一種交流伺服系統(tǒng)速度環(huán)控制器參數(shù)自整定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種交流伺服系統(tǒng)速度環(huán)控制器參數(shù)自整定方法，該方法首先從電流的反饋信號(hào)和轉(zhuǎn)速的反饋信號(hào)中，根據(jù)基于模型參考自適應(yīng)的辨識(shí)機(jī)理辨識(shí)出當(dāng)前系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；然后根據(jù)實(shí)際的動(dòng)態(tài)要求以及執(zhí)行器的輸出性能確定性能指標(biāo)；最后根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的估計(jì)值以及性能指標(biāo)計(jì)算出最優(yōu)控制器的參數(shù)。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)節(jié)較少，普適性強(qiáng)，對(duì)工況（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）變化較大的情況，有良好的適應(yīng)性，能夠滿足高性能永磁同步電機(jī)交流伺服領(lǐng)域應(yīng)用需求，適用于工況（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）變化劇烈的情況。
【專利說(shuō)明】一種交流伺服系統(tǒng)速度環(huán)控制器參數(shù)自整定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及伺服電機(jī)系統(tǒng)，尤其涉及一種基于慣量辨識(shí)與最優(yōu)控制的永磁同步電 機(jī)交流伺服系統(tǒng)速度環(huán)控制器參數(shù)自整定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及電機(jī)控制理論的發(fā)展， 交流伺服系統(tǒng)正取代傳統(tǒng)的直流伺服系統(tǒng)，成為發(fā)展主流。交流伺服系統(tǒng)逐漸具備了寬調(diào) 速、高穩(wěn)態(tài)精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等優(yōu)良的技術(shù)性能，在機(jī)器人、航天航空、數(shù)控 機(jī)床等控制性能要求高的場(chǎng)合應(yīng)用日益廣泛。
[0003] 目前，永磁同步電機(jī)交流伺服調(diào)速系統(tǒng)多采用雙閉環(huán)矢量控制的結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)為電 流控制環(huán)，外環(huán)為速度控制環(huán)?？刂扑惴ǘ嗖捎肞I算法。其中電流環(huán)的作用是使電機(jī)繞組 電流實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地跟蹤電流指令信號(hào)；速度環(huán)的作用是保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速與速度指令值一致， 消除負(fù)載擾動(dòng)等因素對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。
[0004] 實(shí)際系統(tǒng)中，控制量必然存在限制，傳統(tǒng)的PID控制算法沒(méi)有考慮控制量限制對(duì) 性能的影響，因此實(shí)際性能往往無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而且PID參數(shù)的選取往往以試湊為主， 其性能往往很難達(dá)到最優(yōu)。因此，在速度環(huán)的控制器設(shè)計(jì)時(shí)，選取更為先進(jìn)的控制算法，對(duì) 提高系統(tǒng)性能至關(guān)重要。
[0005] 在實(shí)際調(diào)速系統(tǒng)中，如卷線機(jī)、機(jī)械臂等轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化大的場(chǎng)合，調(diào)速性能往往會(huì) 隨著工況（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）的劇烈變化而變差。因此在系統(tǒng)工況（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）變化劇烈的情況 下，設(shè)計(jì)能自動(dòng)識(shí)別變化的工況（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量），并據(jù)此對(duì)系統(tǒng)控制器參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整的控 制器，不僅能夠提高交流伺服系統(tǒng)的控制性能，而且增強(qiáng)了交流伺服系統(tǒng)對(duì)工況（轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量）變化的智能性和適應(yīng)性。
[0006] 為了減小控制量限制和參數(shù)劇變對(duì)控制性能的影響，提高系統(tǒng)性能，眾多學(xué)者進(jìn) 行了大量研究。文獻(xiàn)（哈爾濱工業(yè)大學(xué).交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在線辨識(shí) 方法：中國(guó)，CN201310087944.2[P]. 2013-7-24)采用遞推最小二乘的方法辨識(shí)慣量，但這 種慣量辨識(shí)方法需要額外對(duì)負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行辨識(shí)，整體的辨識(shí)算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻(xiàn)（郭 宇婕，黃立培，邱陽(yáng).交流伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)及調(diào)節(jié)器參數(shù)自整定[J].清華大學(xué) 學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002, 09:1180-1183)通過(guò)對(duì)交流伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行在線辨識(shí)， 調(diào)整了控制器參數(shù)以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，然而其速度環(huán)控制器仍采用了 PI算法，沒(méi)有考 慮控制量限幅對(duì)性能的影響。文獻(xiàn)（李亮亮，何勇，葉海翔等.基于ITAE最優(yōu)控制的永 磁同步電機(jī)矢量控制仿真[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2011，38(6) :31-33, 45)采用ITAE的性能 指標(biāo)對(duì)速度環(huán)PI參數(shù)進(jìn)行整定，然而ITAE性能指標(biāo)忽略了控制量的影響，容易造成控制量 過(guò)大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種交流伺服系統(tǒng)速度環(huán)控制器參數(shù)自整定方法，該方法 針對(duì)交流伺服系統(tǒng)工況（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）變化劇烈的情況，首先通過(guò)基于模型參考自適應(yīng)辨識(shí) 機(jī)理辨識(shí)出當(dāng)前系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（其它參數(shù)可以通過(guò)電機(jī)銘牌獲得）；然后將辨識(shí)出來(lái)的 慣量值代入系統(tǒng)的模型并建立性能指標(biāo)，最后根據(jù)貝爾曼動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解最優(yōu)控制器。本發(fā) 明可以抑制階躍負(fù)載擾動(dòng)的影響?？刂破鞯膮?shù)可以隨著實(shí)際工況（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）的變化而 變化，使系統(tǒng)具有良好的魯棒性、適應(yīng)性。
[0008] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0009] -種交流伺服系統(tǒng)速度環(huán)控制器參數(shù)自整定方法，其特征在于：該方法首先通過(guò) 基于模型參考自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)理對(duì)永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行辨識(shí)，然后將辨識(shí) 出來(lái)的慣量值代入系統(tǒng)的模型并建立性能指標(biāo)，最后根據(jù)貝爾曼動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解最優(yōu)控制 器；具體步驟如下：
[0010] 1)給定一個(gè)速度指令信號(hào)，根據(jù)下式，從q軸電流反饋信號(hào)i,以及轉(zhuǎn)速信號(hào)ω中 辨識(shí)出電機(jī)當(dāng)前工況下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

【權(quán)利要求】
1. 一種交流伺服系統(tǒng)速度環(huán)控制器參數(shù)自整定方法，其特征在于：該方法首先通過(guò)基 于模型參考自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)理對(duì)永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行辨識(shí)，然后將辨識(shí)出 來(lái)的慣量值代入系統(tǒng)的模型并建立性能指標(biāo)，最后根據(jù)貝爾曼動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解最優(yōu)控制器； 具體步驟如下： 1) 給定一個(gè)速度指令信號(hào)，根據(jù)下式，從q軸電流反饋信號(hào)以及轉(zhuǎn)速信號(hào)《中辨識(shí) 出電機(jī)當(dāng)前工況下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
其中，
，《(k)是第k個(gè)采樣周期的 轉(zhuǎn)速值，與幻是第k個(gè)采樣周期的轉(zhuǎn)速值的估計(jì)值，iq(k)是第k個(gè)采樣周期的電流值，e為正常數(shù)； 2) 采用=O的控制策略，得到速度環(huán)控制器；把電流環(huán)傳遞函數(shù)近似為常數(shù)1，系統(tǒng) 的動(dòng)力學(xué)方程可以表示為：
其中，《為轉(zhuǎn)速信號(hào)，<為9軸電流給定信號(hào)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為粘滯摩擦系數(shù)，
，np為磁極對(duì)數(shù)，il/f為轉(zhuǎn)子磁鏈，系統(tǒng)的離散化模型可以表示為：
其中，Ts為采樣時(shí)間，系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式為
其中，X為狀態(tài)，
；y為輸出量，y= ? ;u為控制量，

將步驟1)中得到的慣量的辨識(shí)值，代入（23)式，得到當(dāng)前工況下的系統(tǒng)模型；建立性 能指標(biāo)H，見(jiàn)下式；
其中，
，為轉(zhuǎn)速的給定信號(hào)，Q、R為正常數(shù)；根據(jù)貝爾曼動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解出 此時(shí)的最優(yōu)控制量，見(jiàn)下式：
其中，P為滿足黎卡提代數(shù)方程Pa+aTP-PbR_VP+CTQc=O的對(duì)稱正定常數(shù)矩陣，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流伺服系統(tǒng)速度環(huán)控制器參數(shù)自整定方法，其特征在于： 為了簡(jiǎn)化慣量辨識(shí)過(guò)程，在步驟1)中，忽略粘滯摩擦系數(shù)B的影響，認(rèn)為相鄰兩個(gè)采樣周期 《無(wú)變化。
【文檔編號(hào)】H02P21/00GK104242770SQ201410529147
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】李世華, 顏赟達(dá), 吳斌, 王軍曉, 王會(huì)明, 劉國(guó)耀, 沈德明, 朱廣斌, 彭帥 申請(qǐng)人:南京科遠(yuǎn)自動(dòng)化集團(tuán)股份有限公司, 東南大學(xué)