本发明属于控制技术领域，具体涉及一种伺服控制系统谐振在线抑制的方法及伺服控制系统。
背景技术：
谐振频率是机械结构的固有特性，对伺服控制系统的控制带宽、动态跟踪性能都有重大影响。在不对谐振采取抑制措施的情况下，为了保证系统工作的稳定性，系统的工作带宽就会被抑制在系统的最小谐振频率点以下，这就大大限制了系统的工作带宽，进而影响了系统的动态性能。为了解决机械系统中的谐振问题，科研人员发展了很多抑制谐振的方法，例如常用的方法是在速度环串入低通滤波器来实现机械谐振的抑制。这种结构设计起来比较简单，只需要选择合适的阻尼比和截止频率即可。其中阻尼比的选择是根据幅值裕度和相位裕度来进行合理的选择；而截止频率是根据谐振频率的大小来选择。但是抑振效果不太明显，还会引起相位滞后，不能满足现代伺服控制系统高精的要求。另一种常用方法是基于陷波器的谐振抑制，通过在伺服控制系统的速度环与电流环之间串入一个陷波器，从而降低共振频率处的增益，达到抑制机械共振的效果。陷波器根据参数的不同，分为二参数陷波器和三参数陷波器，其中，最常用的是二参数陷波器，二参数陷波器传递函数的形式为
ωn表示陷波中心频率，ζ表示陷波器的阻尼比，然而，采用二参数陷波器时，陷波器的参数虽然数量少，但是由于其中心频率点的陷波大小变化较大，使得伺服控制系统在性能上受到极大的影响，当伺服控制系统工作时，调节起来会比较麻烦，因此，现有技术中提出了很多方法，来解决传统的二参数陷波器进行伺服控制系统谐振抑制时，难以满足需求的问题。
申请号为201910327030.6的中国专利中公开了一种用于伺服控制系统谐振抑制、陷波参数优化方法，该专利中提出采用三参数的陷波器进行伺服控制系统的谐振抑制，并且通过fft分析，在线对陷波器的参数进行优化，通过fft的分析结果，确定伺服控制系统工作时陷波器的参数。然而，通过对该专利的方法进行分析，发现该专利在采用fft进行陷波器的参数优化时，先对转速差集进行fft分析，得到谐振频率，然后根据谐振频率，确定陷波器的参数。但在实际使用时，发现系统仍然存在相对较大的谐振。经过分析，主要原因是现有技术中对陷波器的参数确定的准确性相对较差，从而使得陷波器不能很好地进行陷波，影响伺服控制系统的稳定性。
技术实现要素：
技术问题：本发明提供一种伺服控制系统谐振在线抑制的方法及伺服控制系统，该抑制方法通过直接对速度环调节器的输出作频谱分析，在线调整陷波器的参数，使得陷波器具有更好的陷波性能，并且将该方法用于伺服控制系统，使得控制系统能够更好地抑制谐振，使得伺服控制系统具有更好的稳定性。
技术方案：本发明的伺服控制系统谐振在线抑制的方法，其特征在于，包括：
设置伺服控制系统响应幅值的阈值；
采集速度环调节器输出的电流指令，对采集的电流指令进行频谱分析，并根据分析结果确定陷波器的陷波参数；
根据所述陷波器的陷波参数确定陷波器的具体传递函数；
将该传递函数应用于所述伺服控制系统的控制环路。
进一步地，采用fft进行频谱分析。
进一步地，所述陷波器的陷波参数包括陷波中心频率、陷波深度和陷波宽度，传递函数的形式为：
式中，ωn表示陷波器的陷波中心频率，ξ表示陷波深度，k表示陷波宽度，s表示复变量。
进一步地，所述陷波中心频率的确定方法为：采集fft分析曲线幅值最高点的处的频率作为陷波器的陷波中心频率。
进一步地，所述陷波深度的确定方法为：
式中，hth表示伺服控制系统响应幅值的阈值，hmax表示fft分析曲线幅值最高点的处幅值。
进一步地，所述陷波宽度的确定方法为：提取fft分析曲线幅值最高点两侧幅值均为所述阈值的两个频率点，所述两个频率点对应的频率分别为ω1和ω2，并根据如下公式确定陷波宽度：
式中，ωn表示陷波中心频率，
进一步地，所述将
进一步地，确定所述陷波器的陷波参数的步骤为：
采集速度调节环输出的电流信号，并统计采集到的数据量，如果数据量超过设定的最少数据量，则执行下一步骤，否则，继续采集；
对采集的数据进行fft分析，并生成fft分析曲线，根据fft分析曲线得到陷波中心频率及相应的幅值；
判断陷波中心频率对应的幅值是否大于伺服控制系统响应幅值的阈值，如果大于所述阈值，则根据fft分析曲线，计算陷波宽度和陷波深度，并开启陷波器，否则，则不计算陷波宽度和陷波深度。
本发明的伺服控制系统，包括：
伺服电机；
编码器，用于采集伺服电机的实际转速，并将采集到的伺服电机的实际转速进行反馈；
速度环调节器，用于将实际输入的转速与所述编码器反馈回的实际转速做差，并输出电流指令；
自适应陷波器，用于对所述速度环调节器输出的电流指令进行陷波，滤除谐振分量，并输出陷波后的电流指令；
fft模块，用于采集所述速度环调节器输出的所述电流指令，进行fft分析，并根据fft分析曲线，得到陷波器的陷波参数，并将所述陷波参数传递给所述陷波器；
电流环调节器，将陷波器输出的电流信号转化为电压信号，所述电压信号驱动所述伺服电机。
进一步地，所述fft模块包括：
数据采集器，用于采集速度环调节器输出的电流信号；
数据记录器，用于统计所述数据采集器采集的数据量，并判断是否满足需要的最少数据量；
数据处理器，采用fft作频谱分析，得到fft分析曲线；
数据提取器，提取fft分析曲线中最高点处的频率作为陷波中心频率ωn，以及对应的幅值，提取最高点两侧幅值均为伺服控制系统响应幅值的阈值的两个频率点对应的频率ω1和ω2；
第一计算器：根据公式
第二计算器：根据公式
第三计算器：根据所述的中心频率、陷波深度和陷波宽度确定传递函数，传递函数的形式为：
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）在传统的伺服系统谐波抑制方法中，大多对速度差进行频谱分析，由于准确性较差导致其并不能很好的抑制伺服系统的谐振。本发明摒弃了传统技术中直接利用速度差进行频谱分析的方法，而是利用电流信号进行频谱分析获得陷波参数；并且是在速度环调节器的输出端进行信号采集，对该输出端的电流信号进行频谱分析，利用分析结果确定陷波器的陷波参数，更符合陷波器的陷波特性，更能有效地对伺服控制系统的谐振进行抑制。
（2）本发明的陷波器的传递函数，引入陷波中心频率、陷波深度及陷波宽度乘积作为传递函数分子中一次项的系数，把陷波中心频率与陷波宽度乘积作为传递函数分母一次项的系数，该传递函数所确定的陷波器能够中和谐振引起的幅值，从而达到更好的谐振抑制效果。
（3）本发明对传统的陷波器进行了改进，并采集速度环调节器输出端的电流信号进行fft分析，根据fft分析曲线，得到陷波器的陷波参数，从而实现陷波器的陷波参数的在线调节。通过对陷波器传递函数形式的改进，能够直接利用陷波器的输入端的信号获取陷波参数，该参数更符合陷波器的陷波特性，使陷波器对伺服系统具有更好的谐振抑制能力，同时也使得伺服系统动态性能得以提升。
附图说明
图1为本发明的伺服控制系统结构示意图；
图2为本发明的伺服控制系统谐振在线抑制方法的流程图；
图3为本发明中确定陷波器的陷波参数的流程图；
图4为本发明中对速度环调节器输出的电流信号进行fft频谱分析的示意图；
图5为本发明中伺服控制系统未开启陷波器时系统波形图；
图6为本发明中伺服控制系统未开启陷波器时fft频谱图；
图7为本发明中伺服控制系统开启陷波器时系统波形图；
图8为本发明中伺服控制系统开启陷波器时fft频谱图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1所示，本发明的伺服控制系统，包括伺服电机；
编码器，用于采集伺服电机的转速ω，并将采集到的伺服电机的转速反馈；
速度环调节器，用于将实际输入的转速ωref与反馈回的伺服电机的转速ω做差，得到转速差集，即ωref－ω，然后将所述转速差集作为输入，并输出电流指令iqref；
陷波器，用于对所述速度环调节器输出的电流指令iqref进行陷波，滤除谐振分量，并输出陷波后的电流指令；
fft模块，用于采集所述速度环调节器输出的所述电流指令iqref，进行fft（fastfouriertransform，快速傅里叶变换）分析，并得到陷波器的陷波参数，并传递给所述自适应陷波器，从而得到陷波器的具体传递函数，以便将陷波器的传递函数应用于伺服控制系统的控制环路；
电流环调节器，将陷波器输出的电流信号转化为电压信号，所述电压信号驱动所述伺服电机。
陷波器设置在速度环调节器和电流环调节器之间，并通过fft模块在线确定陷波器的参数，确定出更适合于伺服控制系统的陷波器的具体传递函数，从而更好地对伺服控制系统进行陷波器，滤去谐波振动，使得伺服控制系统具有更好的稳定性。
结合伺服控制系统，如图2所示，本发明提供了一种伺服控制系统谐振抑制的方法，该方法包括以下步骤：
步骤s1：设置伺服控制系统响应幅值的阈值；
伺服控制系统通常根据其具体情况，有一个可以接受的响应幅值，并且为了避免伺服控制系统发生谐振，通常该接受的系统响应幅值小于伺服谐振频率，因此，将伺服控制系统可接受的响应幅值作为伺服控制系统响应幅值的阈值，并记为hth，将系统的谐振频率点处的幅值记为hmax。因此对于伺服控制系统，系统响应幅值超过阈值hth的频率点构成伺服控制系统的谐振频率带，对于谐振频率带中的频率点都要进行谐振抑制。现有技术中，将无机械共振时谐振频率最大值所对应的幅值作为阈值，对于伺服控制系统而言，当未达到谐振频率时，系统可能已经产生较为严重的振动，因此，在确定该阈值时考虑伺服控制系统可以接受的响应幅值，并将该幅值作为阈值，更利于伺服系统保持稳定性。
步骤s2：采集速度环调节器输出的电流指令，对采集的电流指令进行频谱分析，并根据分析结果确定陷波器的陷波参数，在本发明的实施例中，所述陷波参数包括将陷波中心频率ωn、陷波深度ξ和陷波宽度k。在本发明的优选实施例中，采用的是fft方法对采集的电流指令进行频谱分析，得到fft分析曲线，然后根据fft（fastfouriertransform，快速傅里叶变换）分析曲线，确定陷波器的陷波参数。
在本发明中，采集的是速度环调节器输出的电流信号iqref，在伺服控制系统中，伺服电机转矩te计算公式为：
公式（1）中，p表示伺服电机转子极对数，ψf表示伺服电机转子磁链，id表示伺服电机d轴电流，iq表示伺服电机q轴电流，ld表示伺服电机d轴的电感，lq表示伺服电机q轴的电感。在采用id=0的控制方法时，电机的输出转矩只与伺服电机q轴电流iq呈线性关系，当系统发生谐振时，电机受到谐振影响转速和转矩的输出信号都会发生振荡，因为转矩只与q轴电流有关，所以此时q轴电流也会发生明显的振荡现象，由于电流调节器的作用q轴电流iq是紧跟着电流指令iqref变化，因此，可以看出，只需对电流指令iqref进行频谱分析就可以得到系统的谐振信息。而本发明摒弃了现有技术中直接利用速度差进行频谱分析的方法，而是利用电流信号进行频谱分析获得陷波参数；并且是在速度环调节器的输出端进行信号采集，对该输出端的电流信号进行频谱分析，利用分析结果确定陷波器的陷波参数，更能反映陷波器的陷波特性，从而使得根据所得参数确定的陷波器的传递函数，更符合伺服控制系统特性，更能有效地对伺服控制系统的谐振进行抑制。在确定陷波器的陷波参数时，如图3所示，可按照如下步骤进行：
采集速度调节环输出的电流信号，并统计采集到的数据量，如果数据量超过设定的最少数据量，则执行下一步骤，否则，继续采集；在优选的实施例中，最少数据量可设定为1024.
对采集的数据进行fft（fastfourierfransform，快速傅里叶变换）分析，并生成fft分析曲线，根据fft分析曲线得到陷波中心频率ωn及相应的幅值hmax。判断陷波中心频率对应的幅值是否大于伺服控制系统响应幅值的阈值，如果大于所述阈值，即hmax>hth，则根据fft分析曲线，计算陷波宽度k和陷波深度ξ，并开启陷波器，否则，则不计算陷波宽度和陷波深度，因为此时没有发生谐振，因此也不会开启陷波器进行陷波。
陷波器的各陷波参数采用如下方式确定：
陷波器中心频率ωn：陷波器的陷波中心频率对应的是fft分析曲线幅值最高点p0处的频率，参见图4所示，即伺服控制系统的谐振频率，对应的振幅即为hmax。
陷波宽度k：表示以陷波器的陷波中心频率在陷波器作用下复制增益与初值相比小于3db的频率带宽，具体计算时，本发明的实施例在计算陷波宽度k时，提取fft分析曲线最高点两侧幅值均为所述阈值的两个频率点，所述两个频率点对应的频率分别为ω1和ω2，即谐振频率点两侧幅值为hth的两个频率点，如图4所示，p1和p2，其中p1点对应的频率为ω1，p2点对应的频率为ω2，并根据如下公式确定陷波宽度k：
式（2）中，ωn表示陷波中心频率，
陷波深度ξ：陷波深度ξ影响着陷波中心频率点处所能够提供的最大的幅值衰减，陷波中心频率处幅值衰减为20lg|ξ|db，在本发明中，陷波深度
根据公式（3）可以看出，陷波深度
步骤s3：根据所述陷波器的陷波参数确定陷波器的传递函数。
陷波器的参数包括陷波中心频率、陷波深度和陷波宽度，陷波器的传递函数形式采用如下形式：
式（4）中，ωn表示陷波器的陷波中心频率，ξ表示陷波深度，k为陷波宽度，s表示复变量。
本发明采用陷波器传递函数，引入陷波中心频率、陷波深度及陷波宽度乘积作为传递函数分子中一次项的系数，把陷波中心频率与陷波宽度乘积作为传递函数分母一次项的系数，该传递函数所确定的陷波器能够中和谐振引起的幅值，从而达到更好的谐振抑制效果。，根据fft分析曲线，在线确定了陷波器的陷波参数后，即可得到用于该伺服控制系统的陷波器的传递函数。因此相对于传统的陷波器，本发明的陷波器能够在线调节陷波参数，使得伺服控制系统具有更好的动态性能，同时是伺服系统具有更好的谐振抑制能力，从而在伺服系统的工作过程中，更好地抑制伺服系统的谐振。
应该说明的是，采用本发明的方法得到陷波器的陷波参数，因可以应用到其他形式的陷波器的传递函数中，例如专利201910327030.6中所提到的陷波器的传递函数的形式，但相对与现有技术中的陷波器的传递函数形式，采用本发明中所提的传递函数形式的陷波器，陷波性能更好。
通过对陷波器的传递函数（4）进行离散化，得到差分方程，即可实现陷波器的数字化，为得到传递函数对应的差分方程，通过z变换的方法，具体如下：
令公式（4）中
将公式（5）化简并给出差分方程的形式有：
式（6）中，x(n)表示n时刻输入的信号的值，y(n)表示n时刻输出的信号的值，ɑ0、ɑ1、b0、b1、b2表示系数，其中ɑ0、ɑ1、b0、b1、b2的具体表达式如下：
步骤s4：将该传递函数应用于所述伺服控制系统的控制环路。
将确定的陷波器的传递函数应用于伺服控制系统的控制环路，具体步骤是：编码器采集伺服电机的转速，并将采集到的伺服电机的转速反馈到速度环调节器；速度环调节器将实际输入的转速与反馈回的伺服电机的实际转速做差，得到转速差集，然后将所述转速差集作为输入，并输出电流指令；fft模块采集所述速度环调节器输出的所述电流指令，进行fft分析，并得到陷波器的参数，并传递给所述陷波器，从而得到陷波器的传递函数；陷波器根据所述传递函数，对速度环调节器输出的电流信号进行陷波，然后输出，并通过电流环调节器，将电流信号转换为电压信号，所述电压信号驱动所述伺服电机。
将本发明的方法，应用于所述的伺服控制系统，从而使得伺服控制系统能够进行谐振抑制，在本发明的实施例中，伺服控制系统为了能够实施所述方法，fft模块包括：
数据采集器，用于采集速度环调节器输出的电流信号iqref；
采集判断器，用于统计数据采集器采集的数据量，并判断是否满足设定的最少数据量；因为如果通过分析伺服控制系统的频率特性，必须采集足够多的信号频率点，在本发明的实施例中，将最少数据量设定为1024，即当采集判断器判断已经采集了1024个点后，fft模块才可以继续执行其后续功能操作；
数据处理器，采用fft（fastfouriertransform，fft，快速傅里叶变换）作频谱分析，得到fft分析曲线；
数据提取器，提取fft分析曲线中最高点处的幅值和频率、提取最高点两侧幅值均为伺服控制系统响应幅值的阈值的两个频率点；即图4中p0点的幅值和频率，以及p1点和p2点处的频率，其中p1点和p2点处的幅值与阈值相同；
第一计算器：根据公式
第二计算器：根据公式
第三计算器：根据所述的中心频率、陷波深度和陷波宽度确定传递函数，传递函数形式为：
对应用本发明的方法的伺服控制系统的进行试验得到图5~8所示结果。
图5给出了伺服控制系统未开启陷波器时系统波形图，从图5中可以看出，在未开启陷波器前，系统的转动波动较大。
图6给出了伺服控制系统未开启陷波器时fft频谱图，从图6可以看出，此时系统中有一个频率为786hz的谐振，因此系统的谐振较严重。
图7给出了伺服控制系统开启陷波器时系统波形图，从图7可以看出，开启陷波器后，系统的转动波动明显减小。
图8给出了伺服控制系统开启陷波器时fft频谱图，从图8可以看出，开启陷波器后，系统没有产生明显的谐振，说明基于本发明的方法对伺服控制系统的谐振具有明显的抑制作用。
根据与专利201910327030.6对比，对比专利中，陷波器的输入是速度环的输出，而通过对速度环的输入做fft分析，不能准确地确定陷波器的参数；而本发明通过对速度环的输出做频谱分析，由于速度环的输出陷波器的参数起最直接影响，因此相比现有技术，本发明更能准确地识别出符合伺服系统特性的陷波参数。此外，陷波器的陷波参数是根据频谱分析结果进行计算的，该专利在进行参数确定时，是以谐振频率最大值所对应的幅值作为阈值的，但是对于伺服控制系统，当未达到谐振频率时，系统已经会产生较为严重的振动，而本发明，考虑伺服控制系统可以接受的响应幅值，从而确定出适合伺服控制系统的陷波器参数，采用该参数值确定的陷波器的传递函数，更符合系统特性，更能对伺服系统进行更好地陷波。
本实施所提供的伺服控制系统谐振在线抑制的方法，通过采集速度环调节器输出的电流信号，并对该电流信号进行频谱分析，根据频谱分析结果确定陷波器的陷波参数，实现了陷波器的陷波参数在线调整，并根据所得陷波参数，确定陷波器的传递函数，使得陷波器具有更好的动态特性，从而能够更好的抑制伺服控制系统的谐振。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
1.一种伺服控制系统谐振在线抑制的方法，其特征在于，包括：
设置伺服控制系统响应幅值的阈值；
采集速度环调节器输出的电流指令，采用fft对采集的电流指令进行频谱分析，并根据分析结果确定陷波器的陷波参数；
根据所述陷波器的陷波参数获取陷波器的具体传递函数；所述陷波器的陷波参数包括陷波中心频率、陷波深度和陷波宽度，传递函数形式为：
式中，ωn表示陷波器的陷波中心频率，ξ表示陷波深度，k表示陷波宽度，s表示复变量；所述陷波宽度的确定方法为：提取fft分析曲线幅值最高点两侧幅值均为所述阈值的两个频率点，所述两个频率点对应的频率分别为ω1和ω2，并根据如下公式确定陷波宽度：
式中，ωn表示陷波中心频率，
将该传递函数应用于所述伺服控制系统的控制环路。
2.根据权利要求1所述的一种伺服控制系统谐振在线抑制的方法，其特征在于，所述陷波中心频率的确定方法为：采集fft分析曲线幅值最高点的处的频率作为陷波器的陷波中心频率。
3.根据权利要求1所述的一种伺服控制系统谐振在线抑制的方法，其特征在于，所述陷波深度的确定方法为：
式中，hth表示伺服控制系统响应幅值的阈值，hmax表示fft分析曲线幅值最高点的处幅值。
4.根据权利要求1所述的一种伺服控制系统谐振在线抑制的方法，其特征在于，将所述
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种伺服控制系统谐振在线抑制的方法，其特征在于，确定所述陷波器的陷波参数的步骤为：
采集速度调节环输出的电流信号，并统计采集到的数据量，如果数据量超过设定的最少数据量，则执行下一步骤，否则，继续采集；
对采集的数据进行fft分析，并生成fft分析曲线，根据fft分析曲线得到陷波中心频率及相应的幅值；
判断陷波中心频率对应的幅值是否大于伺服控制系统响应幅值的阈值，如果大于所述阈值，则根据fft分析曲线，计算陷波宽度和陷波深度，并开启陷波器，否则，则不计算陷波宽度和陷波深度。
6.一种伺服控制系统，其特征在于，包括：
伺服电机；
编码器，用于采集伺服电机的实际转速，并将采集到的伺服电机的实际转速进行反馈；
速度环调节器，用于将实际输入的转速与所述编码器反馈回的实际转速做差，并输出电流指令；
自适应陷波器，用于对所述速度环调节器输出的电流指令进行陷波，滤除谐振分量，并输出陷波后的电流指令；
fft模块，用于采集所述速度环调节器输出的所述电流指令，进行fft分析，并根据fft分析曲线，得到陷波器的陷波参数，并将所述陷波参数传递给所述陷波器；
电流环调节器，将陷波器输出的电流信号转化为电压信号，所述电压信号驱动所述伺服电机。
7.根据权利要求6所述的一种伺服控制系统，其特征在于，所述fft模块包括：
数据采集器，用于采集速度环调节器输出的电流信号；
数据记录器，用于统计所述数据采集器采集的数据量，并判断是否满足需要的最少数据量；
数据处理器，采用fft作频谱分析，得到fft分析曲线；
数据提取器，提取fft分析曲线中最高点处的频率作为陷波中心频率ωn，以及对应的幅值，提取最高点两侧幅值均为伺服控制系统响应幅值的阈值的两个频率点对应的频率ω1和ω2；
第一计算器：根据公式
第二计算器：根据公式
第三计算器：根据所述的陷波中心频率、陷波深度和陷波宽度确定传递函数，传递函数的形式为：
