專利名稱：電機伺服驅(qū)動器控制器參數(shù)自動調(diào)整裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機伺服驅(qū)動器控制器參數(shù)自動調(diào)整裝置及其方法，特別是應(yīng)用 于同步電機伺服驅(qū)動器中，尤其是針對交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的。
背景技術(shù)：
隨著交流永磁同步電機伺服驅(qū)動器應(yīng)用的具體場合的不同，其負載轉(zhuǎn)動慣量的大 小也隨之變化，于是為了滿足對伺服驅(qū)動器控制效果的快速性和準確性要求，需要用戶或 者現(xiàn)場工作人員調(diào)整控制參數(shù)，這個參數(shù)調(diào)整過程繁瑣耗時、需要調(diào)整人員具有相應(yīng)的專 業(yè)知識和經(jīng)驗，而且難以達到理想的控制效果?，F(xiàn)有技術(shù)中的一篇對比文獻是日本安川電機公司的發(fā)明名稱為《控制常數(shù)調(diào)整裝 置》的專利，專利的國家是中國，專利號是ZL 02828582. 4，公開號是CN 1307782C。這個專 利的裝置包括速度控制部、推斷部、辨識部、調(diào)整部。這個專利實現(xiàn)控制常數(shù)調(diào)整的方法 是辨識部只在速度控制部內(nèi)的電動機速度Vfb與推斷部內(nèi)的模型速度Vfb ’的值不為零且 一致的情況下，對利用將速度控制部的轉(zhuǎn)矩指令Tref通過規(guī)定的高通濾波器所得的值Ftr 的絕對值|Ftr|在規(guī)定的區(qū)間[a，b]內(nèi)進行時間積分所得的值I SFtr I，和將推斷部的模型 轉(zhuǎn)矩指令Tref ’通過規(guī)定的高通濾波器所得的值Ftr’的絕對值|Ftr’ |在相同的區(qū)間內(nèi)進 行時間積分所得的值ISFtr’ I的比所求得的慣量J進行辨識。專利《控制常數(shù)調(diào)整裝置》所提出的控制參數(shù)自動調(diào)整方法存在四點不足(1)上述專利中是利用預(yù)先設(shè)計好的電機模型輔助推斷的，而由于實際系統(tǒng)不可 避免存在非線性、擾動和噪聲等因素，存在的電流采樣誤差、轉(zhuǎn)矩脈動和系統(tǒng)摩擦阻力等， 理論設(shè)計的電機模型不能完全的與實際相符，甚至在某些特殊條件下模型與實際相背離， 于是直接使用模型推斷出的控制常數(shù)很可能無法獲得最佳的控制性能；(2)上述專利缺乏一個檢驗調(diào)整參數(shù)合理性和優(yōu)越性的有效方法，并且缺乏一個 對參數(shù)進行檢驗和優(yōu)化的過程，也就無法保證調(diào)整后的參數(shù)就是控制效果最佳的參數(shù)。(3)上述專利只是針對速度控制器的控制常數(shù)進行調(diào)整，但是實際中伺服驅(qū)動器 一般都包括位置控制器，其參數(shù)的合適與否對伺服系統(tǒng)的位置控制響應(yīng)的影響非常明顯， 如果不設(shè)計出位置控制器參數(shù)自動調(diào)整的方法，會減弱應(yīng)用場合廣泛性和應(yīng)用的有效性。(4)實際應(yīng)用中，不同應(yīng)用場合下用戶期望獲得的速度控制響應(yīng)的偏重點是不同 的，例如有些場合需要速度響應(yīng)時間最短相應(yīng)的超調(diào)大一些是可以接受的，但另一些定位 專用場合對超調(diào)的抑制的要求是比較高的，而對響應(yīng)時間的要求相對就不高。上述專利并 沒有設(shè)計出針對不同的用戶需求的側(cè)重來改變控制器參數(shù)調(diào)整策略的功能，無法做到恰當 的滿足用戶需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的首要技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)直接使用模型推斷出的控制 常數(shù)很可能無法獲得最佳的控制性能的缺陷，提供一種電機伺服驅(qū)動器控制器參數(shù)自動調(diào)整裝置及其方法。本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)無法保證調(diào)整后的參數(shù)就是控制效果 最佳的參數(shù)，又一技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)只是針對速度控制器的控制常數(shù)進行調(diào)整，再一技 術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)并沒有設(shè)計出針對不同的用戶需求的側(cè)重來改變控制器參數(shù)調(diào)整策略 的功能，無法做到恰當?shù)臐M足用戶需要。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的一種電機伺服驅(qū)動器控制器參數(shù)自動調(diào)整裝置，其包括慣量識別器、位置控制器 和速度控制器，其特點在于，其中，慣量識別器，用于對電機轉(zhuǎn)子和負載的總轉(zhuǎn)動慣量J進行測量；參數(shù)初步調(diào)整器，在已經(jīng)測量出的電機轉(zhuǎn)子和負載的總轉(zhuǎn)動慣量J值的基礎(chǔ)上， 根據(jù)式1和式2計算出位置控制器和速度控制器的初步參數(shù)，并將參數(shù)傳送到位置控制器 和速度控制器，式1:
^ (/2 + l)J^ (h + \)JK1 =^，式2 -Kp^，其中，K1是速度控制器的積分系數(shù)，Kp
cur torquecur torque
是速度PI控制器的比例系數(shù)，Tcur是電流控制器的慣性時間常數(shù)，Ktorque是電流轉(zhuǎn)矩系數(shù)，J 是電機轉(zhuǎn)子和負載的總轉(zhuǎn)動慣量，h為自定義的常數(shù)；參數(shù)檢驗器，用于每當位置控制器和速度控制器的參數(shù)發(fā)生更新時，參數(shù)檢驗器 就使用用戶所選擇的評價公式計算出E值，即得到對當前更新后的參數(shù)的控制效果的量化 評價，進而確定是否需要進一步的參數(shù)優(yōu)化；參數(shù)優(yōu)化器，用于首先發(fā)出特定的位置三角波指令到位置控制器和特定的速度三 角波指令到速度控制器，使電機按照位置和速度指令進行旋轉(zhuǎn)；其次在上一次的速度控制 器和位置控制器的參數(shù)和E值的基礎(chǔ)上，通過式(3)、式4和式5計算出優(yōu)化后速度控制器 和位置控制器的參數(shù)，并將參數(shù)傳送到速度控制器和位置控制器中并加以更新，
(/z + 1) (hTcurs+ 1) 1
式3々(S)=
2h2Tj s2 TcurS+ 1 G(s)(h + l)(hTcurs + l)
式 4 -H(s)=— , , 9
八 1 . V / 1 ,廣2 7-2rr 2 “2 ‘
K
Vlh1TjIiTcurS +1) + (A + XMhTcurS +1)] s
1 + G ⑴ Ih1TJs1 (TcurS + \) + (h + IXhTcurS +1)式 5 =Gp(X) =
Kpp(h + \)(hTcurs + \)1其中，Kpp是位置控制器的比例增益。較佳地，參數(shù)檢驗器發(fā)送給速度控制器的位置和速度指令是正反方向交替、上下 對稱、左右對稱的三角波指令。較佳地，所述速度控制器采用比例積分(PI)控制器結(jié)構(gòu)，使整個伺服系統(tǒng)實現(xiàn)速 度閉環(huán)，使電機的實際轉(zhuǎn)速跟隨轉(zhuǎn)速指令，也就是說使電機實際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速指令是一致的。較佳地，所述位置控制器采用比例⑵和前饋相結(jié)合的控制器結(jié)構(gòu)，使整個伺服 系統(tǒng)實現(xiàn)位置閉環(huán)，使電機的實際轉(zhuǎn)過的位置跟隨位置指令，也就是說使電機實際位置與 位置指令是一致的。較佳地，該自動調(diào)整裝置還包括一參數(shù)保存和顯示器，用于將優(yōu)化后的控制參數(shù) 保存在存儲器中，并在顯示器中顯示出轉(zhuǎn)動慣量值和各個控制參數(shù)。
較佳地，所述的評價公式為
，其中，E代表評價
公式的計算結(jié)果，t代表時間，即進行時域上的積分計算；當評價公式用在速度控制器的PI 參數(shù)優(yōu)化時，e是速度控制器指令值和實際速度反饋值之間的差值，當評價公式用在位置控 制器的比例增益參數(shù)和前饋系數(shù)優(yōu)化時，e是位置控制器指令值和實際位置反饋值之間的差值。本發(fā)明的另一技術(shù)方案為一種所述的裝置的參數(shù)自動調(diào)整方法，其特點在于，其 包括以下步驟S1,電機伺服驅(qū)動器使能，使能速度控制器參數(shù)自動調(diào)整功能，此時伺服系統(tǒng)處在 速度控制模式下；S2、參數(shù)檢驗器根據(jù)用戶所選的參數(shù)優(yōu)化策略來確定對應(yīng)的評價公式；S3、慣量辨識器測量出電機轉(zhuǎn)子和負載的總轉(zhuǎn)動慣量J ；S4、參數(shù)初步調(diào)整器根據(jù)式1和式2，通過步驟S2測量出的總轉(zhuǎn)動慣量J值計算出 速度控制器參數(shù)的初步設(shè)定值，并傳輸?shù)剿俣瓤刂破?；S5、參數(shù)優(yōu)化器向速度控制器發(fā)出一個周期的三角波速度指令使電機按照指令運 行；S6、參數(shù)檢驗器在電機按照三角波指令進行轉(zhuǎn)動的過程中，實時采集電機的速度 反饋值，并通過評價公式計算出E值；S7、參數(shù)優(yōu)化器接受參數(shù)檢驗器傳送來的E值，按式6、式7和式8計算出優(yōu)化后的 速度控制器參數(shù)值，并將參數(shù)值傳送到速度控制器替換掉原來的參數(shù)值，式
,R(t)為速度或位置的指令值，F(xiàn)(t)為速度或
位置的反饋值，t為時間值；式7和式8如下 其中，Es代表用戶選定的評價公式對速度曲線的計算結(jié)果，Ebs代表用戶選定的評 價公式對速度曲線的計算結(jié)果的標準值，該Ebs值為經(jīng)驗值，Kpn、Κρη+1代表第η和η+1次優(yōu) 化后的速度控制器的比例系數(shù)Κρ，ΚΛ K111+1代表第η和η+1次優(yōu)化后的速度控制器的積分 時間系數(shù)K1, Dbs代表預(yù)設(shè)的速度D分界值，該Dbs值為經(jīng)驗值；S8、循環(huán)步驟S5、S6和S7，直至評價公式計算出的E值小于預(yù)先設(shè)計好的額定值En 時結(jié)束循環(huán)，記錄下當時的速度控制器參數(shù)作為優(yōu)化后的參數(shù)；如果循環(huán)的次數(shù)超過預(yù)先 設(shè)計好的最大次數(shù)Nmax，此時也結(jié)束循環(huán)，記錄下E值最小的那組速度控制器參數(shù)作為優(yōu)化 后的參數(shù)；S9、當速度控制器的參數(shù)優(yōu)化成功完成后，禁止速度控制器參數(shù)自動調(diào)整功能，此 時速度控制器裝載的參數(shù)就是優(yōu)化后的參數(shù)。較佳地，步驟S5中的三角波速度指令為使電機以恒定加速度a由靜止正向加速到 正向速度峰值ωΜχ，再以恒定加速度a由速度峰值ω_減速到電機停止，然后以恒定加速 度a由靜止反向加速到反向速度峰值-ω_，最后以恒定加速度a由反向速度峰值減
速到電機停止，至此-角波速度指令周期結(jié)束，其中恒定加速度a和速度峰值ω_的
大小根據(jù)應(yīng)用中的實際情況進行設(shè)定。
較佳地，步驟S9之后還包括如下步驟Sltl、使能位置控制器的參數(shù)自動調(diào)整，此時伺服系統(tǒng)處在位置控制模式下，參數(shù)初 步調(diào)整器將Kpp作為位置控制器比例增益參數(shù)的初步設(shè)定值，將Kf作為位置控制器前饋系 數(shù)的初步設(shè)定值，并將Kpp和Kf傳輸?shù)轿恢每刂破?；Sn、參數(shù)優(yōu)化器首先向位置控制器發(fā)出一個周期的三角波位置指令使電機按照指 令運行；S12、參數(shù)檢驗器在電機按照三角波指令進行轉(zhuǎn)動的過程中，實時采集電機的位置 反饋值，并通過評價公式計算出E值；S13、參數(shù)優(yōu)化器接受參數(shù)檢驗器傳送來的E值加以記錄，再按式7和式8計算出優(yōu) 化后的位置控制器的Kpp和Kf參數(shù)值，并傳送到位置控制器替換掉上一次的參數(shù)值，式7和 式8如下
如果始終D>Q
如果時而Ζ) >0,時而D <0 如果D = Q
如果始終D <0,且D < D5p
BS
E
(1 - ~* Κρ；如果始終 D <0, > Dbp
E
BS
K廣=
(1 +各)*足/
E
BS
'P
κΡΡη
如果始終D〉0
如果時而Z)〉0,時而Ζ)<0 如果D = O
(1+各)*/
(1-各
E
如果始終Z)<0,且
如果始終乃<0,且乃之
3P
3P
BS 其中，Ep為用戶選定的評價公式對位置曲線的計算結(jié)果，Ebp為用戶選定的評價公 式對位置曲線的計算結(jié)果的標準值，Ebp值為經(jīng)驗值，Dbp代表預(yù)設(shè)的位置D分界值，Dbp值為
11經(jīng)驗值，Kppn、Κρρη+1代表第η和η+1次優(yōu)化后的位置控制器的比例系數(shù)Kpp，Kfn、Kfn+1代表第 η和η+1次優(yōu)化后的位置控制器的前饋系數(shù)Kf ；S14、循環(huán)步驟Sn、S12和S13，直至評價公式計算出的E值小于預(yù)先設(shè)計好的額定值 En時結(jié)束循環(huán)，記錄下當時的位置控制器參數(shù)作為優(yōu)化后的參數(shù)；如果循環(huán)的次數(shù)超過預(yù) 先設(shè)計好的最大次數(shù)Nmax，此時也結(jié)束循環(huán)，記錄下E值最小的那組位置控制器參數(shù)作為優(yōu) 化后的參數(shù)；S15、控制器參數(shù)的自動調(diào)整完成。較佳地，步驟S15之后還包括步驟S16 參數(shù)保存和顯示器將優(yōu)化后的位置控制和速 度控制器參數(shù)顯示出來。較佳地，步驟S11中所述的三角波位置指令為使電機以恒定速度ν由位置零點正向 轉(zhuǎn)到正向位置峰值Pmax，再以恒定速度ν由位置峰值Pmax反向轉(zhuǎn)回到位置零點，然后以恒定 速度ν由位置零點反向轉(zhuǎn)到反向位置峰值-Pmax，最后以恒定速度由反向位置峰值-Pmax正向 旋轉(zhuǎn)到電機位置零點，至此一個三角波位置指令周期結(jié)束，其中恒定速度ν和位置峰值Pmax 的大小根據(jù)應(yīng)用中的實際情況進行設(shè)定。本發(fā)明的積極進步效果在于本發(fā)明可以使交流永磁電機伺服驅(qū)動器根據(jù)機械負 載的轉(zhuǎn)動慣量的不同，自動配置位置控制器和速度控制器的參數(shù)，再通過參數(shù)檢驗器和參 數(shù)優(yōu)化器對自動配置的參數(shù)進行檢驗和進一步的優(yōu)化，使伺服驅(qū)動器的位置響應(yīng)和速度響 應(yīng)達到相對最佳。本發(fā)明使交流永磁同步電機伺服驅(qū)動器自動的根據(jù)工作場合的狀況來調(diào) 整控制參數(shù)，并達到理想的控制效果，整個過程無需人的參與，完全由交流永磁同步電機伺 服驅(qū)動器完成。針對專利《控制常數(shù)調(diào)整裝置》的四點不足，本發(fā)明的進一步有益效果分別為(1)針對第一點不足，本發(fā)明的最終控制器參數(shù)整定結(jié)果不是單純的使用數(shù)學(xué)模 型運算出來的，這樣就避免了電機模型與實際不符所造成的控制參數(shù)調(diào)整失準。(2)針對第二點不足，本發(fā)明使用已公布專利《交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動 慣量辨識方法》，公布號CN101699763A中所述的方法進行轉(zhuǎn)動慣量辨識，然后按照預(yù)先設(shè)計 的控制參數(shù)與轉(zhuǎn)動慣量值的關(guān)系表進行控制器參數(shù)值的設(shè)置，然后通過參數(shù)檢驗器對設(shè)置 好的參數(shù)進行檢驗，檢測控制器參數(shù)是否最優(yōu)，如果不是最優(yōu)，再通過參數(shù)優(yōu)化器對參數(shù)做 進一步的優(yōu)化調(diào)整，這樣就可以確保調(diào)整后的控制器參數(shù)使系統(tǒng)具有更加優(yōu)越的穩(wěn)態(tài)和動 態(tài)響應(yīng)特性。(3)針對第三點不足，本發(fā)明不僅僅可以對電機伺服驅(qū)動器的速度控制器進行自 動的參數(shù)調(diào)整，還會進一步對位置控制器進行自動的參數(shù)調(diào)整。(4)針對第三點不足，本發(fā)明不僅僅可以對位置控制器的比例增益參數(shù)進行自動 調(diào)整，還可以對位置控制器的前饋系數(shù)進行自動調(diào)整，這樣可以減少位置控制的超調(diào)，相比 于單純一個位置比例增益參數(shù)調(diào)節(jié)可以較大的提升系統(tǒng)性能。(5)針對第四點不足，本發(fā)明設(shè)計了三種側(cè)重不同的參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化策略，更加具 有針對性的滿足用戶三類不同應(yīng)用對位置和速度控制響應(yīng)的要求，使本發(fā)明可以應(yīng)用在更 多的場合，獲得更好的控制效果。比如，在某些具體應(yīng)用場合中，用戶對于伺服系統(tǒng)的位置 運動響應(yīng)的快速性要求很高，但對于位置運動的超調(diào)要求并不高；而在另外應(yīng)用一些場合 中，用戶需要位置運動的超調(diào)必須得到充分的抑制，對于位置運動響應(yīng)的快速性卻不高。于是，前一類用戶就可以選擇本發(fā)明提供的優(yōu)化策略二，后一類用戶選擇本發(fā)明提供的優(yōu)化 策略三，這樣兩類用戶就可以獲得兩類不同的控制器參數(shù)，從而分別滿足兩類用戶的需求。


圖1為本發(fā)明的電機伺服驅(qū)動器控制器參數(shù)自動調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明的三角波速度指令波形圖。圖3為本發(fā)明的位置控制器的根軌跡圖。圖4為本發(fā)明的三角波位置指令波形圖。圖5為本發(fā)明的控制器參數(shù)自動調(diào)整方法的工作過程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案。一、本發(fā)明的參數(shù)自動調(diào)整裝置的各組成部件及功能本發(fā)明提供了一種電機伺服驅(qū)動器控制器參數(shù)自動調(diào)整裝置及其方法，首先對該 參數(shù)自動調(diào)整裝置進行描述，然后基于該裝置再對參數(shù)自動調(diào)整方法進行闡述。本裝置包 括(1)慣量識別器1，其按照已公布專利《交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量辨 識方法》中所述的方法對電機轉(zhuǎn)子和負載的總轉(zhuǎn)動慣量J進行測量，給位置控制器6和速度 控制器7的參數(shù)的初步調(diào)整提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。(2)參數(shù)初步調(diào)整器2，在已經(jīng)測量出的電機轉(zhuǎn)子和負載的總轉(zhuǎn)動慣量J值的基礎(chǔ) 上，根據(jù)下述的式(6)和式(7)計算出位置控制器6和速度控制器7的初步參數(shù)，并將參數(shù) 傳送到位置控制器6和速度控制器7。(3)參數(shù)檢驗器3，在控制器參數(shù)自動調(diào)整過程中，每當位置控制器6和速度控制 器7的參數(shù)發(fā)生更新時，參數(shù)檢驗器3就使用用戶所選擇的評價公式(如表1所示)計算出 E值，即得到對當前更新后的參數(shù)的控制效果的量化評價，進而確定是否需要進一步的參數(shù) 優(yōu)化。(4)參數(shù)優(yōu)化器4，首先發(fā)出特定的位置三角波指令到位置控制器6和特定的速度 三角波指令到速度控制器7，使電機按照位置和速度指令進行旋轉(zhuǎn)；其次在上一次的速度 控制器7和位置控制器6的參數(shù)和E值的基礎(chǔ)上，通過式(8)、式(9)和式(10)計算出優(yōu)化 后速度控制器7和位置控制器6的參數(shù)，并將參數(shù)傳送到速度控制器7和位置控制器6中 并加以更新，由于對速度控制器7和位置控制器6的參數(shù)分別進行優(yōu)化調(diào)整，所以改善系統(tǒng) 的位置和速度控制效果，使系統(tǒng)具有更優(yōu)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。(5)參數(shù)保存和顯示器5，將優(yōu)化后的控制參數(shù)保存在存儲器中，并在顯示器中顯 示出轉(zhuǎn)動慣量值和各個控制參數(shù)。(6)速度控制器7，采用比例積分(PI)控制器結(jié)構(gòu)，使整個伺服系統(tǒng)可以實現(xiàn)速度 閉環(huán)，使電機的實際轉(zhuǎn)速可以很好的跟隨轉(zhuǎn)速指令，也就是說使電機實際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速指令
是一致的。(7)位置控制器6，采用比例(P)和前饋相結(jié)合的控制器結(jié)構(gòu)，使整個伺服系統(tǒng)可 以實現(xiàn)位置閉環(huán)，使電機的實際轉(zhuǎn)過的位置可以很好的跟隨位置指令，也就是說使電機實際位置與位置指令是一致的。(8)轉(zhuǎn)矩控制器8，采用比例積分(PI)控制器結(jié)構(gòu)，使整個伺服系統(tǒng)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩 閉環(huán)，使電機的實際轉(zhuǎn)矩可以很好的跟隨轉(zhuǎn)矩指令，也就是說使電機實際轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩指令 是一致的。(9) PWM生成器9，按照空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方法生成3路PWM脈沖。(10)碼盤10，用來實時檢測電機軸的角位置，為電流的解耦提供電角度值，微分 后還可以得到電機的轉(zhuǎn)速，實際使用中碼盤可以是光電編碼器、正余弦編碼、旋轉(zhuǎn)變壓器寸。上面的速度控制器7、位置控制器6、轉(zhuǎn)矩控制器8、PWM生成器9、碼盤10為市面 上的交流永磁電機伺服驅(qū)動器所普遍具備的產(chǎn)品，其具體組成在此不作贅述。下面介紹上述各組成部件間輸入輸出關(guān)系。首先，電機的電流反饋和電機速度反饋作為慣量辨識器1的輸入，慣量辨識器1的 一路輸出預(yù)先設(shè)計好的的速度指令到速度控制器7，另外一路將轉(zhuǎn)動慣量辨識的結(jié)果輸出 到參數(shù)初步調(diào)整器2 ；參數(shù)初步調(diào)整器2的一路將速度控制器7的初步參數(shù)輸出到速度控 制器7，另一路將位置控制器6的初步參數(shù)輸出到位置控制器6 ；電機的位置反饋和速度反 饋作為參數(shù)檢驗器3的輸入，參數(shù)檢驗器3的一路輸出評價公式的計算結(jié)果E值到參數(shù)優(yōu) 化器4 ；參數(shù)優(yōu)化器4 一路輸出特定的速度指令(速度指令的波形如附圖2所示)和優(yōu)化 后的速度控制參數(shù)到速度控制器7，另一路輸出特定的位置指令(位置指令波形如附圖4所 示)和優(yōu)化后的位置控制參數(shù)到位置控制器6，還有一路將優(yōu)化后的位置控制器6和速度 控制器7參數(shù)輸出到參數(shù)保存和顯示控制器5。位置控制器6的一路輸出作為速度控制器 7的指令，速度控制器7的一路輸出作為轉(zhuǎn)矩控制器8的指令，轉(zhuǎn)矩控制器8的一路輸出作 為PWM生成器9的輸入。二、速度控制器參數(shù)的理論計算一般同步電機的伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用由外向內(nèi)分別是位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，主要由位置控制器、速度控制器和電流控制器三部分組成。電機轉(zhuǎn)子位置實 際值與指令值的差值作為位置控制器的輸入，其輸出信號作為速度的指令值，并與實際速 度比較后，作為速度控制器的輸入。速度控制器的輸出即為轉(zhuǎn)矩的指令值。為了簡化速度控制器的設(shè)計，在不影響控制效果的前提下，合理的將電流環(huán)近似 為一個慣性環(huán)節(jié)，同時忽略負載擾動，本系統(tǒng)中簡化為慣性環(huán)節(jié)的電流控制器的閉環(huán)傳遞 函數(shù)如式(1) 其中Tcm是電流控制器的慣性時間常數(shù)，不同的同步電機伺服驅(qū)動器設(shè)計的這個 常數(shù)一般是不同的。速度PI控制器的傳遞函數(shù)如式(2) 其中Kp是速度PI控制器的比例系數(shù)；K1是速度控制器的積分系數(shù)。
速度控制環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)如式(3) 其中Kt。_e是電流轉(zhuǎn)矩系數(shù)；J是電機轉(zhuǎn)子和負載的總轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)自動控制理論中的典型II型系統(tǒng)的理論，并采用閉環(huán)幅頻特性峰值軋最/J 準則，同時選擇適中的參數(shù)h = 5，則得到式(4)和式(5) 由式(4)和式(5)進一步推導(dǎo)，得到式(6)和式(7) 對于一個確定的同步電機和伺服驅(qū)動器系統(tǒng)，式(6)和式(7)中的KTcm*!^ 都是已知和固定不變的，而只有J是隨著伺服驅(qū)動器系統(tǒng)所應(yīng)用的場合的機械結(jié)構(gòu)的不同 而不同的。于是，只要通過專利《交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量辨識方法》中所述 的方法測量出電機轉(zhuǎn)子和負載的總轉(zhuǎn)動慣量J，那么就可以通過式(6)和式(7)計算得到速 度PI控制器的PI參數(shù)值，這就實現(xiàn)了速度控制器參數(shù)的初步自動設(shè)置?，F(xiàn)有的很多控制 器參數(shù)自動調(diào)整方法都是基于電機轉(zhuǎn)子和負載的總轉(zhuǎn)動慣量J的值來設(shè)置速度控制器的 PI參數(shù)值，只不過不同的方法采用的PI參數(shù)計算公式是不同的。但是，由于系統(tǒng)不可避免 存在非線性、擾動和噪聲等因素，而且實際系統(tǒng)中存在電流采樣誤差、轉(zhuǎn)矩脈動和系統(tǒng)摩擦 阻力等，使用式(6)和式(7)進行理論的計算與實際并不能保證絕對的相吻合，所以需要對 初步自動設(shè)置的速度控制器PI參數(shù)值做進一步的優(yōu)化。三、位置控制器參數(shù)的理論計算由式(3)、式(6)和式(7)可得到速度控制環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)如式(8) 進一步得到速度控制環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)如式(9) 于是，在不考慮位置前饋系數(shù)的影響得到位置控制環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù) 其中，Kdd是位置控制器的比例增益t
需要強調(diào)的一點是，式(10)中含有一個i積分環(huán)節(jié)，這個并不是位置控制器引入
的積分環(huán)節(jié)，而是執(zhí)行機構(gòu)引入的，這是因為“速度的積分得到位置”的原理，所以位置控制 器本身可以在不含有積分環(huán)節(jié)的情況下即可保證位置的無靜差。以本系統(tǒng)為例，式(10)中的常數(shù)h等于5，Teur等于3X10_4，Kpp就是位置控制器 需要自動調(diào)整的參數(shù)，將h和T·的值代入到式(10)中，得到式 在本發(fā)明中采用根軌跡輔助分析的方法來設(shè)計位置控制器的比例增益Kpp的計算 公式，繪制位置控制環(huán)的根軌跡如附圖3所示。根據(jù)根軌跡分析理論，在保證系統(tǒng)的穩(wěn)定的前提下，也就是說在極點在虛軸的左 半平面上，兼顧超調(diào)和阻尼比，可以選擇位置控制器的比例增益Kpp為2. 93X 102，此時的 超調(diào)是18. 3%，阻尼比是0. 475。需要強調(diào)的是前面理論計算出的位置控制器參數(shù)Kpp為 2. 93X IO2也是不能保證系統(tǒng)的位置控制環(huán)具有最佳的控制特性，這個參數(shù)只是一個初步 的位置控制器參數(shù)，需要進一步的參數(shù)檢驗和優(yōu)化才能獲得最佳的參數(shù)。一般伺服驅(qū)動器內(nèi)的位置控制器都帶有前饋系數(shù)，弓丨入前饋控制的最主要的好處 就是可以減少位置控制的超調(diào)，但是這個前饋系數(shù)從理論上是難以確定的，于是在本發(fā)明 中采用逐步逼近的方法來求得最佳的位置前饋系數(shù)，逐步逼近的原則就是在理論計算出的 初步位置控制器參數(shù)基礎(chǔ)上，先逐步減小位置比例增益參數(shù)同時增大位置前饋系數(shù)，再逐 步增大位置比例增益參數(shù)同時減小位置前饋系數(shù)，在上述過程中找到評價公式計算結(jié)果最 小的那組位置比例增益參數(shù)和位置前饋系數(shù)作為最佳的位置控制器參數(shù)。具體過程在下文 中有詳細描述。位置控制器的參數(shù)檢驗和優(yōu)化與速度控制器參數(shù)檢驗和優(yōu)化的原理是完全 相同的，過程也是非常類似的，后面有詳細的介紹。四、速度和位置控制器參數(shù)檢驗和優(yōu)化的原理本發(fā)明提出一種新的參數(shù)優(yōu)化方法，首先要根據(jù)電機伺服系統(tǒng)應(yīng)用場合的特點和 用戶需求的側(cè)重來選擇目標響應(yīng)波形，不同的目標響應(yīng)波形需要不同的評價公式來量化整 定效果的優(yōu)劣，進一步采用側(cè)重點不同的參數(shù)優(yōu)化策略。一般來說，可以分為一般通用場 合、定位專用場合、在定位專用調(diào)整基礎(chǔ)上需要抑制超調(diào)的場合這三類場合，策略序號、應(yīng) 用場合、目標響應(yīng)波形和評價公式三者的對應(yīng)關(guān)系如表1，本發(fā)明提供出這三個評價公式， 可以在本發(fā)明產(chǎn)品化后給用戶更多選擇的余地，以適應(yīng)不同的工業(yè)應(yīng)用場合，滿足不同用 戶對控制效果的個性化要求，使本發(fā)明可以應(yīng)用在更多的場合，獲得更好的控制效果。但是 需要注意的是，這三個評價公式之間是并行的關(guān)系，用戶只能選擇其中的一個，而不能同時 選擇多個評價公式來使用。而且，表1中的評價公式不僅用來對速度控制器的PI參數(shù)初步 設(shè)置值進行優(yōu)化，還用來對位置控制器的P參數(shù)初步設(shè)置值進行優(yōu)化。表1評價公式表 表1中E代表評價公式的計算結(jié)果；t代表時間，也就是說進行時域上的積分計算；上面的表格的核心思想如下本發(fā)明提出一種新的參數(shù)優(yōu)化方法，首先要根據(jù)電 機伺服系統(tǒng)應(yīng)用場合的特點和用戶需求的側(cè)重來選擇目標響應(yīng)波形，不同的目標響應(yīng)波形 需要不同的評價公式來量化整定效果的優(yōu)劣，進一步采用側(cè)重點不同的參數(shù)優(yōu)化策略。一 般來說，可以分為一般通用場合、定位專用場合、在定位專用調(diào)整基礎(chǔ)上需要抑制超調(diào)的場 合這三類場合。一般通用場合的特點是超調(diào)量稍大，響應(yīng)速度快，上升時間短，等價于用戶 希望獲得的目標響應(yīng)波形的平方控制面積盡可能小。也就是說，使用公式E= 計算出的E值越小就越能滿足用戶的對于超調(diào)量稍
大和響應(yīng)速度快的需求。定位專用場合的特點是超調(diào)量中等，響應(yīng)速度中等，上升時間中
等，等價于用戶希望獲得的目標響應(yīng)波形控制面積最小，也就是說，使用公式ε = f 十算
出的E值越小就越能滿足用戶的對于超調(diào)量中等和響應(yīng)速度中等的需求。在定位專用基礎(chǔ) 上需要抑制超調(diào)的場合的特點是超調(diào)量小，響應(yīng)速度稍慢，上升時間略長，等價于等價于用
戶希望獲得的目標響應(yīng)波形積累控制面積最小，也就是說，使用公式E =計算出的
E值越小就越能滿足用戶的對于超調(diào)量小和響應(yīng)速度稍慢的需求。上面三個公式中的E代表評價公式的計算結(jié)果；t代表時間，也就是說進行時域 上的積分計算。當評價公式用在速度控制器的PI參數(shù)優(yōu)化時，e是速度控制器指令值和實際速度 反饋值之間的差值，當評價公式用在位置控制器的比例增益參數(shù)和前饋系數(shù)優(yōu)化時，e是位 置控制器指令值和實際位置反饋值之間的差值。僅僅使用評價公式的E值是無法確定控制器參數(shù)的調(diào)整方向的，還需要根據(jù)位置 或者速度的指令曲線與反饋曲線的形狀來確定相應(yīng)控制器參數(shù)的調(diào)整方向，于是本發(fā)明中 將曲線形狀所包含的信息抽象成在一個周期內(nèi)的速度或位置指令積分值與速度或位置反 饋積分值的差值D，根據(jù)這個D值的正負和D的絕對值大小來決定控制器參數(shù)的調(diào)整方向。 D的計算公式如式(12) 其中R(t)為速度或位置的指令值，F(xiàn)(t)為速度或位置的反饋值，t為時間值。表2控制器參數(shù)調(diào)整的變化方向 上表中，實線是速度或位置指令，虛線是速度或位置反饋。關(guān)于表2，以往的專利都沒有涉及到對于控制器參數(shù)的進一步優(yōu)化調(diào)整，所以也就 不會涉及控制器參數(shù)調(diào)整的變化方向問題，本發(fā)明中根據(jù)式12計算出的D值的正負和大 小，就可以確定速度控制器的Kp、Ki和位置控制器的Kpp、Kf參數(shù)是應(yīng)該增大還是縮小。例 如，當D始終為正，并且D的絕對值較大時，就對應(yīng)增大速度控制器KpK1和位置控制器的Κρρ、 Kf參數(shù)；當D值一部分時間正，另一部分時間D值為負，就對應(yīng)增大速度控制器的K1和位置 控制器的Kf，縮小速度控制器的Kp和位置控制器的Kpp ；當D值始終為負，但D的絕對值較 小時，就對應(yīng)增大速度控制器的Kp和位置控制器的Kpp，縮小速度控制器的K1和位置控制器 的Kf ；當D值始終為負，但D的絕對值較大時，就對應(yīng)縮小速度控制器KpK1和位置控制器的 Kpp、Kf參數(shù)。有關(guān)于D的定義在上文中有闡述。當用戶確定使用一個評價公式后，伺服驅(qū)動器的參數(shù)檢驗器發(fā)出速度和位置指令 使電機按照預(yù)先設(shè)計好的三角波速度曲線和三角波位置曲線進行運轉(zhuǎn)，并使用評價公式進 行計算，并將計算出的結(jié)果E值傳輸?shù)絽?shù)優(yōu)化器，參數(shù)檢驗器還根據(jù)電機速度和位置反 饋的三角波的特點來設(shè)定控制器參數(shù)微調(diào)的變化方向，如表2，并將控制器參數(shù)微調(diào)的變化 方向傳送到參數(shù)優(yōu)化器中；參數(shù)優(yōu)化器再根據(jù)評價公式的計算結(jié)果E和控制器參數(shù)微調(diào)變 化方向來相應(yīng)的改變控制器控制器參數(shù)值，速度控制器參數(shù)的具體優(yōu)化值由下列式(13)、 (14)來計算和更新，位置控制器參數(shù)的具體優(yōu)化值由下列式(15)和式(16)來計算和更新。 多次重復(fù)先檢驗再優(yōu)化的過程，直到參數(shù)檢驗器使用評價公式計算出的E值小于預(yù)先設(shè)定 好的標準值En，控制器參數(shù)優(yōu)化微調(diào)過程結(jié)束。如果始終
如果時而時而乃<0
如果始終D>0
(1 +* Ki" 如果時而 D > 0，時而 D < 0
如果D = O
如果始終D <0,且D < D
如果始終D<0,且
BS
(14) 其中，Es代表用戶選定的評價公式對速度曲線的計算結(jié)果；Ep代表用戶選定的評價公式對位置曲線的計算結(jié)果；Ebs代表用戶選定的評價公式對速度曲線的計算結(jié)果的標準值，這個Ebs值是通過 反復(fù)試驗獲取的一個經(jīng)驗值；Ebp代表用戶選定的評價公式對位置曲線的計算結(jié)果的標準值，這個Ebp值是通過 反復(fù)試驗獲取的一個經(jīng)驗值；Dbp代表預(yù)設(shè)的位置D分界值，這個Dbp值是通過反復(fù)試驗獲取的一個經(jīng)驗值；Dbs代表預(yù)設(shè)的速度D分界值，這個Dbs值是通過反復(fù)試驗獲取的一個經(jīng)驗值；Κρη+1代表第η+1次優(yōu)化后的速度控制器的比例系數(shù)Kp ；V代表第η次優(yōu)化后的速度控制器的比例系數(shù)Kp，當η = 0時就是初步設(shè)置(未 優(yōu)化)的Kp ；K111+1代表第η+1次優(yōu)化后的速度控制器的積分時間系數(shù)K1 ；K1"代表第η次優(yōu)化后的速度控制器的積分時間系數(shù)K1，當η = 0時就是初步設(shè)置 (未優(yōu)化)的K1 ；
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Kp；+1代表第n+1次優(yōu)化后的位置控制器的比例系數(shù)Kpp ；Kppn代表第η次優(yōu)化后的位置控制器的比例系數(shù)Kpp，當η = 0時就是初步設(shè)置(未 優(yōu)化)的Kpp ；Kfn+1代表第η次優(yōu)化后的位置控制器的前饋系數(shù)Kf ；Kfn代表第η次優(yōu)化后的位置控制器的前饋系數(shù)Kf，當η = 0時就是初步設(shè)置(未 優(yōu)化)的Kf ；本發(fā)明是在電機按三角波速度和位置曲線運轉(zhuǎn)過程中使用評價公式進行計算，與 電機在速度和位置階躍響應(yīng)過程中使用評價公式進行計算的方法相比，本發(fā)明主要具有如 下三個優(yōu)點(1)不同的速度控制器PI參數(shù)在速度階躍響應(yīng)過程中使用評價公式計算出的E值 變化率不大，而在速度三角波運動過程中算出的E值變化率較大，而且實際速度控制的響 應(yīng)效果越差，E值就越大。不同的位置控制器P參數(shù)在位置階躍響應(yīng)過程中使用評價公式 計算出的E值變化率不大，而在位置三角波運動過程中算出的E值變化率較大，而且實際位 置控制的響應(yīng)效果越差，E值就越大。而在控制器參數(shù)優(yōu)化過程中，不同控制器參數(shù)下E值 的變化率越大，對于控制器參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整就越有利；(2)在相同的控制效果條件下，隨著轉(zhuǎn)動慣量的增加，在速度和位置階躍響應(yīng)過程 中算出的E值增大而變化率卻在減小，因為E值的大小不僅跟控制器參數(shù)的控制效果有關(guān)， 還跟轉(zhuǎn)動慣量的大小相關(guān)，這樣E值就不能用來作為衡量控制器參數(shù)控制效果好壞的標 準；在速度和位置三角波運動過程中算出的E值基本保持不變，E值大小只與控制器參數(shù)的 適合程度近似成反比例，這樣E值就可以作為衡量控制器參數(shù)控制效果好壞的標準；(3)速度和位置做階躍響應(yīng)運動更容易產(chǎn)生振蕩等不良現(xiàn)象，可能會產(chǎn)生危險和 損壞設(shè)備，而速度和位置做三角波運動比做階躍運動更加可靠，安全性更高。五、本發(fā)明所述的參數(shù)自動調(diào)整方法，即工作過程，如圖5。1、交流同步電機伺服驅(qū)動器使能，使能速度控制器參數(shù)自動調(diào)整功能，此時伺服 系統(tǒng)處在速度控制模式下。2、用戶根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用場合和控制需要的偏重，在三種參數(shù)優(yōu)化策略下選擇一 種，參數(shù)檢驗器根據(jù)用戶所選的參數(shù)優(yōu)化策略序號來確定對應(yīng)的評價公式(對應(yīng)規(guī)則如表 1)。3、交流同步電機伺服驅(qū)動器中的慣量辨識器按照專利《交流永磁同步電機伺服系 統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量辨識方法》中所述的方法測量出電機轉(zhuǎn)子和負載的總轉(zhuǎn)動慣量J。4、參數(shù)初步調(diào)整器根據(jù)式(6)和式(7)，通過步驟2測量出的總轉(zhuǎn)動慣量J值計算 出速度控制器參數(shù)的初步設(shè)定值，并傳輸?shù)剿俣瓤刂破鳌?、參數(shù)優(yōu)化器向速度控制器發(fā)出一個周期的特定的三角波速度指令使電機按照 指令運行。所謂的特定三角波速度指令就是使電機以恒定加速度a由靜止正向加速到正向 速度峰值ω_，再以恒定加速度a由速度峰值ω_減速到電機停止，然后以恒定加速度a 由靜止反向加速到反向速度峰值-ω_，最后以恒定加速度a由反向速度峰值-ω_減速到 電機停止，至此一個三角波速度指令周期結(jié)束，指令的波形如附圖2中實線所示，其中恒定 加速度a和速度峰值ωΜχ的大小根據(jù)應(yīng)用中的實際情況進行設(shè)定。6、參數(shù)檢驗器在電機按照特定的三角波指令進行轉(zhuǎn)動的過程中，實時采集電機的速度反饋值，并通過評價公式計算出E值。7、參數(shù)優(yōu)化器接受參數(shù)檢驗器傳送來的E值，按式(12)和式(13)計算出優(yōu)化后 的速度控制器參數(shù)值，并將參數(shù)值傳送到速度控制器替換掉原來的參數(shù)值。8、循環(huán)步驟5、步驟6和步驟7，直至評價公式計算出的E值小于預(yù)先設(shè)計好的額 定值En時結(jié)束循環(huán)，參數(shù)記錄和顯示器會記錄下當時的速度控制器參數(shù)作為優(yōu)化后的參 數(shù)；如果循環(huán)的次數(shù)超過預(yù)先設(shè)計好的最大次數(shù)Nmax (比如Nmax = 25)，此時也要結(jié)束循環(huán)， 參數(shù)記錄和顯示器會記錄下E值最小的那組速度控制器參數(shù)作為優(yōu)化后的參數(shù)。9、當速度控制器的參數(shù)優(yōu)化成功完成后，禁止速度控制器參數(shù)自動調(diào)整功能，此 時速度控制器裝載的參數(shù)就是優(yōu)化后的參數(shù)，使能位置控制器的參數(shù)自動調(diào)整，此時伺服 系統(tǒng)處在位置控制模式下。10、參數(shù)初步調(diào)整器將Kpp為2. 93X IO2作為位置控制器比例增益參數(shù)的初步設(shè)定 值，將Kf等于Kfl作為位置控制器前饋系數(shù)的初步設(shè)定值，例如Kfl等于0. 5，并將Kpp和Kf 傳輸?shù)轿恢每刂破鳌?1、參數(shù)優(yōu)化器首先向位置控制器發(fā)出一個周期的三角波位置指令使電機按照指 令運行。所謂的特定的三角波位置指令就是使電機以恒定速度ν由位置零點正向轉(zhuǎn)到正向 位置峰值Pmax，再以恒定速度V由位置峰值Pmax反向轉(zhuǎn)回到位置零點，然后以恒定速度V由 位置零點反向轉(zhuǎn)到反向位置峰值-Pmax，最后以恒定速度由反向位置峰值-Pmax正向旋轉(zhuǎn)到電 機位置零點，至此一個三角波位置指令周期結(jié)束，指令的波形如附圖4中實線所示，其中恒 定速度ν和位置峰值Pmax的大小根據(jù)應(yīng)用中的實際情況進行設(shè)定。12、參數(shù)檢驗器在電機按照特定的三角波指令進行轉(zhuǎn)動的過程中，實時采集電機 的位置反饋值，并通過評價公式計算出E值。13、參數(shù)優(yōu)化器接受參數(shù)檢驗器傳送來的E值加以記錄，再按式(14)和式(15)計 算出優(yōu)化后的位置控制器的Kpp和Kf參數(shù)值，并傳送到位置控制器替換掉上一次的參數(shù)值。14、循環(huán)步驟11、步驟12和步驟13，直至評價公式計算出的E值小于預(yù)先設(shè)計好 的額定值En時結(jié)束循環(huán)，參數(shù)記錄和顯示器會記錄下當時的位置控制器參數(shù)作為優(yōu)化后的 參數(shù)；如果循環(huán)的次數(shù)超過預(yù)先設(shè)計好的最大次數(shù)Nmax (比如Nmax = 25)，此時也要結(jié)束循 環(huán)，參數(shù)記錄和顯示器會記錄下E值最小的那組位置控制器參數(shù)作為優(yōu)化后的參數(shù)。13、至此控制器參數(shù)的自動調(diào)整完成，參數(shù)記錄和顯示器將優(yōu)化后的位置控制和 速度控制器參數(shù)顯示出來。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式
，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，這些 僅是舉例說明，本發(fā)明的保護范圍是由所附權(quán)利要求書限定的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背 離本發(fā)明的原理和實質(zhì)的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更 和修改均落入本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種電機伺服驅(qū)動器控制器參數(shù)自動調(diào)整裝置，其包括慣量識別器、位置控制器和速度控制器，其特征在于，其中，慣量識別器，用于對電機轉(zhuǎn)子和負載的總轉(zhuǎn)動慣量J進行測量；參數(shù)初步調(diào)整器，在已經(jīng)測量出的電機轉(zhuǎn)子和負載的總轉(zhuǎn)動慣量J值的基礎(chǔ)上，根據(jù)式1和式2計算出位置控制器和速度控制器的初步參數(shù)，并將參數(shù)傳送到位置控制器和速度控制器，式1式2其中，KI是速度控制器的積分系數(shù)，KP是速度PI控制器的比例系數(shù)，Tcur是電流控制器的慣性時間常數(shù)，Ktorque是電流轉(zhuǎn)矩系數(shù)，J是電機轉(zhuǎn)子和負載的總轉(zhuǎn)動慣量，h為自定義的常數(shù)；參數(shù)檢驗器，用于每當位置控制器和速度控制器的參數(shù)發(fā)生更新時，參數(shù)檢驗器就使用用戶所選擇的評價公式計算出E值，即得到對當前更新后的參數(shù)的控制效果的量化評價，進而確定是否需要進一步的參數(shù)優(yōu)化；參數(shù)優(yōu)化器，用于首先發(fā)出特定的位置三角波指令到位置控制器和特定的速度三角波指令到速度控制器，使電機按照位置和速度指令進行旋轉(zhuǎn)；其次在上一次的速度控制器和位置控制器的參數(shù)和E值的基礎(chǔ)上，通過式(3)、式4和式5計算出優(yōu)化后速度控制器和位置控制器的參數(shù)，并將參數(shù)傳送到速度控制器和位置控制器中并加以更新，式3 <mrow><mi>G</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow> <mrow><msup> <mrow><mn>2</mn><mi>h</mi> </mrow> <mn>2</mn></msup><msup> <msub><mi>T</mi><mi>cur</mi> </msub> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mfrac> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>hT</mi> <mi>cur</mi></msub><mi>s</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow> <msup><mi>s</mi><mn>2</mn> </msup></mfrac><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>cur</mi></msub><mi>s</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>式4 <mrow><mi>H</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>G</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>G</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <msub><mi>T</mi><mi>cur</mi> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msup> <mrow><mn>2</mn><mi>h</mi> </mrow> <mn>2</mn></msup><msup> <msub><mi>T</mi><mi>cur</mi> </msub> <mn>2</mn></msup><msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mi>cur</mi> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>hT</mi><mi>cur</mi> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>式5 <mrow><msub> <mi>G</mi> <mi>p</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>K</mi> <mi>pp</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>hT</mi><mi>cur</mi> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>[</mo><msup> <mrow><mn>2</mn><mi>h</mi> </mrow> <mn>2</mn></msup><msup> <msub><mi>T</mi><mi>cur</mi> </msub> <mn>2</mn></msup><msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn></msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>T</mi><mi>cur</mi> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>hT</mi><mi>cur</mi> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow></mfrac><mfrac> <mn>1</mn> <mi>s</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>其中，Kpp是位置控制器的比例增益。FSA00000182810000011.tif,FSA00000182810000012.tif
2.如權(quán)利要求1所述的電機伺服驅(qū)動器控制器參數(shù)自動調(diào)整裝置，其特征在于，參數(shù) 檢驗器發(fā)送給速度控制器的位置和速度指令是正反方向交替、上下對稱、左右對稱的三角 波指令。
3.如權(quán)利要求1所述的電機伺服驅(qū)動器控制器參數(shù)自動調(diào)整裝置，其特征在于，所述 速度控制器采用比例積分(PI)控制器結(jié)構(gòu)，使整個伺服系統(tǒng)實現(xiàn)速度閉環(huán)，使電機的實際 轉(zhuǎn)速跟隨轉(zhuǎn)速指令，也就是說使電機實際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速指令是一致的。
4.如權(quán)利要求1所述的電機伺服驅(qū)動器控制器參數(shù)自動調(diào)整裝置，其特征在于，所述 位置控制器采用比例(P)和前饋相結(jié)合的控制器結(jié)構(gòu)，使整個伺服系統(tǒng)實現(xiàn)位置閉環(huán)，使 電機的實際轉(zhuǎn)過的位置跟隨位置指令，也就是說使電機實際位置與位置指令是一致的。
5.如權(quán)利要求1所述的電機伺服驅(qū)動器控制器參數(shù)自動調(diào)整裝置，其特征在于，該自 動調(diào)整裝置還包括一參數(shù)保存和顯示器，用于將優(yōu)化后的控制參數(shù)保存在存儲器中，并在 顯示器中顯示出轉(zhuǎn)動慣量值和各個控制參數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的電機伺服驅(qū)動器控制器參數(shù)自動調(diào)整裝置，其特征在于，所述 的評價公式為 ，其中，E代表評價公式的計算結(jié)果，t代表時間，即進行時域上的積分計算；當評價公式用在速度控制器的PI參數(shù)優(yōu)化時，e是速度 控制器指令值和實際速度反饋值之間的差值，當評價公式用在位置控制器的比例增益參數(shù) 和前饋系數(shù)優(yōu)化時，e是位置控制器指令值和實際位置反饋值之間的差值。
7. —種如權(quán)利要求1所述的裝置的參數(shù)自動調(diào)整方法，其特征在于，其包括以下步驟，51、電機伺服驅(qū)動器使能，使能速度控制器參數(shù)自動調(diào)整功能，此時伺服系統(tǒng)處在速度 控制模式下；，52、參數(shù)檢驗器根據(jù)用戶所選的參數(shù)優(yōu)化策略來確定對應(yīng)的評價公式；，53、慣量辨識器測量出電機轉(zhuǎn)子和負載的總轉(zhuǎn)動慣量J；，54、參數(shù)初步調(diào)整器根據(jù)式1和式2，通過步驟S2測量出的總轉(zhuǎn)動慣量J值計算出速度 控制器參數(shù)的初步設(shè)定值，并傳輸?shù)剿俣瓤刂破?；?5、參數(shù)優(yōu)化器向速度控制器發(fā)出一個周期的三角波速度指令使電機按照指令運行；，56、參數(shù)檢驗器在電機按照三角波指令進行轉(zhuǎn)動的過程中，實時采集電機的速度反饋 值，并通過評價公式計算出E值；，57、參數(shù)優(yōu)化器接受參數(shù)檢驗器傳送來的E值，按式6、式7和式8計算出優(yōu)化后的速度 控制器參數(shù)值，并將參數(shù)值傳送到速度控制器替換掉原來的參數(shù)值，式 , R (t)為速度或位置的指令值，F(xiàn) (t)為速度或位置 的反饋值，t為時間值；式7和式8如下 其中，Es代表用戶選定的評價公式對速度曲線的計算結(jié)果，Ebs代表用戶選定的評價公 式對速度曲線的計算結(jié)果的標準值，該Eks值為經(jīng)驗值，Κρη、Κρη+1代表第η和η+1次優(yōu)化后 的速度控制器的比例系數(shù)Κρ，ΚΛ K111+1代表第η和η+1次優(yōu)化后的速度控制器的積分時間 系數(shù)K1, Dbs代表預(yù)設(shè)的速度D分界值，該Dbs值為經(jīng)驗值；58、循環(huán)步驟S5、S6和S7，直至評價公式計算出的E值小于預(yù)先設(shè)計好的額定值En時結(jié) 束循環(huán)，記錄下當時的速度控制器參數(shù)作為優(yōu)化后的參數(shù)；如果循環(huán)的次數(shù)超過預(yù)先設(shè)計 好的最大次數(shù)Nmax，此時也結(jié)束循環(huán)，記錄下E值最小的那組速度控制器參數(shù)作為優(yōu)化后的 參數(shù)；59,當速度控制器的參數(shù)優(yōu)化成功完成后，禁止速度控制器參數(shù)自動調(diào)整功能，此時速 度控制器裝載的參數(shù)就是優(yōu)化后的參數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的參數(shù)自動調(diào)整方法，其特征在于，步驟S5中的三角波速度指令 為使電機以恒定加速度a由靜止正向加速到正向速度峰值ω_，再以恒定加速度a由速度 峰值ω max減速到電機停止，然后以恒定加速度a由靜止反向加速到反向速度峰值_ ω max，最后以恒定加速度a由反向速度峰值_ ω max減速到電機停止，至此-角波速度指令周期結(jié)束，其中恒定加速度a和速度峰值ωΜχ的大小根據(jù)應(yīng)用中的實際情況進行設(shè)定t
9.如權(quán)利要求7所述的參數(shù)自動調(diào)整方法，其特征在于，步驟S9之后還包括如下步驟 Sltl、使能位置控制器的參數(shù)自動調(diào)整，此時伺服系統(tǒng)處在位置控制模式下，參數(shù)初步調(diào) 整器將Kpp作為位置控制器比例增益參數(shù)的初步設(shè)定值，將Kf作為位置控制器前饋系數(shù)的 初步設(shè)定值，并將Kpp和Kf傳輸?shù)轿恢每刂破?；?11、參數(shù)優(yōu)化器首先向位置控制器發(fā)出一個周期的三角波位置指令使電機按照指令運行；，512、參數(shù)檢驗器在電機按照三角波指令進行轉(zhuǎn)動的過程中，實時采集電機的位置反饋 值，并通過評價公式計算出E值；，513、參數(shù)優(yōu)化器接受參數(shù)檢驗器傳送來的E值加以記錄，再按式7和式8計算出優(yōu)化后 的位置控制器的Kpp和Kf參數(shù)值，并傳送到位置控制器替換掉上一次的參數(shù)值，式7和式8 如下 其中，Ep為用戶選定的評價公式對位置曲線的計算結(jié)果，Ebp為用戶選定的評價公式對 位置曲線的計算結(jié)果的標準值，Ebp值為經(jīng)驗值，Dbp代表預(yù)設(shè)的位置D分界值，Dbp值為經(jīng)驗 值，Κρρη、Κρρη+1代表第η和n+l次優(yōu)化后的位置控制器的比例系數(shù)Kpp，Kfn、Kfn+1代表第η和n+1次優(yōu)化后的位置控制器的前饋系數(shù)Kf ；(514、循環(huán)步驟Sn、S12和S13，直至評價公式計算出的E值小于預(yù)先設(shè)計好的額定值En時 結(jié)束循環(huán)，記錄下當時的位置控制器參數(shù)作為優(yōu)化后的參數(shù)；如果循環(huán)的次數(shù)超過預(yù)先設(shè) 計好的最大次數(shù)Nmax，此時也結(jié)束循環(huán)，記錄下E值最小的那組位置控制器參數(shù)作為優(yōu)化后 的參數(shù)；(515、控制器參數(shù)的自動調(diào)整完成。
10.如權(quán)利要求9所述的參數(shù)自動調(diào)整方法，其特征在于，步驟S15之后還包括步驟S16 參數(shù)保存和顯示器將優(yōu)化后的位置控制和速度控制器參數(shù)顯示出來。
11.如權(quán)利要求9所述的參數(shù)自動調(diào)整方法，其特征在于，步驟S11中所述的三角波位置 指令為使電機以恒定速度ν由位置零點正向轉(zhuǎn)到正向位置峰值Pmax，再以恒定速度ν由位置 峰值Pmax反向轉(zhuǎn)回到位置零點，然后以恒定速度ν由位置零點反向轉(zhuǎn)到反向位置峰值-Pmax， 最后以恒定速度由反向位置峰值-Pmax正向旋轉(zhuǎn)到電機位置零點，至此一個三角波位置指令 周期結(jié)束，其中恒定速度V和位置峰值Pmax的大小根據(jù)應(yīng)用中的實際情況進行設(shè)定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電機伺服驅(qū)動器控制器參數(shù)自動調(diào)整裝置及其方法，該裝置包括慣量識別器，參數(shù)初步調(diào)整器，參數(shù)檢驗器，參數(shù)優(yōu)化器，參數(shù)保存和顯示器，速度控制器，位置控制器，轉(zhuǎn)矩控制器，PWM生成器，碼盤。本發(fā)明可以使交流永磁電機伺服驅(qū)動器根據(jù)機械負載的轉(zhuǎn)動慣量的不同，自動配置位置控制器和速度控制器的參數(shù)，再通過參數(shù)檢驗器和參數(shù)優(yōu)化器對自動配置的參數(shù)進行檢驗和進一步的優(yōu)化，使伺服驅(qū)動器的位置響應(yīng)和速度響應(yīng)達到相對最佳。本發(fā)明使交流永磁同步電機伺服驅(qū)動器自動的根據(jù)工作場合的狀況來調(diào)整控制參數(shù)，并達到理想的控制效果，整個過程無需人的參與，完全由交流永磁同步電機伺服驅(qū)動器完成。
文檔編號H02P23/14GK101895252SQ20101022331
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者張揚, 李悅韡, 楊明, 楊正緒 申請人:上海新時達電氣股份有限公司;上海辛格林納新時達電機有限公司