CN110757882B - 一种基于无传感器伺服压力机全闭环控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于控制技术和塑性成形技术领域，具体涉及到一种基于无传感器伺服压力机全闭环控制系统及方法。本发明整机电控系统中设有工艺曲线插补算法、动力学分析和模型建立模块、非线性预测控制器和鲁棒控制器，伺服驱动器里采用了无位置传感器的速度观测器有龙伯格观测器。将成形工艺曲线与滑块实际位置之差作为动力学分析和模型建立模块的输入，输出的给定转矩作为鲁棒控制器的参数输入，非线性预测控制器取代鲁棒控制器中PI的作用，非线性预测控制器输出为鲁棒控制器的参数输入，鲁棒控制器的输出作为龙伯格观测器的输入，最终实现对滑块的精准位置控制，解决了传统伺服压力机的位置控制模式存在超调的问题。

Description

一种基于无传感器伺服压力机全闭环控制系统及方法

技术领域

本发明属于控制技术和塑性成形技术领域，具体涉及到一种基于无传感器伺服压力机全闭环控制系统及方法。

背景技术

现阶段，在金属成型领域，伺服电机动力系统已经被广泛使用，但使用的方式截然不同。现阶段，最常用的伺服压力机滑块位置控制方式为半闭环控制，即采用编码器作为曲轴角度闭环反馈的传感器，驱动系统由伺服电机和伺服驱动器组成，此种控制方式的问题是不以滑块实际位置作为反馈对象。伺服压力机包括两个动力部分组成，微调控制单元和主驱动动力系统。微调控制单元可在伺服压力机的工作过程中进行自动调模或者设定闭模高度。主驱动力系统则由压力机伺服电机自身的编码器对伺服电机输出轴角度进行反馈检测，同时连于曲轴上的光电编码器对曲轴的角度进行反馈检测，构成伺服压力机控制系统的半闭环控制。有些系统会采用直线式光栅尺传感器，但只是进行校准或者衡量准确度之用，不参与控制系统运算和反馈。如扬州智科光机电技术开发中心有限公司的发明专利申请CN102320157，公开了全闭环的控制方式，明确写出了具体的控制过程，但该种伺服压力机的控制方式明显存在着以下四个缺陷：一是下死点的控制方法采用了比较模块和阈值模块，会导致滑块实际位置已经超过了下死点位置的情况，致使工件极易褶皱或者破裂；二是由于只对下死点进行控制作用，伺服驱动器并没有针对伺服压力机的整机行程范围内的其他位置进行调节，会严重影响冲压行程的速度和效率；三是该专利以在曲轴处采集的角度作为下死点控制，由于伺服压力机的装配工艺、运动间隙和设计公差的多重要求，在滑块真实运动过程中会出现与曲轴角度存在偏差的情况，该控制方法不能解决此类精度问题；四是由于采用光电编码器反馈电机位置信号，易受电磁干扰和噪声影响，会对伺服驱动器控制上产生影响，系统可靠性也会下降。从根本上讲，伺服压力机的滑块位置控制精度仍然没有解决，并且系统可靠性还不是很高。

发明内容

本发明为解决现有技术的不足，提供一种基于无传感器伺服压力机全闭环控制系统及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于无传感器伺服压力机全闭环控制系统，包括伺服压力机，伺服压力机具有整机电控系统，整机电控系统与人机交互平台通讯连接，整机电控系统控制伺服驱动器，伺服驱动器通过电缆连接伺服电机，伺服电机通过联轴器与减速机构刚性连接，减速机构连接连杆机构，连杆机构带动滑块运动，滑块两侧安装平衡缸，所述整机电控系统内包括工艺曲线插补算法、动力学分析和模型建立模块、非线性预测控制器和鲁棒控制器；所述伺服驱动器控制方法包括龙伯格观测器；所述滑块位置附近安装滑块位置传感器，滑块位置传感器将滑块实际位置信息反馈给整体电控系统，其中：

人机交互平台：输入工艺曲线关键点，将工艺曲线关键点传递给整机电控系统，并对关键状态信息进行显示。

动力学分析和模型建立模块：建立伺服压力机的运动学和动力学模型，输入是成形工艺曲线与滑块实际位置之差，输出为动力学计算输出的给定转矩，并将给定转矩作为鲁棒控制器的参数输入。

非线性预测控制器：取代鲁棒控制器中PI的作用，将给定的成形工艺曲线与滑块实际位置之差的绝对值作为价值函数的输入参数，实现其最优二次型的求解最佳解；非线性预测控制器输出为鲁棒控制器的参数输入。

鲁棒控制器：输入为成形工艺曲线与滑块实际位置之差、动力学分析和模型建立模块输出的给定转矩、滑块运动过程中连杆曲柄产生的间隙和压力机的机体变形造成的干扰，完成带有干扰的平滑输出，输出为电机转矩。

龙伯格观测器：输入为鲁棒控制器输出的电机转矩，根据伺服电机的状态方程、控制原理，配置其极点达到可观的控制效果，并能根据设定不同的极点，控制转速估算的动态性能，实现对滑块位置的精准控制。

优选的，所述鲁棒控制器采用滑模控制器。

优选的，所述非线性预测控制器采用广义预测控制技术。

优选的，所述滑块位置传感器安装在比滑块运行行程大的范围内。

优选的，所述滑块位置传感器为高精度的光栅尺或者磁式直线式位置传感器。

基于上述无传感器伺服压力机全闭环控制系统，一种基于无传感器伺服压力机全闭环控制方法，包括以下步骤：

步骤一：在人机交互平台输入压力机的工艺曲线关键点，传递给伺服压力机的整机电控系统，通过整机电控系统内的工艺曲线插补算法生成成形工艺曲线，将成形工艺曲线与滑块实际位置之差作为整机电控系统控制指令位置输入；滑块实际位置由滑块位置传感器采集后反馈给整机电控系统。

步骤二：在整机电控系统中的动力学分析和模型建立模块中，以成形工艺曲线与滑块实际位置之差作为运动学和动力学模型的输入，建立伺服压力机的数学模型；动力学分析和模型建立模块根据动力学计算并输出给定转矩，给定转矩作为鲁棒控制器的输入。

步骤三：以上述的成形工艺曲线与滑块实际位置之差的绝对值作为非线性预测控制器价值函数的输入参数，实现其最优二次型的求解最佳解，非线性预测控制器输出则作为鲁棒控制器的参数输入。

步骤四：鲁棒控制器输入为成形工艺曲线与滑块实际位置之差、动力学分析和模型建立模块输出的给定转矩、滑块运动过程中连杆曲柄产生的间隙和压力机的机体变形造成的干扰，输出为电机转矩。

步骤五：将上述鲁棒控制器输出的电机转矩作为龙伯格观测器的输入，在伺服驱动器中实现基于龙伯格观测器的无位置传感器控制算法以驱动伺服电机运行，最终实现对滑块位置的精准控制。

所述步骤二中，输出的给定转矩为电机转矩或者可线性转化成为转矩的结果。

本发明的有益效果：

一、从根本上解决了伺服压力机滑块的控制精度问题，实现了伺服压力机从伺服电机到最终执行机构滑块的全闭环控制，滑块绝对位置控制精度从0.1mm提高到0.01mm，重复定位精度可在原有控制精度基础上提高一个数量级。

二、压力机的全行程范围内都可实现对滑块速度和位置的精确控制，克服了齿轮间隙和机身变形等情况的影响。

三、取消了电机的位置编码器反馈，控制系统的可靠性和抗干扰性大大提高。

四、解决了传统伺服压力机位置控制模式存在超调的问题。

附图说明

图1为本发明伺服压力机的全闭环基本架构示意图。

图2为基于无传感器的伺服压力机的全闭环控制方法框架图。

图中，1整机电控系统，2人机交互平台，3伺服驱动器，4伺服电机，5平衡缸，6滑块，7滑块位置传感器。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均属于本发明的保护范围。

本发明采用的全新控制方法，为基于无传感器的伺服压力机全闭环位置控制方法。该方法采用的伺服压力机的系统硬件架构图如附图1所示，伺服电机4的位置传感器不再采用，而是根据检测的电流和电压信号，进行模型重构，可估算出当前的电机位置、速度和转矩值。

本发明基于无传感器的伺服压力机全闭环伺服控制系统包括伺服压力机，所述伺服压力机具有整机电控系统1，整机电控系统1是整个系统的控制核心，可进行压力机逻辑单元的控制和信号处理。整机电控系统1与人机交互平台2通讯连接，可交互通讯，人机交互平台2可输入工艺曲线关键点，将工艺曲线关键点传递给整机电控系统1，并对关键状态信息进行显示。整机电控系统1连接控制伺服驱动器3，伺服驱动器3通过电缆连接伺服电机4，伺服电机4通过联轴器刚性连接减速机构，减速机构输出轴与曲轴单元相连接，曲柄的末端与连杆机构的公共端通过销轴三点合一，下端的连杆通过球形瓦片与滑块6内机械装置连接。滑块6两侧安装平衡缸5。上述为伺服压力机现有结构，这里不再赘述其结构与原理。

本发明在滑块6位置附近安装滑块位置传感器7，滑块位置传感器7安装在比滑块6运行行程大的范围内，可准确检测其位置。优选在滑块6位置附近安装高精度的光栅尺或者磁式直线式位置传感器以提供滑块实际位置的反馈信息，并能直接将滑块实际位置的反馈信息采集到整机电控系统1中。本发明取消了现有的伺服电机4处的电机位置传感器，进而在伺服驱动器3里加入了无位置传感器的控制算法。

上述整机电控系统1内具有工艺曲线插补算法，输入的工艺曲线关键点利用工艺曲线插补算法实现生成成形工艺曲线。

上述整机电控系统1中具有动力学分析和模型建立模块，动力学分析和模型建立模块可利用理论力学的拉格朗日定理、哈密顿原理和雅可比矩阵等，建立伺服压力机的运动学和动力学模型。动力学分析和模型建立模块输入是成形工艺曲线与滑块实际位置之差，输出为动力学计算输出的给定转矩，即电机转矩或者可线性转化成为转矩的结果，此输出的给定转矩作为鲁棒控制器的输入。

上述整机电控系统1中还具有非线性预测控制器和鲁棒控制器。

上述非线性预测控制器采用广义预测控制的技术方案，主要是实现鲁棒控制器中PI的替代作用，尽可能使得在全范围内实现滚动时域优化和选取最佳输出。非线性预测控制器可增加线性约束，输入为成形工艺曲线与滑块实际位置之差，将给定的成形工艺曲线与滑块实际位置之差的绝对值作为价值函数的输入参数，可实现其最优二次型的求解最佳解，使得伺服压力机的位置控制中不出现超调。非线性预测控制器输出则作为鲁棒控制器的参数输入。

上述鲁棒控制器的作用是尽可能保持系统的稳定性和鲁棒性。将成形工艺曲线与滑块实际位置之差、动力学分析和模型建立模块输出的给定转矩、滑块6运动过程中连杆曲柄产生的间隙和压力机的机体变形造成的干扰输入到鲁棒控制器中，完成带有干扰的平滑输出，输出为电机转矩。鲁棒控制器则是采用了滑模控制器，因为滑模控制中鲁棒性强，在滑模面周边的控制结果最终都能收敛到该滑模面上，并且能选择不同的控制率得到不同的收敛速度。

上述伺服驱动器3里控制方法包括龙伯格观测器，鲁棒控制器输出的电机转矩作为龙伯格观测器的输入。龙伯格观测器是一种无电机位置传感器的电机控制算法，可根据伺服电机4的状态方程，根据控制原理，配置其极点达到可观的控制效果，并能根据设定不同的极点，可控制转速估算的动态性能。从而在伺服驱动器3里实现了一种基于龙伯格观测器的无位置传感器控制算法，实现通过对输出电流的控制进而控制伺服电机4，最终实现对滑块6位置的精准控制。

本发明一种基于无传感器伺服压力机全闭环控制方法，在上述基于无传感器伺服压力机全闭环控制系统中实现，具体包括以下步骤：

步骤一：在人机交互平台2由伺服压力机的用户输入压力机的工艺曲线关键点，传递给伺服压力机的整机电控系统1，通过分段多项式曲线插补算法生成平滑的压力机成形工艺滑块运动曲线，即成形工艺曲线，将成形工艺曲线与滑块实际位置之差作为伺服压力机的整机电控系统1控制指令位置输入；滑块实际位置由滑块位置传感器7采集后反馈给整机电控系统1。

步骤二：在整机电控系统1中的动力学分析和模型建立模块中，以成形工艺曲线与滑块实际位置之差作为运动学和动力学模型的输入，运动学和动力学模型建立包括利用拉格朗日定理、哈密顿定理和雅可比矩阵等，建立伺服压力机的数学模型，结合几何限制和完整约束关系，选择合理自由度为1，可利用曲柄角度直接将曲柄连杆的表达式简化为数学方程的形式。

动力学分析和模型建立模块根据动力学计算并输出给定转矩，输出的给定转矩为电机转矩或者可线性转化成为转矩的结果，此输出的给定转矩作为鲁棒控制器的输入。如下：

其中Γ＝T-L，T为伺服压力机的传动部件动能和，L为伺服压力机的传动部件势能和，θ为伺服压力机的曲轴角度或者选取的关键角度，τ为计算输出的给定转矩。

步骤三：以上述的成形工艺曲线与滑块实际位置之差的绝对值作为非线性预测控制器价值函数的输入参数，可实现其最优二次型的求解最佳解，非线性预测控制器输出则作为鲁棒控制器的参数输入。

上述非线性预测控制器采用广义预测控制的技术方案，其作用主要是取代鲁棒控制器中的PI，尽可能使得在全范围内实现滚动时域优化和选取最佳输出，并能为位置控制提供足够的约束条件，而使得伺服压力机的位置控制中不出现超调。

步骤四：鲁棒控制器采用滑模控制器，输入为成形工艺曲线与滑块实际位置之差、动力学分析和模型建立模块输出的给定转矩、滑块6运动过程中连杆曲柄产生的间隙和压力机的机体变形造成的干扰，输出为电机转矩。鲁棒控制器的作用是尽可能保持系统的稳定性和鲁棒性，同时鲁棒控制器可将滑块6运动过程中连杆曲柄产生的间隙和压力机的机体变形作为干扰输入到其中，完成带有干扰的平滑输出，实现过程亦在整机电控系统1中进行。

步骤五：将上述鲁棒控制器输出的电机转矩作为龙伯格观测器的输入，在伺服驱动器3中实现基于龙伯格观测器的无位置传感器控制算法，实现通过对输出电流的控制进而控制伺服电机4，最终实现对滑块6位置的精准控制。

龙伯格观测器是一种现有的无电机位置传感器的电机控制算法，可按如下方式实现：

感应电机的状态方程可写为

px＝Ax+Bu (2)

y＝Cx (3)

其中x＝[i_sα，i_sβ，ψ_rα，ψ_rβ]，u＝[u_sα，u_sβ]，y＝[i_aα，i_sβ]；六个变量i_sα、i_sβ、ψ_rα、ψ_rβ、u_sα、u_sβ依次为两相静止坐标系下的alpha相电流、beta相电流、alpha相磁链、beta相磁链、alpha相电压、beta相电压；p代表微分算子；

其中

L_r转子电感，L_s定子电感，L_m互感，R_s定子电阻，R_r转子电阻，ω_r转子速度。

选择以定子电流和转子磁链为状态变量构造感应电机的全阶观测器模型为：

其中

g₁＝(k-1)*(a11+a22)，

g₂＝(k-1)*ω_r，

g₄＝-ω_r*(k-1)*a22，

e_iαs代表alpha相电流估计值与实际检测值之差，e_iβs代表beta相电流估计值与实际检测值之差，k表示第k步。

上述，上标为“^”的表示估计值，

表示转子速度的估计值。

最终在伺服驱动器3里实现了一种基于龙伯格观测器的无位置传感器控制算法，实现对滑块6位置的精准控制。

本发明基于传感器的伺服压力机全闭环伺服控制方法能准确的控制伺服压力机滑块6的位置，且无超调发生；滑块6运行过程中的动态性能大大提升，该控制方法的效率远大于现有控制方法；与现有的电机反馈信号存在相比，系统的EMC性能和抗扰能力也得以改善，伺服电机4控制成本大幅降低；由于采用了鲁棒控制器，系统稳定性和鲁棒性也大幅提高。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于无传感器伺服压力机全闭环控制系统，包括伺服压力机，伺服压力机具有整机电控系统，整机电控系统与人机交互平台通讯连接，整机电控系统控制伺服驱动器动作，伺服驱动器通过电缆连接伺服电机，伺服电机通过联轴器刚性连接减速机构，减速机构与连杆机构相连，连杆机构带动滑块上下运行，滑块两侧安装平衡缸，其特征在于：所述整机电控系统内包括工艺曲线插补算法、动力学分析和模型建立模块、非线性预测控制器和鲁棒控制器；所述伺服驱动器里具有龙伯格观测器；所述滑块位置附近安装滑块位置传感器，滑块位置传感器将滑块实际位置信息反馈给整机电控系统，其中：

人机交互平台：输入工艺曲线关键点，将工艺曲线关键点传递给整机电控系统，并对关键状态信息进行显示；

动力学分析和模型建立模块：建立伺服压力机的运动学和动力学模型，输入是成形工艺曲线与滑块实际位置之差，输出为动力学计算输出的给定转矩，并将给定转矩作为鲁棒控制器的参数输入；

非线性预测控制器：取代鲁棒控制器中PI的作用，将给定的成形工艺曲线与滑块实际位置之差的绝对值作为价值函数的输入参数，实现其最优二次型的求解最佳解；非线性预测控制器输出为鲁棒控制器的参数输入；

鲁棒控制器：输入为成形工艺曲线与滑块实际位置之差、动力学分析和模型建立模块输出的给定转矩、 滑块运动过程中连杆曲柄产生的间隙和压力机的机体变形造成的干扰，完成带有干扰的平滑输出，输出为电机转矩；

龙伯格观测器：输入为鲁棒控制器输出的电机转矩，根据伺服电机的状态方程、控制原理，配置其极点达到可观的控制效果，并能根据设定不同的极点，控制转速估算的动态性能，实现对滑块位置的精准控制。

2.根据权利要求1所述的基于无传感器伺服压力机全闭环控制系统，其特征在于：所述鲁棒控制器采用滑模控制器。

3.根据权利要求1所述的基于无传感器伺服压力机全闭环控制系统，其特征在于：所述非线性预测控制器采用广义预测控制技术。

4.根据权利要求1所述的基于无传感器伺服压力机全闭环控制系统，其特征在于：所述滑块位置传感器安装在比滑块运行行程大的范围内。

5.根据权利要求1所述的基于无传感器伺服压力机全闭环控制系统，其特征在于：所述滑块位置传感器为高精度的光栅尺或者磁式直线式位置传感器。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于无传感器伺服压力机全闭环控制系统，一种基于无传感器伺服压力机全闭环控制方法，包括以下步骤：

步骤一：在人机交互平台输入压力机的工艺曲线关键点，传递给伺服压力机的整机电控系统，通过整机电控系统内的工艺曲线插补算法生成成形工艺曲线，将成形工艺曲线与滑块实际位置之差作为整机电控系统控制指令位置输入；滑块实际位置由滑块位置传感器采集后反馈给整机电控系统；

步骤二：在整机电控系统中的动力学分析和模型建立模块中，以成形工艺曲线与滑块实际位置之差作为运动学和动力学模型的输入，建立伺服压力机的数学模型；动力学分析和模型建立模块根据动力学计算并输出给定转矩，给定转矩作为鲁棒控制器的输入；

步骤三：以上述的成形工艺曲线与滑块实际位置之差的绝对值作为非线性预测控制器价值函数的输入参数，实现其最优二次型的求解最佳解，非线性预测控制器输出则作为鲁棒控制器的参数输入；

步骤四：鲁棒控制器输入为成形工艺曲线与滑块实际位置之差、动力学分析和模型建立模块输出的给定转矩、滑块运动过程中连杆曲柄产生的间隙和压力机的机体变形造成的干扰，输出为电机转矩；

步骤五：将上述鲁棒控制器输出的电机转矩作为龙伯格观测器的输入，在伺服驱动器中实现基于龙伯格观测器的无位置传感器控制算法以驱动伺服电机运行，最终实现对滑块位置的精准控制。

7.根据权利要求6所述的基于无传感器伺服压力机全闭环控制方法，其特征在于：所述步骤二中，输出的给定转矩为电机转矩或者可线性转化成为转矩的结果。

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