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CN113858674A - 一种伺服压力机滑块位置控制及估算滑块压力的方法 - Google Patents

一种伺服压力机滑块位置控制及估算滑块压力的方法 Download PDF

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CN113858674A CN202111471485.9A CN202111471485A CN113858674A CN 113858674 A CN113858674 A CN 113858674A CN 202111471485 A CN202111471485 A CN 202111471485A CN 113858674 A CN113858674 A CN 113858674A
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Abstract

本发明属于伺服压力机技术领域，具体涉及到一种伺服压力机滑块位置控制及估算滑块压力的方法。本发明通过控制算法直接估算伺服压力机的滑块压力，将电机负载转矩估算值的计算加入到伺服电机控制算法中的给定值上，极大程度地改善了伺服压力机系统突然遇到大负载和工件加压时的转矩跟随情况及电机响应速度，使得成形过程中的工艺曲线跟随性能大大提高。

Description

一种伺服压力机滑块位置控制及估算滑块压力的方法
技术领域
本发明属于伺服压力机技术领域，具体涉及到一种伺服压力机滑块位置控制及估算滑块压力的方法。
背景技术
在压力机成形过程中，滑块受到工件成形的反作用力后会造成电机跟随误差增大，影响压力机工艺曲线的成形过程。公布号CN110757882、《一种基于无传感器伺服压力机全闭环控制系统及方法》，在伺服压力机的系统中利用了动力学模型、鲁棒控制器和非线性预测控制器，实现了伺服压力机的全闭环控制，采用了非线性控制方法和鲁棒控制器，能有效减小压力机传动系统的间隙和压力机机体变形引起的非线性造成的系统干扰，但不会减少工件成形过程中的电机跟随误差。申请号2019110499184、《一种伺服压力机的压力故障检测系统及方法》，描述了一种伺服压力机的压力检测办法，不但能实际诊断故障，还可实时的监测压力值，但此方案在运用过程中，还需在硬件系统中增加至少2个压力传感器检测应变片，中大型压力机中至少需要4个压力传感器检测应变片，每个压力机传感器检测应变片都会对应一个压力检测变送装置，导致控制系统的硬件成本增加。
发明内容
本发明为解决现有技术的不足，提供一种伺服压力机滑块位置控制方法及估算滑块压力的方法。
本发明的伺服压力机滑块位置控制方法包括以下步骤：
步骤S1：在伺服压力机人机交互界面上输入工艺曲线关键点，传递给伺服压力机的整机电控系统；
步骤S2：根据伺服压力机的约束条件将输入的工艺曲线关键点生成符合伺服压力机运动学的成形工艺曲线，成形工艺曲线包括曲柄角度给定、速度给定和加速度给定；
步骤S3：步骤S2的曲柄角度给定、速度给定和加速度给定作为伺服驱动器内动力学分析部分信号输入；伺服驱动器的输出为三相交流电输出信号；伺服驱动器的输出硬件连接到三相电机的输入；在伺服驱动器中采用计算转矩的动力学方法和比例微分控制方法实现压力机非线性动力学控制，得到计算的输出转矩；
步骤S4：将计算的输出转矩除以减速比然后加上估算的电机负载转矩得到电机给定转矩；
步骤S5：电机给定转矩作为伺服电机控制算法的输入信号，预测转矩控制的输入为电机给定转矩，预测转矩控制的输出给了电压型逆变单元，电压型逆变单元输出三相交流控制电机旋转；
步骤S6：在曲柄的轴侧中心位置安装位置传感器，位置传感器采集曲柄的当前位置，通过位置传感器的位置反馈信号的微分获得曲柄的反馈速度信号，通过通讯信号线反馈给伺服电机驱动器中参与控制运算。
作为优选方案：
所述步骤S2中，成形工艺曲线通过工艺曲线插补算法实现。
所述步骤S4中，电机负载转矩采用非线性观测器估算。
所述步骤S5中，伺服电机控制算法采用有限控制集预测转矩控制算法。
本发明还包括一种估算滑块压力的方法，在上述步骤S1-S6的基础上，还包括步骤S7，步骤S7根据伺服压力机的传动机构的机械参数、滑块位置、当前电机负载转矩值通过查表得到当前滑块的压力值。
本发明所要解决的技术问题主要是在伺服压力机成形过程中，滑块受到工件成形的反作用力后，会造成工艺曲线实现过程中电机跟随误差增大的问题。通过本发明所提出的方法，可大幅度减少成形过程中的电机跟随误差，提高工件成形质量。
本发明方法还可在完全不使用压力应变片的基础上，直接通过伺服驱动器的电机转矩估算值可推导计算及查表得到伺服压力机的压力，直接省却了此部分的硬件传感器和变送单元，节约了硬件成本。
本发明在现有伺服压力机的控制系统硬件环境下，不需要增加其他硬件成本，仅更改控制方法即可实现，同时成形过程中的工艺曲线跟随性能大大提高。
本发明通过控制算法直接估算伺服压力机的滑块压力，可大幅减少系统的硬件成本，提高了系统的可靠性和稳定性。
本发明将电机负载转矩估算值的计算加入到伺服电机控制算法中的给定值上，极大程度地改善了伺服压力机系统突然遇到大负载和工件加压时的转矩跟随情况及电机响应速度，尽可能地使得电机反馈跟随工艺曲线的曲柄角度、速度和加速度给定值。
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。
本发明的实现技术方案如下：
步骤S1：在伺服压力机人机交互界面上输入工艺曲线关键点，然后将输入的工艺曲线关键点传递给伺服压力机的整机电控系统。
步骤S2：根据伺服压力机的约束条件将人机交互界面输入的工艺曲线关键点生成符合伺服压力机运动学的成形工艺曲线，成形工艺曲线包括曲柄角度给定、速度给定和加速度给定。
优选的，成形工艺曲线通过工艺曲线插补算法在伺服压力机的整机电控系统中实现。
步骤S3：上述的曲柄角度给定、速度给定和加速度给定可作为伺服驱动器内动力学分析部分信号输入。其中，伺服驱动器的输出为三相交流电输出信号；伺服驱动器的输出硬件连接到三相电机的输入；在伺服驱动器中采用计算转矩的动力学方法和PD（比例微分）控制方法实现压力机非线性动力学控制，得到计算的输出转矩。
动力学的拉格朗日表达式为：
Figure 82035DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 287888DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 280115DEST_PATH_IMAGE003
为伺服压力机的传动部件动能和，
Figure 883528DEST_PATH_IMAGE004
为伺服压力机的传动部件势能和；
Figure 859574DEST_PATH_IMAGE005
为伺服压力机的曲轴角度或者选取的关键角度；
Figure 603539DEST_PATH_IMAGE006
为计算的输出转矩。
步骤S4：将计算的输出转矩除以减速比然后加上估算的电机负载转矩即得到电机给定转矩。
本实施例优选的电机负载转矩的估算方法采用非线性观测器。伺服压力机的电机负载转矩模型可表述为：
Figure 715852DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 254281DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 452044DEST_PATH_IMAGE009
为伺服压力机的可变化系数，该系数与转动惯量、质量和伺服压力机的传动机构杆长有关系；
Figure 265279DEST_PATH_IMAGE010
为曲柄角度；
Figure 966519DEST_PATH_IMAGE011
为曲柄的速度；
Figure 705542DEST_PATH_IMAGE012
为曲柄的加速度；
Figure 125022DEST_PATH_IMAGE013
为电机的电磁转矩；
Figure 476369DEST_PATH_IMAGE014
为理想的电机负载转矩。
负载转矩可有很多含义，包括摩擦转矩、电机负载作用力转矩、平衡缸作用力矩和非模型里包含的其他动态转矩。其中，电机负载转矩占其中的主要成分。
设计非线性观测器为：
Figure 94433DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 505822DEST_PATH_IMAGE016
为非线性观测器可变参数，经过一系列的数学变换和辅助变量的计算，得到了电机负载转矩的估算值；
Figure 412598DEST_PATH_IMAGE017
为实际估算的电机负载转矩值，理论上
Figure 505319DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 446731DEST_PATH_IMAGE018
几乎相等。
好处和优势：由于电机负载转矩估算值的计算，可加入到伺服电机控制算法中的给定值上，极大程度地改善了伺服压力机系统突然遇到大负载和工件加压时的转矩跟随情况及电机响应速度，尽可能地使得电机反馈跟随工艺曲线的曲柄角度、速度和加速度给定值。
步骤S5：电机给定转矩作为伺服电机控制算法的输入信号。优选伺服电机控制算法采用有限控制集预测转矩控制算法。预测转矩控制的输入为电机给定转矩，预测转矩控制的输出给了VSI（电压型逆变单元），电压型逆变单元输出三相交流控制电机旋转。
步骤S6：在曲柄的轴侧中心位置安装有位置传感器，可采集曲柄的当前位置，通过位置传感器的位置反馈信号的微分可获得曲柄的反馈速度信号，曲柄的反馈速度信号通过通讯信号线反馈给伺服电机驱动器中参与控制运算，从而提高了伺服压力机滑块位置控制精度。
基于上述的控制方法，还可以得到一种估算滑块压力的方法，在上述步骤S1-S6后，还包括步骤S7，步骤S7进行伺服压力机滑块压力的估算，根据伺服压力机的传动机构的机械参数、通过滑块位置、当前电机负载转矩值即可通过查表得到当前滑块的压力值。
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 (5)

1.一种伺服压力机滑块位置的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：在伺服压力机人机交互界面上输入工艺曲线关键点，传递给伺服压力机的整机电控系统；
步骤S2：根据伺服压力机的约束条件将输入的工艺曲线关键点生成符合伺服压力机运动学的成形工艺曲线，成形工艺曲线包括曲柄角度给定、速度给定和加速度给定；
步骤S3：步骤S2的曲柄角度给定、速度给定和加速度给定作为伺服驱动器内动力学分析部分信号输入；伺服驱动器的输出为三相交流电输出信号；伺服驱动器的输出硬件连接到三相电机的输入；在伺服驱动器中采用计算转矩的动力学方法和比例微分控制方法实现压力机非线性动力学控制，得到计算的输出转矩；
步骤S4：将计算的输出转矩除以减速比然后加上估算的电机负载转矩得到电机给定转矩；
步骤S5：电机给定转矩作为伺服电机控制算法的输入信号，预测转矩控制的输入为电机给定转矩，预测转矩控制的输出给了电压型逆变单元，电压型逆变单元输出三相交流控制电机旋转；
步骤S6：在曲柄的轴侧中心位置安装位置传感器，位置传感器采集曲柄的当前位置，通过位置传感器的位置反馈信号的微分获得曲柄的反馈速度信号，通过通讯信号线反馈给伺服电机驱动器中参与控制运算。
2.根据权利要求1所述的伺服压力机滑块位置的控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，成形工艺曲线通过工艺曲线插补算法实现。
3.根据权利要求1所述的伺服压力机滑块位置的控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，电机负载转矩采用非线性观测器估算。
4.根据权利要求1所述的伺服压力机滑块位置的控制方法，其特征在于：所述步骤S5中，伺服电机控制算法采用有限控制集预测转矩控制算法。
5.一种估算滑块压力的方法，基于权利要求1所述的伺服压力机滑块位置的控制方法实现，其特征在于：还包括步骤S7，根据伺服压力机的传动机构的机械参数、滑块位置、当前电机负载转矩值通过查表得到当前滑块的压力值。
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