本發(fā)明涉及一種電機(jī)參數(shù)自整定的方法，具體涉及應(yīng)用于直流電機(jī)電流控制器的參數(shù)自整定方法。

背景技術(shù)：

智能化和高性能化是當(dāng)今伺服技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)重要特征。智能化是指用戶在使用伺服時(shí)，不需要或盡量少地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、參數(shù)調(diào)節(jié)等工作，伺服驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品能夠自行完成參數(shù)設(shè)置和參數(shù)調(diào)節(jié)。如果沒有智能化的相關(guān)技術(shù)，用戶需要自行調(diào)試驅(qū)動(dòng)器或者由產(chǎn)品生產(chǎn)公司的工程人員去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，其中耗費(fèi)不少的時(shí)間和人力成本；而且手動(dòng)整定的過程十分繁瑣復(fù)雜，速度哦伺服系統(tǒng)的控制參數(shù)在沒有進(jìn)行良好的整定就投入用戶運(yùn)行，導(dǎo)致伺服系統(tǒng)的性能沒有得到完整的發(fā)揮。如果能提升伺服產(chǎn)品的智能化技術(shù)，這樣將大大減少時(shí)間成本和勞動(dòng)成本，為用戶使用伺服產(chǎn)品提供很大的方便。

在伺服系統(tǒng)參數(shù)自整定的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，目前比較成熟的現(xiàn)有技術(shù)主要有兩大類：第一類是基于經(jīng)驗(yàn)的自整定方案，具體是模擬工程師進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)的過程，用一個(gè)參數(shù)尋優(yōu)的過程和若干性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來完成自整定；第二類是基于模型的自整定方案，具體是先對(duì)電機(jī)進(jìn)行機(jī)理建模，然后按照控制理論里的頻域校正相關(guān)方法來確定電機(jī)的具體控制參數(shù)。

第一類自整定方案的優(yōu)點(diǎn)是自整定效果較好，表現(xiàn)為自整定得到的參數(shù)對(duì)應(yīng)的電機(jī)性能較好，缺點(diǎn)是自整定耗費(fèi)的時(shí)間過長(zhǎng)，給用戶的使用體驗(yàn)欠佳；第二類自整定方案的優(yōu)點(diǎn)是自整定過程較快，不容易給用戶較差的使用體驗(yàn)，缺點(diǎn)是自整定參數(shù)受電機(jī)模型的準(zhǔn)確性影響很大，當(dāng)電機(jī)模型的精度下降時(shí)，自整定得到的參數(shù)會(huì)與最佳性能對(duì)應(yīng)的參數(shù)有較大的差距。

當(dāng)今伺服產(chǎn)品的不斷發(fā)展要求電流控制器自整定技術(shù)能同時(shí)擁有自整定效果好和自整定過程較快的優(yōu)點(diǎn)，使得用戶不僅能獲得較好的使用體驗(yàn)，也能得到滿意的參數(shù)自整定效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：

本發(fā)明提供了一種直流電機(jī)電流控制器參數(shù)自整定的方法，可大范圍應(yīng)用于當(dāng)今直流伺服產(chǎn)品的電流控制器參數(shù)自整定功能，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有自整定過程簡(jiǎn)單和自整定效果好的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)方案：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為了改善現(xiàn)有伺服系統(tǒng)參數(shù)自整定技術(shù)的整定效果，縮短自整定技術(shù)的整定時(shí)間，提出了一種新型直流電機(jī)電流控制器參數(shù)自整定系統(tǒng)及方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是。

一種直流電機(jī)電流控制器參數(shù)自整定系統(tǒng)，其特征在于，包括：

在線指令規(guī)劃單元，為直流電機(jī)規(guī)劃出三段電樞電壓指令；

電機(jī)參數(shù)辨識(shí)單元，在所述在線指令規(guī)劃單元規(guī)劃的三段電樞電壓指令時(shí)間內(nèi)，分別測(cè)試并記錄電機(jī)的電樞電壓、電樞電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，按照直流電機(jī)參數(shù)辨識(shí)方程計(jì)算出電機(jī)的電樞電阻、電樞電感和反電勢(shì)系數(shù)之值；

截止頻率估計(jì)單元，根據(jù)所述電機(jī)參數(shù)識(shí)別單元計(jì)算出的電機(jī)的電樞電阻和電樞電感之值，結(jié)合截止頻率估計(jì)公式估計(jì)出電機(jī)的截止頻率；

電流控制器參數(shù)計(jì)算單元，根據(jù)所述電機(jī)參數(shù)識(shí)別單元計(jì)算出的電樞電阻、電樞電感參數(shù)和所述截止頻率估計(jì)單元得到的電機(jī)的截止頻率，根據(jù)電流控制器參數(shù)計(jì)算公式得到電流控制器參數(shù)。

還包括一個(gè)電流控制器參數(shù)評(píng)價(jià)單元，將驅(qū)動(dòng)器按照所述電流控制器參數(shù)計(jì)算單元得到的控制參數(shù)執(zhí)行一次額定電流的電流階躍響應(yīng)結(jié)果顯示給用戶，通過與設(shè)定的滿意度指標(biāo)(超調(diào)量不大于15％，穩(wěn)態(tài)波動(dòng)不大于5％)比較，在所述電流控制器參數(shù)計(jì)算單元得到的電流控制器參數(shù)的基礎(chǔ)上微調(diào)參數(shù)。

一種直流電機(jī)電流控制器參數(shù)自整定方法，其特征在于，步驟為：

步驟一：在線指令規(guī)劃步驟，為直流電機(jī)規(guī)劃出三段電樞電壓指令；

步驟二：電機(jī)參數(shù)辨識(shí)步驟，在步驟一所述的三段電樞電壓指令時(shí)間內(nèi)，分別測(cè)試并記錄電機(jī)的電樞電壓、電樞電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后按照直流電機(jī)參數(shù)辨識(shí)方程計(jì)算出電機(jī)的電樞電阻、電樞電感和反電勢(shì)系數(shù)之值；

步驟三：截止頻率估計(jì)步驟，根據(jù)步驟二計(jì)算出的電機(jī)的電樞電阻和電樞電感之值，結(jié)合截止頻率估計(jì)公式估計(jì)出電機(jī)的截止頻率；

步驟四：電流控制器參數(shù)計(jì)算步驟，根據(jù)步驟二得到的電樞電阻、電樞電感參數(shù)和步驟三得到的電機(jī)的截止頻率，根據(jù)電流控制器參數(shù)計(jì)算公式得到電流控制器參數(shù)。

還包括：步驟五：電流控制器參數(shù)評(píng)價(jià)步驟，將步驟四得到的電流控制器參數(shù)顯示給用戶，并讓驅(qū)動(dòng)器按照該控制參數(shù)執(zhí)行一次額定電流的電流階躍響應(yīng)，將電流階躍響應(yīng)結(jié)果顯示給用戶。若用戶對(duì)結(jié)果滿意，則整定結(jié)束；若用戶不滿意，則在步驟四得到的電流控制器參數(shù)的基礎(chǔ)上微調(diào)參數(shù)。以用戶微調(diào)的參數(shù)再次執(zhí)行額定電流的電流階躍響應(yīng)，并顯示給用戶。步驟五以用戶對(duì)電流階躍響應(yīng)滿意為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)一步的，步驟一所述的三段電樞電壓指令包含以下特征：三段電樞電壓指令的形式都是隨時(shí)間正弦變化的；三段電樞電壓指令的幅值為電機(jī)的額定電流；三段電樞電壓指令的頻率分別為工頻、兩倍工頻和三倍工頻。

所述工頻為50Hz。

進(jìn)一步的，步驟二所述的直流電機(jī)參數(shù)辨識(shí)方程具體為：

式中R為電樞電阻，L為電樞電感，C_e為反電勢(shì)系數(shù)，為求導(dǎo)數(shù)運(yùn)算算子，[]^-1為求逆矩陣算子，U₁、I₁和ω₁分別表示在t₁～t₂時(shí)間內(nèi)記錄的電樞電壓、電樞電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；U₂、I₂和ω₂分別表示在t₃～t₄時(shí)間內(nèi)記錄的電樞電壓、電樞電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；U₃、I₃和ω₃分別表示在t₅～t₆時(shí)間內(nèi)記錄的電樞電壓、電樞電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；

進(jìn)一步的，步驟三所述的截止頻率估計(jì)公式為：

進(jìn)一步的，步驟四所述的電流控制器參數(shù)計(jì)算公式為：

比例參數(shù)K_p：

積分參數(shù)K_I：

式中，K_cf為所用驅(qū)動(dòng)器的電流反饋系數(shù)，K_PWM為所用驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)頻率，T_s為所用驅(qū)動(dòng)器的電流采樣時(shí)間。

進(jìn)一步的，步驟五中用戶如果對(duì)額定電流的電流階躍響應(yīng)不滿意，微調(diào)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)為：如果電流階躍響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)，則適當(dāng)增大比例參數(shù)K_p；如果電流階躍響應(yīng)的超調(diào)偏大，則適當(dāng)減小比例參數(shù)K_p；如果電流階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差較大，則適當(dāng)增大積分參數(shù)K_I；如果電流階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)震蕩較嚴(yán)重，則適當(dāng)減小積分參數(shù)K_I。

自整定最終結(jié)束以用戶對(duì)額定電流的電流階躍響應(yīng)的結(jié)果滿意為標(biāo)準(zhǔn)，最終得到的電流控制器參數(shù)為精確自整定后的電流控制器參數(shù)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

1、自整定過程簡(jiǎn)單。本發(fā)明的整定方法步驟簡(jiǎn)單，所有步驟都很方便在驅(qū)動(dòng)器的軟件代碼中實(shí)現(xiàn)，無需硬件上的工作。具體表現(xiàn)為本發(fā)明的步驟一至五都在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中通過軟件的方式實(shí)現(xiàn)，無需軟件以外的更改，從而避免了復(fù)雜性的提高，方便現(xiàn)有的產(chǎn)品采用本發(fā)明中的自整定技術(shù)。

2、自整定效果好。本發(fā)明首先將直流電機(jī)的機(jī)理模型準(zhǔn)確建立出來，然后根據(jù)所建立的機(jī)理模型計(jì)算得到粗略自整定后的電流控制器參數(shù)，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過電流控制器參數(shù)評(píng)價(jià)單元可以得到令用戶滿意的精確自整定后的電流控制器參數(shù)。本發(fā)明通過在線指令規(guī)劃和電機(jī)參數(shù)辨識(shí)得到精確的電機(jī)參數(shù)，然后計(jì)算得到電機(jī)截止頻率，進(jìn)而自整定出理論上可靠的電流環(huán)參數(shù)，然后經(jīng)過電流環(huán)參數(shù)評(píng)價(jià)步驟，確保電流環(huán)參數(shù)對(duì)應(yīng)的自整定效果。

附圖說明：

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1：本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2：本發(fā)明的步驟流程圖；

圖3：本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)框圖；

圖4：本發(fā)明的電樞電壓指令示意圖。

圖中標(biāo)記說明如下。

I^*：電樞電流給定值；

K_t：直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

J：直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

B：直流電機(jī)的阻尼系數(shù)；

電流PI調(diào)節(jié)器：直流電機(jī)所采用的比例(P)積分(I)控制器。

具體實(shí)施方式：

為了使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍。

本發(fā)明是為了改善現(xiàn)有伺服系統(tǒng)參數(shù)自整定技術(shù)的整定效果，縮短自整定技術(shù)的整定時(shí)間，提出了一種新型直流電機(jī)電流控制器參數(shù)自整定方法。為了說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式，下面結(jié)合某市售的直流電機(jī)進(jìn)行說明。

該直流電機(jī)的參數(shù)具體為：電樞電阻R為1.53Ω；極對(duì)數(shù)n_P為4；電樞電感L為0.2mH；額定電流為3A；電流環(huán)控制周期為50μs。具體的，電機(jī)所用的控制結(jié)構(gòu)可以參考說明書附圖2。

步驟一：在線指令規(guī)劃單元。為直流電機(jī)規(guī)劃出三段電樞電壓指令。

所規(guī)劃的三段電樞電壓指令是隨時(shí)間正弦變化的；三段電樞電壓指令的幅值為直流電機(jī)的額定電流3A；三段電樞電壓指令的頻率分別為工頻、兩倍工頻和三倍工頻，即為50Hz、100Hz和150Hz；三段電樞電壓指令之間可以留有時(shí)間間隔，具體時(shí)間間隔的值由用戶自行確定，也可以不留時(shí)間間隔，比如可以留有1s的間隔時(shí)間。

為方便起見，工頻、兩倍工頻和三倍工頻的三段電樞電壓指令可分別由(ω,I_n)、(2ω,I_n)和(3ω,I_n)表示，式中ω表示工頻，I_n表示電機(jī)的額定電流。更具體的，三段電樞電壓指令具體可以參考說明書附圖3的示意。

步驟二：電機(jī)參數(shù)辨識(shí)單元。在步驟一三段電樞電壓指令時(shí)間內(nèi)，分別測(cè)試并記錄電機(jī)的電樞電壓、電樞電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后按照直流電機(jī)參數(shù)辨識(shí)方程計(jì)算出電機(jī)的電樞電阻、電樞電感和反電勢(shì)系數(shù)之值。

令三段電樞電壓指令(ω,I_n)、(2ω,I_n)和(3ω,I_n)作用于直流電機(jī)的時(shí)間分別為t₁～t₂、t₃～t₄和t₅～t₆。在t₁～t₂、t₃～t₄和t₅～t₆這三段時(shí)間內(nèi)，測(cè)試將電樞電壓指令輸入電機(jī)時(shí)的電樞電壓、電樞電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

為闡述方便，在t₁～t₂時(shí)間內(nèi)記錄的電樞電壓、電樞電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)可以分別表示為U₁、I₁和ω₁；在t₃～t₄時(shí)間內(nèi)記錄的電樞電壓、電樞電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)可以分別表示為U₂、I₂和ω₂；在t₅～t₆時(shí)間內(nèi)記錄的電樞電壓、電樞電流和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)可以分別表示為U₃、I₃和ω₃。所記錄的各個(gè)數(shù)據(jù)都是連續(xù)變化的。

在t₁～t₂、t₃～t₄和t₅～t₆這三段時(shí)間內(nèi)分別對(duì)記錄的各數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)上的積分運(yùn)算。在t₁～t₂時(shí)間內(nèi)對(duì)記錄的電樞電壓U₁、電樞電流I₁和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)ω₁分別進(jìn)行數(shù)學(xué)上的積分運(yùn)算得到第一段的電樞電壓積分值第一段的電樞電流積分值和第一段的轉(zhuǎn)速積分值仿照此操作，得到第二段的電樞電壓積分值第二段的電樞電流積分值和第二段的轉(zhuǎn)速積分值以及得到第三段的電樞電壓積分值第三段的電樞電流積分值和第三段的轉(zhuǎn)速積分值

然后利用直流電機(jī)參數(shù)辨識(shí)方程：

式中R為電樞電阻，L為電樞電感，C_e為反電勢(shì)系數(shù)，為求導(dǎo)數(shù)運(yùn)算算子，[]^-1為求逆矩陣算子。

通過直流電機(jī)參數(shù)辨識(shí)方程就可以計(jì)算出電機(jī)的電樞電阻、電感和反電勢(shì)系數(shù)之值。

步驟三：截止頻率估計(jì)單元。根據(jù)步驟二計(jì)算出的電機(jī)的電樞電阻和電感之值，結(jié)合截止頻率估計(jì)公式估計(jì)出電機(jī)的截止頻率。

根據(jù)直流電機(jī)的物理模型特征，近似把直流電機(jī)看成一階低通濾波環(huán)節(jié)。結(jié)合一階低通濾波環(huán)節(jié)的截止頻率公式，直流電機(jī)的截止頻率可以估計(jì)為：

將實(shí)施例中的電樞電阻R＝1.53Ω和電樞電感L＝0.2mH代入即可得到實(shí)施例中直流電機(jī)的截止頻率。

步驟四：電流控制器參數(shù)計(jì)算單元。根據(jù)步驟二得到的電樞電阻、電樞電感參數(shù)和步驟三得到的電機(jī)的截止頻率，根據(jù)電流控制器參數(shù)計(jì)算公式得到電流控制器參數(shù)。

步驟四電流控制器參數(shù)計(jì)算公式具體特征為：為了獲得更快速的電流響應(yīng)，按照自動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)的典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流控制器的比例參數(shù)K_p和積分參數(shù)K_I。電流控制器參數(shù)計(jì)算公式具體為：

式中，K_cf為所用驅(qū)動(dòng)器的電流反饋系數(shù)，K_PWM為所用驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)頻率，T_s為所用驅(qū)動(dòng)器的電流采樣時(shí)間。比如實(shí)施例中的直流電機(jī)對(duì)應(yīng)的電流反饋系數(shù)為K_cf＝20，K_PWM＝10000Hz，T_s＝50μs。

通過電流控制器參數(shù)計(jì)算公式即可得到粗略自整定后的電流控制器參數(shù)。

步驟五：電流控制器參數(shù)評(píng)價(jià)單元。將步驟四得到的電流控制器參數(shù)顯示給用戶，并讓驅(qū)動(dòng)器按照該控制參數(shù)執(zhí)行一次額定電流的電流階躍響應(yīng)，將電流階躍響應(yīng)結(jié)果顯示給用戶。若用戶對(duì)結(jié)果滿意，則整定結(jié)束；若用戶不滿意，則在步驟四得到的電流控制器參數(shù)的基礎(chǔ)上微調(diào)參數(shù)。以用戶微調(diào)的參數(shù)再次執(zhí)行額定電流的電流階躍響應(yīng)，并顯示給用戶。步驟五以用戶對(duì)電流階躍響應(yīng)滿意為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

用戶如果對(duì)額定電流的電流階躍響應(yīng)不滿意，微調(diào)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)為：如果電流階躍響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)，則適當(dāng)增大比例參數(shù)K_p；如果電流階躍響應(yīng)的超調(diào)偏大，則適當(dāng)減小比例參數(shù)K_p；如果電流階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差較大，則適當(dāng)增大積分參數(shù)K_I；如果電流階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)震蕩較嚴(yán)重，則適當(dāng)減小積分參數(shù)K_I。

自整定最終結(jié)束以用戶對(duì)額定電流的電流階躍響應(yīng)的結(jié)果滿意為標(biāo)準(zhǔn)，最終得到的電流控制器參數(shù)為精確自整定后的電流控制器參數(shù)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。