基于饱和激励信号的直线伺服系统特征分析方法

摘要

本发明提供一种直线伺服系统特征分析方法，根据直线伺服系统的电气和机械特征，选择饱和激励信号、幅值及持续时间；在幅值和持续时间下，进行直线伺服系统的饱和激励实验，并记录直线伺服系统运动方向上的实际位移数据；通过差分方法分析实际位移数据，获取直线伺服系统在极限运动状况下直线伺服系统运动方向上的速度数据和加速度数据；通过Morlet小波变换分析加速度数据，得到直线伺服系统在极限运动状况下的频率数据；为运动控制器设计和开发，以及运动规划及控制方法研究提供直接的数据参考依据。本发明提供一种直线伺服系统特征分析方法实验简便，算法运算量小，易于现场实现，调试过程灵活。

说明书

技术领域

本发明涉及的是运动控制技术领域的系统特征分析方法，具体是一种基于饱和激励信号的直线伺服系统特征分析方法。 

背景技术

相比传统旋转电机，直线电机革命性的特点是直接将电能转换为直线运动的机械能，省去了旋转运动向直线运动转换的中间环节。直线电机凭借其高推重比、高刚度、高加速度和高精度等特点，成为高加速高速高精度运动系统装备的主流核心部件，在高端数控机床、IC封装与制造及微电子等领域得到广泛的应用。随着生产效率和生产质量的不断提高，相关生产设备的加速度、速度和定位精度的要求越来越高。这给运动控制开发人员带来了严峻的挑战，它需要设计开发的运动控制器能够在合理利用直线伺服系统特征的前提下，实现高加速高速高精度运动系统装备的生产要求。 

直线伺服系统是一个集机、电、磁和热能等多种能量形式于一体的复杂系统。直线电机作为系统的主要组成部分，其性能不仅与本身的机、电、磁等特性相关，而且与机械系统息息相关。因此传统的针对电机或机械系统单独研究很难实现系统整体特征分析。在控制领域，研究人员所关心的直线伺服系统特征是指其系统极限运动过程中的速度信息、加速度信息及频率信息等。在运动控制器开发过程中，如何确定直线伺服系统在极限运动过程中的速度信息、加速度信息及频率信息成为设计开发人员的首要解决问题。 

在控制领域中，常采用线性或对数扫频方法测定伺服系统的固有频率，用以表征伺服系统在运动过程中的频率信息。然而，这些方法在获得频率信息的同时，很难获取更多的系统特征，如速度信息和加速度信息。为了获取伺服系统的速度信息和加速度信息，测试人员需要更多的方法及实验来测定。此外，通过此类方法获取的固有频率，并不能直接代表伺服系统在运动过程中的频率信息。 

经检索发现，Kim等在文献“Design and performance tuning of sliding-mode controller for high-speed and high-accuracy positioning systems in disturbance observer framework”(IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56(10)：3798-3809.)中通过计算动态模型参数的方式获取被控对象的固有频率来表征运动过程中的频率信息，但是这种方法需要准确的动态模型参数，在实际应用中的可操作性不强。 

综上所述，现有技术中采用固有频率来表征运动过程中的频率信息，很难准确表 征运动过程中的频率信息；此外获得频率信息的同时，很难获取其它系统特征，如速度信息和加速度信息，因而影响运动控制器设计和开发。 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种基于饱和激励信号的直线伺服系统特征分析方法。该方法不仅能有效获取极限运动状况下直线伺服系统的速度信息和加速度信息，而且可准确分析直线伺服系统在相同极限运动条件下的频率信息，为运动控制器设计和开发，以及运动规划及控制方法研究提供直接的数据参考依据。 

本发明提供一种直线伺服系统特征分析方法，包括： 

（1）根据直线伺服系统的电气和机械特征，选择饱和激励信号、幅值及持续时间； 

（2）在幅值和持续时间下，进行直线伺服系统的饱和激励实验，并记录直线伺服系统运动方向上的实际位移数据； 

（3）通过差分方法分析实际位移数据，获取直线伺服系统在极限运动状况下直线伺服系统运动方向上的速度信息和加速度信息； 

（4）通过Morlet小波变换分析步骤（3）中获取的加速度信息，得到直线伺服系统在极限运动状况下的频率信息； 

极限运动状况为直线伺服系统加上饱和激励信号时的运动状况。 

进一步地，步骤（1）中饱和激励信号为饱和电压激励信号或者饱和电流激励信号。 

进一步地，直线伺服系统包括运动控制器、驱动单元、执行机构及附属装置。 

进一步地，步骤（2）中进行直线伺服系统的饱和激励实验，包括以下步骤： 

（21）通过运动控制器发送饱和激励信号，驱动直线伺服系统运动； 

（22）记录非接触式光栅尺反馈信号，非接触式光栅尺反馈信号为相应的实际位移数据。 

进一步地，步骤（22）中饱和激励信号为饱和电压激励信号，饱和电压激励信号的幅值为±10V，正负饱和电压的持续时间均为5ms。 

进一步地，步骤（22）中记录非接触式光栅尺反馈信号时，选择有效保存长度。通过选择有效的保存长度，在存储容量一定的条件下，可以确定保存位移数据的数量。 

进一步地，有效保存长度为200。 

进一步地，步骤（4）包括步骤： 

（41）连续小波变换是信号与小波函数的内积： 

$\mathrm{Wf}(u,s)=\frac{1}{\sqrt{s}}{\int }_{-\infty }^{+\infty }f\left(t\right)\psi \left(\frac{t-u}{s}\right)\mathrm{dt}$

其中，为信号，Wf(u,s)为小波函数ψ_u,s所对应的小波系数，描述信号 在位置u附近以尺度s的振动； 

（42）设置分析频率下限与频率上限，并选择频率点数，得到相应的时频分布； 

（43）从步骤（42）中得到的时频分布中，得到第一被激起的频率。 

进一步地，步骤（41）中采用的Morlet小波变换的公式为： 

$\psi \left(t\right)={\pi }^{-1/4}(e^{-{\mathrm{j\omega }}_{0}t}-e^{-{\omega }_0^2/2})e^{{-t}^2/2}.$

进一步地，步骤（42）中频率下限为100Hz，频率上限为5000Hz，频率点数为256。 

与现有技术相比，本发明提供的直线伺服系统特征分析方法具有以下有益效果： 

（1）采用基于饱和激励信号，进行直线伺服系统的饱和激励实验，准确获取了直线伺服系统的位移信息； 

（2）采用差分方法分析实际位移数据，获得直线伺服系统的速度信息和加速度信息； 

（3）采用Morlet小波变换，具有良好的时频局部化特性，能较好地反映出被分析信号的时频特性，有效分析出直线伺服系统在极限运动条件下的频率信息； 

（4）实验简便，算法运算量小，易于现场实现，调试过程灵活。 

附图说明

图1是本发明的一个实施例中的直线伺服系统特征分析方法的流程图； 

图2是饱和电压激励信号图； 

图3是本发明的一个实施例中的直线伺服系统Y轴的实际位移图； 

图4是本发明的一个实施例中的直线伺服系统Y轴的速度信息图； 

图5是本发明的一个实施例中的直线伺服系统Y轴的加速度信息图； 

图6是本发明的一个实施例中的直线伺服系统Y轴的频率信息图。 

具体实施方式

下面针对本发明的实施例作详细说明，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

本实施例中采用永磁直线同步电机（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor，PMLSM）直接驱动机电系统的Y轴作为研究对象，通过对嵌入式运动控制器、驱动单元、执行机构及其它附属装置等组成的直线伺服系统进行饱和激励实验，进而分析在极限运动状况下Y轴的速度信息和加速度信息，以及在极限运动状况下永磁直线同步电机的固有频率 

如图1所示，本实施例提供的直线伺服系统特征分析方法包括以下步骤： 

步骤一，根据永磁直线同步电机Y轴的电气和机械特征，选择饱和电压信号作为 实验所用的饱和激励信号，饱和电压激励信号如图2所示，其幅值为±10V，正负饱和电压的持续时间均为5ms，直线伺服系统的采样周期设置为0.1ms； 

也可以选择饱和电流激励信号作为实验所用的饱和激励信号； 

步骤二，设置饱和电压激励信号的实验参数，通过嵌入式运动控制系统发送时长为10ms的电压饱和激励信号，驱动永磁直线同步电机的Y轴运动，记录相应的非接触式光栅尺反馈信号，即相应的实际位移信息； 

为了存储更多的位移信息，选择200作为有效的保存长度，实际位移如图3所示。 

步骤三，选取长度为200的实际位移数据进行差分，可得到饱和电压激励响应时永磁直线同步电机Y轴的实际速度信息，如图4所示，从图4中可以看出，永磁直线同步电机Y轴有达到最大速度为0.689m/s的能力。将永磁直线同步电机Y轴的实际速度信息再次差分，得到其加速度信息，如图5所示，通过分析其加速度信息，得到此永磁直线同步电机Y轴的最大加速度为220m/s²和平均加速度为145m/s²。另外，也可获得此永磁直线同步电机Y轴的加速性能，即加速度从0加速到平均加速度的时间为0.5ms，也就是说，Y轴具有在5个伺服周期达到平均加速度的能力。 

进而，Y轴的运动规划设计可根据本步骤获取的信息，进行合理的运动规划，使Y轴合理地发挥自己的性能。 

步骤四，通过Morlet小波变换分析相应的实际加速度数据，得到永磁直线同步电机Y轴在极限运动状况下的频率信息，具体步骤如下： 

a)对于一个给定的信号连续小波变换是信号与小波函数的内积： 

$\mathrm{Wf}(u,s)=\frac{1}{\sqrt{s}}{\int }_{-\infty }^{+\infty }f\left(t\right)\psi \left(\frac{t-u}{s}\right)\mathrm{dt},$

其中Wf(u,s)称为小波ψ_u,s所对应的小波系数，描述信号在位置u附近以尺度s的振动，本实施例中采用的Morlet小波变换的公式如下： 

$\psi \left(t\right)={\pi }^{-1/4}(e^{-{\mathrm{j\omega }}_{0}t}-e^{-{\omega }_0^2/2})e^{{-t}^2/2}.$

b)设置分析频率下限为100Hz和频率上限为5000Hz，选择频率点数为256，得到相应的时频分布，如图6所示。 

c)从图6中可知：永磁直线同步电机Y轴在极限运动状况下，第一个被激起的频率大约在290Hz左右。 

进而，Y轴的控制方法可根据第一个被激起频率的大小对控制方法涉及的低通滤波器的截止频率进行合理选择。此外，也可参照此频率进行控制器参数的计算，如基于极点配置的PID控制器的参数。 

本发明提供的直线伺服系统特征分析方法可用于其它类型的直线电机，本发明对此不作限制。 

上述说明中未作详细说明部分为本专业领域内公开的知识和技术。 

本发明提供的直线伺服系统特征分析方法，采用基于饱和激励信号，进行直线伺服系统的饱和激励实验，准确获取了直线伺服系统的位移信息；采用差分方法分析实际位移数据，获得直线伺服系统的速度信息和加速度信息；采用Morlet小波变换，具有良好的时频局部化特性，能较好地反映出被分析信号的时频特性，有效分析出直线伺服系统在极限运动条件下的频率信息；为运动控制器设计和开发，以及运动规划及控制方法研究提供直接的数据参考依据，实验简便，算法运算量小，易于现场实现，调试过程灵活。 

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。