动控制过程中第一阶段的控制量饱和值k1和第三阶段的控制量饱和值k2，并根据被控对象转速的绝对值进行线性化计算，获得第二阶段的控制量饱和值k，计算公式如下：
[0105][0106]
其中，absv为被控对象转速v的绝对值。
[0107]
s33.设计软启动控制算法，包括软启动控制过程中三个阶段的判断依据；其中，第一阶段为启动阶段，当系统满足第一阶段判断依据时，系统进入第一阶段，第一阶段判断依据包括：
[0108]
误差e(k)与被控对象转速v同号，误差e(k)的绝对值abse(k)不小于第三阶段的控制量饱和值k2所对应误差e0的绝对值abse0，且被控对象转速v的绝对值absv不大于被控对象第一转速v1的绝对值absv1；
[0109]
满足所述第一阶段的所述判断依据后，通过第一阶段的控制量饱和值对伺服控制系统进行电压控制；
[0110]
第二阶段为过渡阶段，当系统不满足第一阶段判断依据，而满足第二阶段判断依据时，系统进入第二阶段，第二阶段判断依据包括：
[0111]
误差e(k)与被控对象转速v同号，误差e(k)的绝对值abse(k)不小于第三阶段的控制量饱和值k2所对应误差e0的绝对值abse0，且被控对象转速v的绝对值absv不大于被控对象第二转速v2的绝对值absv2；
[0112]
满足所述第二阶段的所述判断依据后，通过第二阶段的控制量饱和值对伺服控制系统进行电压控制；
[0113]
第三阶段为正常控制阶段，当系统不满足第二阶段判断依据，而满足第三阶段判断依据时，系统进入第三阶段，第三阶段判断依据包括：
[0114]
除启动阶段的判断依据和过渡阶段的判断依据以外的其它情况；
[0115]
满足所述第三阶段的所述判断依据后，通过第三阶段的控制量饱和值对伺服控制系统进行电压控制。
[0116]
s34.结合s31、s32和s33，可以得到如下所示的软启动控制阶段-控制量饱和值对应关系表：
[0117][0118]
其中，e0为第三阶段的控制量饱和值k2所对应误差；由于k2取95％，即k2为最大控制量饱和值，因此e0也表示最大控制量饱和值时的误差，满足：
[0119][0120]
其中，k
p
为pid控制的比例系数，取0.32。
[0121]
示例性的，根据v1、v2、k1、k2和e0的具体取值，代入上表，可得下表：
[0122][0123]
优选地，步骤s4可进一步细化为如下步骤：
[0124]
s41.对伺服控制系统进行软启动控制，输入并采集位置指令信号，采集位置反馈信号。
[0125]
s42.根据采集到的位置指令信号和位置反馈信号，计算误差e(k)。
[0126]
s43.对误差e(k)进行pid运算，获得控制量。
[0127]
s44.利用由软启动控制算法所确定的控制量饱和值，限制控制器的输出。
[0128]
s44.基于上述步骤进行循环采集、运算和控制，直至达到正常控制阶段，完成伺服控制系统的软启动控制。
[0129]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。