[发明专利]一种基于自适应陷波的机械谐振在线抑制系统

说明书

本发明公开了一种基于自适应陷波的机械谐振在线抑制系统，采用FPGA实现快速傅里叶变换，利用其高速的运算能力缩减了计算时间，满足了实时性的要求，实现机械谐振特征的在线辨识。设计了基于FPGA的机械谐振特征辨识的具体方案，研究了快速傅里叶变换在FPGA中的实现；最终通过在线调试验证了FPGA中实现快速傅里叶变换的准确性和实时性，并在Simulink中搭建模型，验证了谐振特征在线辨识方案的可行性，具有推广应用的价值。

技术领域

本发明涉及机械技术领域尤其涉及一种基于自适应陷波的机械谐振在线抑制系统。

背景技术

在伺服系统中被动方式的机械谐振抑制主要是指不改变控制系统的机构或者参数，在系统中加入滤波器环节来进行谐振的抑制，对指令进行滤波器处理，进而对谐振进行抑制。主要的方法有低通滤波器、陷波滤波器等。

伺服系统频率特性的获取方法分为直接测量法、离线辨识与在线辨识。直接测量方法是通过安装相应的传感器，例如利用激光多普勒效应的测量仪器，可以直接得到传动轴的振动数据。这种方法可以直接得到谐振的特征，但是成本较高，而且实现比较复杂，不适合在工业现场使用。

离线辨识主要方法为扫频法，常用正弦扫频法，对伺服系统施加不同频率的正弦激励信号，得到不同的响应，从而辨识得到频率特性，扫频法稳定可靠，方法简单，易于理解，但是存在测试时间长，而且有低频漂移的问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于自适应陷波的机械谐振在线抑制系统。将电机、负载以及传动部分简化为二质量系统，对其进行建模分析，在二质量系统模型的基础上分析伺服系统机械谐振产生的原因，研究惯量比、刚性系数对振动特性的影响，设计了基于自适应陷波的机械谐振在线抑制系统。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括谐振特征在线辨识和谐振动态抑制，所述谐振特征在线辨识需要具备实时性，利用FPGA硬件实现FFT，使傅里叶变换在毫秒级别可以完成计算；通过对i_q进行FFT得到其频谱，依据交轴电流频谱，判断是否产生谐振以及得到谐振的频率和幅值；伺服系统的速度环控制周期在200us，陷波滤波器的阶数较低，能在控制周期内完成陷波处理，在电流控制回路中加入陷波滤波器，对交轴电流指令进行滤波，抑制谐振频率附近的增益，根据谐振特征辨识的结果计算陷波中心频率f_n、陷波宽度k、陷波深度ξ这三个参数，并动态更新参数，完成自适应陷波，实现对谐振的动态抑制。

所述谐振特征的在线辨识需要根据转速或者转矩的振荡分析出谐振的幅值和频率，而且要满足在线的实时性，因此，在伺服系统控制中，采用矢量控制，定子电流解耦为dq坐标系下的直轴电流和交轴电流，电磁转矩与交轴电流成正比。控制结构从外到内为速度环和电流环，采用i_d＝0的控制策略，速度环的输出即为交轴电流i_q的指令；所以对交轴电流进行FFT，可以得到其频谱，分析频谱，找到其中幅值最大的频率成分，判断是否产生谐振并且得到谐振的频率及幅值。

所述FPGA中实现硬件电流环，对伺服电机的AB相电流进行采样，采样的频率在200kSPS左右；经过Clark和Park变换之后得到i_d、i_q，由于Clark、Park变换都在FPGA中实现，速度很快，交轴电流i_q以200kHz左右的频率更新。所以谐振频率辨识范围最大为100kHz左右，考虑到频率辨识的精度以及范围，对交轴电流进行一定频率的采样，并缓存到双口RAM中，快速傅里叶变换对傅里叶变换进行了优化，减少了计算的次数，且得益于硬件实现的快速性，使FPGA中快速傅里叶变换的计算时间基本上在毫秒级别，满足在线辨识的要求，在得到交轴电流频谱之后，对其进行进一步分析，计算实际的谐振频率以及幅值；