阅读说明：本技术 一种伺服控制装置 (Servo control device ) 是由 范仁凯 齐丹丹 杨凯峰 姚瑱 钱巍 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种伺服控制装置,在现有典型伺服控制装置的基础上增加了滤波器和扰动观测器。扰动观测器可观测系统中的扰动,包括变化的负载转矩扰动和变化的负载惯量扰动,并对扰动进行补偿；同时使用速度调节器输出减去扰动观测器的观测速度乘以KD,用以调节速度环的阻尼；使用滤波器对转矩给定进行滤波,可滤除转矩给定中的噪声。本发明的伺服控制装置结构简单,参数整定方便,不需要精确地辨识出负载转矩和惯量,能迅速地适应变化的负载惯量和负载转矩。(The invention discloses a servo control device, which is additionally provided with a filter and a disturbance observer on the basis of the conventional typical servo control device. The disturbance observer can observe the disturbance in the system, including the variable load torque disturbance and the variable load inertia disturbance, and compensate the disturbance; meanwhile, the speed regulator is used for outputting the observation speed obtained by subtracting the disturbance observer and multiplying KD to regulate the damping of the speed loop; the torque command is filtered using a filter to filter noise in the torque command. The servo control device has simple structure and convenient parameter setting, does not need to accurately identify load torque and inertia, and can quickly adapt to the changing load inertia and load torque.)

一种伺服控制装置

技术领域

本发明涉及伺服控制技术，具体涉及一种伺服控制装置。

背景技术

现如今，基于矢量控制技术和数字控制技术的交流伺服系统被广泛应用于工业自动化、数控机床、工业机器人等场合。交流伺服系统由伺服控制器和伺服电机组成。其中伺服控制器包含有嵌入式微处理器，其接收上位机命令，并对电能进行管理与控制，输出的电能用来驱动伺服电机；伺服电机作为执行机构，驱动负载设备实现跟踪、定位等功能。

由于使用形式多样，交流伺服系统一般都支持位置、转速、转矩控制模式。在控制上，它们分别由嵌套的位置环、转速环、转矩环实现。这些控制环路均需要进行参数(通常为PI参数)调整才能达到较好的性能，而负载惯量、负载转矩扰动等与负载设备相关的要素对整个伺服系统性能的影响较大。所以在调整参数时，对负载惯量、负载转矩等参数的计算或学习是必要的。

在一些特殊的场合，负载惯量、负载转矩是时变的。如卷绕设备的转动惯量随卷绕材料的增多而变大，工业机器人的转动惯量与机械臂角度相关；折弯设备、搬运机器人的负载也是变化的。在这些场合，通过离线计算或学习的方法是不适用的，固定参数(通常为PI参数)往往不能获得稳定的控制性能。

针对该问题，学者们研究的方向有很多：

参考文献1：专利《一种交流伺服系统速度环控制器参数自整定方法》，李世华等，南京科远驱动技术有限公司，授权公告号CN104242770，2017；

参考文献2：期刊《交流伺服系统的转动惯量辨识及调节器参数自整定》，郭宇婕等，清华大学学报,2012；

参考文献3：专利《伺服控制装置》，张文农等，株式会社安川电机，CN101454969A,2009；

参考文献1和参考文献2属同一类，都是使用模型参考自适应算法在线辨识出系统惯量，然后依据该惯量计算控制器参数。问题是该惯量辨识算法的收敛速度太慢，达到了数十秒，完全不能满足负载惯量实时变化的需求；且该方法中惯量辨识的准确性与伺服电机的运行状态有关，如果是匀速运行，惯量辨识的精度是比较差的。

参考文献3使用干扰观测器和相位超前补偿观测器对未知或变化的负载惯量有较好的适应效果。但是其参数整定比较复杂。另外，若实际负载惯量J较小(靠近最小值Jm)时，转速ωp的相位超前量将远大于等效低通滤波器Lo的相位滞后量，极易引起速度高频振动。

发明内容

参阅图1～图4，在图1至图4中所示的相同部件采用了相同的附图标记。

现有典型伺服控制装置如图1所示，包括第一减法器1、位置调节器2、第二减法器3、速度调节器4、第一积分器5及第二积分器6；位置调节器CP(s)的输入为经第一减法器1计算的给定角度γ^*和反馈角度γ_f的偏差，输出为给定速度ω^*。位置调节器CP(s)的作用是为了让被控对象的转动角度γ_m跟踪给定角度使误差最小，其类型一般为P调节器。速度调节器Cs(s)的输入为给定速度ω^*和反馈速度ω_f的偏差，输出为给定转矩m^*。速度调节器Cs(s)的作用是为了让被控对象的运行速度ω_m跟踪给定速度ω^*使误差最小，其类型一般为PI调节器。第一积分器5及第二积分器6是以被控对象建立的积分模型，第一积分器5用于将给定转矩m*通过积分运算输出被控对象的运行速度ω_m，第二积分器6用于将运行速度ω_m通过积分运算输出被控对象的转动角度γ_m。

被控对象中的J^*为标幺化的总转动惯量，即

其中，JM为伺服电机的转动惯量，JL为负载的转动惯量。

本发明提供一种伺服控制装置，如图2所示，在现有典型伺服控制装置的基础上增加了滤波器10和扰动观测器9。扰动观测器可观测系统中的扰动，包括变化的负载转矩扰动和变化的负载惯量扰动，并对扰动进行补偿；同时使用速度调节器输出减去扰动观测器的观测速度乘以KD(如图2)，用以调节速度环的阻尼；使用滤波器对转矩给定进行滤波，可滤除转矩给定中的噪声。本发明的伺服控制装置结构简单，参数整定方便，不需要精确地辨识出负载转矩和惯量，能迅速地适应变化的负载惯量和负载转矩。

本发明采用的第一技术方案是：

一种伺服控制装置，用于基于转矩指令对被控对象执行驱动控制，所述伺服控制装置包括：

第一调节器2，用于基于给定角度和反馈角度之间的偏差输出给定速度；

第二调节器4，用于基于所述给定速度与反馈速度之间的偏差输出给定转矩；

扰动观测器9，用于基于给定转矩及所述反馈速度和/或所述反馈角度，输出观测速度和观测转矩扰动；将所述观测转矩扰动补偿至所述给定转矩中，并且使用系数K_C调节补偿量的大小；同时，将所述观测转速作为另一补偿量补偿至所述给定转矩中，并且使用系数K_D调节补偿量的大小；

滤波器10，用于将经扰动观测器补偿后的给定转矩进行滤波，并将滤波后给定转矩输入至被控对象；

第一积分器5，用于将输入至被控对象的给定转矩通过积分运算输出被控对象的运行速度，并将运行速度反馈至扰动观测器和第二调节器；以及

第二积分器6，用于将所述运行速度通过积分运算输出被控对象的转动角度，并将转动角度反馈至扰动观测器和第一调节器。

本发明采用的第二技术方案是在第一技术方案上的改进，本发明采用的第二技术方案是：参阅图3，所述扰动观测器9包括：第三调节器92，用于基于所述反馈速度ω_f与反馈观测速度ω_pf的偏差输出观测转矩扰动m_p；第一加法器93，用于将观测转矩扰动m_p与给定转矩m^*加算后输入至理想模型；以及第三积分器94，用于将输入至理想模型的给定转矩通过积分运算输出所述观测速度ω_p，并将观测速度反馈至第三调节器92中。

本发明采用的第三技术方案是在第一技术方案上的改进，本发明采用的第三技术方案是：参阅图4，所述扰动观测器9包括：第三调节器92，用于基于所述反馈角度γ_f与反馈观测角度γ_pf的偏差输出观测转矩扰动m_p；第一加法器93，用于将观测转矩扰动m_p与给定转矩m^*加算后输入至理想模型；第三积分器94，用于将输入至理想模型的给定转矩通过积分运算输出所述观测速度ω_p；以及第四积分器95，用于将所述观测速度通过积分运算输出观测角度γ_p，并将所述观测角度反馈至第三调节器92中。

本发明采用的第四技术方案是在第二或第三技术方案上的改进，本发明采用的第四技术方案是：所述理想模型的总惯量的标幺值为1。

本发明采用的第五技术方案是在第四技术方案上的改进，本发明采用的第五技术方案是：所述第三调节器92可以为P调节器、PI调节器或PID调节器。

本发明采用的第六技术方案是在第一技术方案上的改进，本发明采用的第六技术方案是：所述第一调节器2及第二调节器4可以为P调节器、PI调节器或PID调节器。

本发明采用的第七技术方案是在第一技术方案上的改进，本发明采用的第七技术方案是：所述第一积分器5以被控对象的标幺化的总转动惯量J*为参数建立积分模型，所述被控对象包括伺服电机及负载机；

其中，J_M为伺服电机的转动惯量，J_L为负载的转动惯量。

本发明的有益效果：

1、本发明的伺服控制装置使用一套固定的参数即能适应负载转矩扰动和负载惯量变化，对不同的负载惯量和突加负载转矩都有较好的适应性能。

2、本发明结构简单，相比于典型伺服控制装置仅增加了扰动观测器和滤波器。

3、本发明使用扰动观测器观测的扰动对速度调节器输出进行补偿；同时使用扰动观测器的观测速度对速度调节器输出进行补偿，可增加速度环阻尼，从而减少因负载惯量增加而引起的低频振荡。

4、本发明使用滤波器可滤除转矩给定中的噪声。

5、本发明实施过程中并没有对负载转动惯量和负载转矩进行辨识，不存在收敛性问题和收敛速度问题。

附图说明

图1是示出现有典型伺服控制装置的框图。

图2是示出本发明伺服控制装置的框图。

图3是示出本发明伺服控制装置的扰动观测器的实施例1的结构框图。

图4是示出本发明伺服控制装置的扰动观测器的实施例2的结构框图。

图5是示出本发明第一实施例的伺服控制装置的结构框图。

图6是示出现有典型伺服控制装置的速度环阶跃响应图。

图7是示出本发明第一实施例的伺服控制装置的速度环阶跃响图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及优选实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施方式1

参阅图5，一种伺服控制装置，用于基于转矩指令对被控对象执行速度闭环控制，所述伺服控制装置包括：第一减法器3、速度调节器4、第二减法器7、第三减法器8、滤波器10、第一积分器5及扰动观测器9。扰动观测器9包括：第四减法器91、第三调节器92，第一加法器93及第三积分器94。

在本实施例中，速度调节器4选用PI调节器，滤波器10选用低通滤波器，其传递函数分别为：

其中，KP为比例系数，KI为积分系数，Tf为滤波时间常数。

本实施例中，扰动观测器的第三调节器92选用PI调节器，第三积分器94以理想模型的总惯量为参数建立积分模型，所述理想模型的总惯量的标幺值为1。

第一实施方式所示的伺服控制装置的工作原理是：

第一减法器3根据给定速度ω^*及反馈速度ω_f计算出给定速度与反馈速度的偏差，并将所述偏差输入至速度调节器4；速度调节器4基于所述偏差输出给定转矩m^*，并将所述给定转矩m^*输入至扰动观测器9；扰动观测器9对给定转矩m^*进行扰动补偿，经补偿后的给定转矩进入滤波器10滤除噪声信号后输入至被控对象，同时将给定转矩输入至扰动观测器9；第一积分器5将输入至被控对象的给定转矩m^*通过积分运算输出被控对象的运行速度ω_m，并将运行速度作为反馈速度ω_f输入至扰动观测器9和速度调节器4。

扰动观测器9的工作原理为：

第一减法器91根据输入至扰动观测器的反馈速度ω_f及反馈观测速度ω_pf计算出反馈速度与反馈观测速度的偏差，并将该偏差输入至第三调节器92；第三调节器92基于所述偏差输出观测转矩扰动m_p，并将观测转矩扰动使用系数K_C调节补偿量后输入至第三减法器8，同时观测转矩扰动与输入扰动观测器的给定转矩m_f一同输入至第一加法器93；第一加法器93计算出观测转矩扰动m_p与给定转矩m_f的叠加值，并将所述叠加值输入至第三积分器94，第三积分器94基于所述叠加值输出观测速度ω_p,并将观测速度ω_p使用系数K_D调节补偿量后输入至第二减法器7；第二减法器7计算速度调节器4输出的给定转矩与经使用系数KD调节后的观测速度的偏差，并将该偏差输入至第三减法器8；第三减法器8计算出该偏差与经使用系数KC调节后的观测转矩扰动mp的偏差，并将该偏差输入至滤波器10。

其它拥有类似扰动观测功能的模块按图2实施均有可能获得本发明的有益效果，因此本发明的保护范围不局限于图3或图4所示的扰动观测器。

本发明第一实施方式的伺服控制装置的速度环阶跃响应仿真结果如图7所示，图中两条曲线分别对应不同的负载惯量，仿真时在0.5秒时刻突加负载转矩。

图6为现有典型伺服控制装置在同样条件下的速度环阶跃响应仿真结果。对比可见：

在阶跃响应过程中，现有典型伺服控制装置对负载惯量变化的适应能力差，具体表现在较大的超调和较长的调节时间；而本发明的伺服控制装置对负载惯量变化的适应能力很强。

在加载过程中，现有典型伺服装置对负载转矩扰动的适应能力差，具体表现在较大的转速跌落和较长的恢复时间；而本发明的伺服控制装置对负载转矩扰动的适应能力很强。