基于飽和激勵(lì)信號(hào)的直線伺服系統(tǒng)特征分析方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種直線伺服系統(tǒng)特征分析方法，根據(jù)直線伺服系統(tǒng)的電氣和機(jī)械特征，選擇飽和激勵(lì)信號(hào)、幅值及持續(xù)時(shí)間；在幅值和持續(xù)時(shí)間下，進(jìn)行直線伺服系統(tǒng)的飽和激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，并記錄直線伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向上的實(shí)際位移數(shù)據(jù)；通過(guò)差分方法分析實(shí)際位移數(shù)據(jù)，獲取直線伺服系統(tǒng)在極限運(yùn)動(dòng)狀況下直線伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向上的速度數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)；通過(guò)Morlet小波變換分析加速度數(shù)據(jù)，得到直線伺服系統(tǒng)在極限運(yùn)動(dòng)狀況下的頻率數(shù)據(jù)；為運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，以及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及控制方法研究提供直接的數(shù)據(jù)參考依據(jù)。本發(fā)明提供一種直線伺服系統(tǒng)特征分析方法實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便，算法運(yùn)算量小，易于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，調(diào)試過(guò)程靈活。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于飽和激勵(lì)信號(hào)的直線伺服系統(tǒng)特征分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是運(yùn)動(dòng)控制【技術(shù)領(lǐng)域】的系統(tǒng)特征分析方法，具體是一種基于飽和激勵(lì)信號(hào)的直線伺服系統(tǒng)特征分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，直線電機(jī)革命性的特點(diǎn)是直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，省去了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)。直線電機(jī)憑借其高推重比、高剛度、高加速度和高精度等特點(diǎn)，成為高加速高速高精度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)裝備的主流核心部件，在高端數(shù)控機(jī)床、IC封裝與制造及微電子等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的不斷提高，相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的加速度、速度和定位精度的要求越來(lái)越高。這給運(yùn)動(dòng)控制開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，它需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制器能夠在合理利用直線伺服系統(tǒng)特征的前提下，實(shí)現(xiàn)高加速高速高精度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)裝備的生產(chǎn)要求。
[0003]直線伺服系統(tǒng)是一個(gè)集機(jī)、電、磁和熱能等多種能量形式于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。直線電機(jī)作為系統(tǒng)的主要組成部分，其性能不僅與本身的機(jī)、電、磁等特性相關(guān)，而且與機(jī)械系統(tǒng)息息相關(guān)。因此傳統(tǒng)的針對(duì)電機(jī)或機(jī)械系統(tǒng)單獨(dú)研究很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體特征分析。在控制領(lǐng)域，研究人員所關(guān)心的直線伺服系統(tǒng)特征是指其系統(tǒng)極限運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度信息、力口速度信息及頻率信息等。在運(yùn)動(dòng)控制器開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如何確定直線伺服系統(tǒng)在極限運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度信息、加速度信息及頻率信息成為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員的首要解決問(wèn)題。
[0004]在控制領(lǐng)域中，常采用線性或?qū)?shù)掃頻方法測(cè)定伺服系統(tǒng)的固有頻率，用以表征伺服系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的頻率信息。然而，這些方法在獲得頻率信息的同時(shí)，很難獲取更多的系統(tǒng)特征，如速度信息和加速度信息。為了獲取伺服系統(tǒng)的速度信息和加速度信息，測(cè)試人員需要更多的方法及實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。此外，通過(guò)此類(lèi)方法獲取的固有頻率，并不能直接代表伺服系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的頻率信息。
[0005]經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，Kim等在文獻(xiàn) “Design and performance tuning of sliding-modecontroller for high-speed and high-accuracy positioning systems in disturbanceobserver framework，，(IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56 (10):3798-3809.)中通過(guò)計(jì)算動(dòng)態(tài)模型參數(shù)的方式獲取被控對(duì)象的固有頻率來(lái)表征運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的頻率信息，但是這種方法需要準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型參數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中的可操作性不強(qiáng)。
[0006]綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中采用固有頻率來(lái)表征運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的頻率信息，很難準(zhǔn)確表征運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的頻率信息；此外獲得頻率信息的同時(shí)，很難獲取其它系統(tǒng)特征，如速度信息和加速度信息，因而影響運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種基于飽和激勵(lì)信號(hào)的直線伺服系統(tǒng)特征分析方法。該方法不僅能有效獲取極限運(yùn)動(dòng)狀況下直線伺服系統(tǒng)的速度信息和加速度信息，而且可準(zhǔn)確分析直線伺服系統(tǒng)在相同極限運(yùn)動(dòng)條件下的頻率信息，為運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，以及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及控制方法研究提供直接的數(shù)據(jù)參考依據(jù)。
[0008]本發(fā)明提供一種直線伺服系統(tǒng)特征分析方法，包括:
[0009](1)根據(jù)直線伺服系統(tǒng)的電氣和機(jī)械特征，選擇飽和激勵(lì)信號(hào)、幅值及持續(xù)時(shí)間；
[0010](2)在幅值和持續(xù)時(shí)間下，進(jìn)行直線伺服系統(tǒng)的飽和激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，并記錄直線伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向上的實(shí)際位移數(shù)據(jù)；
[0011](3)通過(guò)差分方法分析實(shí)際位移數(shù)據(jù)，獲取直線伺服系統(tǒng)在極限運(yùn)動(dòng)狀況下直線伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向上的速度信息和加速度信息；
[0012](4)通過(guò)Morlet小波變換分析步驟(3)中獲取的加速度信息，得到直線伺服系統(tǒng)在極限運(yùn)動(dòng)狀況下的頻率信息；
[0013]極限運(yùn)動(dòng)狀況為直線伺服系統(tǒng)加上飽和激勵(lì)信號(hào)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀況。
[0014]進(jìn)一步地，步驟(1)中飽和激勵(lì)信號(hào)為飽和電壓激勵(lì)信號(hào)或者飽和電流激勵(lì)信號(hào)。
[0015]進(jìn)一步地，直線伺服系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及附屬裝置。
[0016]進(jìn)一步地，步驟(2)中進(jìn)行直線伺服系統(tǒng)的飽和激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，包括以下步驟:
[0017](21)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送飽和激勵(lì)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)直線伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)；
[0018](22)記錄非接觸式光柵尺反饋信號(hào)，非接觸式光柵尺反饋信號(hào)為相應(yīng)的實(shí)際位移數(shù)據(jù)。
[0019]進(jìn)一步地，步驟(22)中飽和激勵(lì)信號(hào)為飽和電壓激勵(lì)信號(hào)，飽和電壓激勵(lì)信號(hào)的幅值為±10V，正負(fù)飽和電壓的持續(xù)時(shí)間均為5ms。
[0020]進(jìn)一步地，步驟(22)中記錄非接觸式光柵尺反饋信號(hào)時(shí)，選擇有效保存長(zhǎng)度。通過(guò)選擇有效的保存長(zhǎng)度，在存儲(chǔ)容量一定的條件下，可以確定保存位移數(shù)據(jù)的數(shù)量。
[0021]進(jìn)一步地，有效保存長(zhǎng)度為200。
[0022]進(jìn)一步地，步驟(4)包括步驟:
[0023](41)連續(xù)小波變換是信號(hào)與小波函數(shù)的內(nèi)積:
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種直線伺服系統(tǒng)特征分析方法，其特征在于，所述方法包括: (1)根據(jù)直線伺服系統(tǒng)的電氣和機(jī)械特征，選擇飽和激勵(lì)信號(hào)、幅值及持續(xù)時(shí)間； (2)在所述幅值和所述持續(xù)時(shí)間下，進(jìn)行所述直線伺服系統(tǒng)的飽和激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，并記錄所述直線伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向上的實(shí)際位移數(shù)據(jù)； (3)通過(guò)差分方法分析所述實(shí)際位移數(shù)據(jù)，獲取所述直線伺服系統(tǒng)在極限運(yùn)動(dòng)狀況下的所述直線伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向上的速度信息和加速度信息； (4)通過(guò)Morlet小波變換分析步驟(3)中獲取的所述加速度信息，得到所述直線伺服系統(tǒng)在極限運(yùn)動(dòng)狀況下的頻率信息； 所述極限運(yùn)動(dòng)狀況為所述直線伺服系統(tǒng)加上所述飽和激勵(lì)信號(hào)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀況。
2.如權(quán)利要求1所述的直線伺服系統(tǒng)特征分析方法，其特征在于，步驟(1)中所述飽和激勵(lì)信號(hào)為飽和電壓激勵(lì)信號(hào)或者飽和電流激勵(lì)信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的直線伺服系統(tǒng)特征分析方法，其特征在于，所述直線伺服系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及附屬裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的直線伺服系統(tǒng)特征分析方法，其特征在于，步驟(2)中進(jìn)行所述直線伺服系統(tǒng)的飽和激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，包括以下步驟: (21)通過(guò)所述運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送所述飽和激勵(lì)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)所述直線伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)； (22)記錄非接觸式光柵尺反饋信號(hào)，所述非接觸式光柵尺反饋信號(hào)為相應(yīng)的實(shí)際位移數(shù)據(jù)。
5.如權(quán)利要求4所述的直線伺服系統(tǒng)特征分析方法，其特征在于，步驟(22)中所述飽和激勵(lì)信號(hào)為飽和電壓激勵(lì)信號(hào)，所述飽和電壓激勵(lì)信號(hào)的幅值為土 10V，正負(fù)飽和電壓的持續(xù)時(shí)間均為5ms。
6.如權(quán)利要求4所述的直線伺服系統(tǒng)特征分析方法，其特征在于，步驟(22)中記錄所述非接觸式光柵尺反饋信號(hào)時(shí)，選擇有效保存長(zhǎng)度。
7.如權(quán)利要求5所述的直線伺服系統(tǒng)特征分析方法，其特征在于，所述有效保存長(zhǎng)度為 200。
8.如權(quán)利要求1所述的直線伺服系統(tǒng)特征分析方法，其特征在于，步驟(4)包括步驟: (41)連續(xù)小波變換是信號(hào)與小波函數(shù)的內(nèi)積:
9.如權(quán)利要求8所述的直線伺服系統(tǒng)特征分析方法，其特征在于，步驟(41)中采用的Morlet小波變換的公式為:


10.如權(quán)利要求8所述的直線伺服系統(tǒng)特征分析方法，其特征在于，步驟(42)中所述頻率下限為1OOHz，所述頻率上限為5000Hz，所述頻率點(diǎn)數(shù)為256。
【文檔編號(hào)】G05B23/02GK103792936SQ201410014394
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月13日
【發(fā)明者】熊振華, 劉超, 吳建華, 孫宇昕, 朱向陽(yáng) 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)