一種基于模型跟蹤控制的交流伺服電機(jī)振動(dòng)抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電機(jī)振動(dòng)抑制方法，尤其設(shè)及一種交流伺服電機(jī)振動(dòng)抑制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用的日趨廣泛，各領(lǐng)域?qū)ζ漤憫?yīng)性、定位時(shí)間及定位精度等 性能提出了更高的要求。一般通過(guò)增加位置環(huán)與速度環(huán)增益提高伺服的響應(yīng)性，縮短定位 時(shí)間，但是高增益往往會(huì)使得系統(tǒng)產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng)，特別是在采用柔性連接的系統(tǒng)中， 振動(dòng)現(xiàn)象更為嚴(yán)重。目前主要的振動(dòng)抑制方法有濾波器法、觀測(cè)器法、魯棒控制和智能控制 等。
[0003] 在通過(guò)濾波器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制的眾多方法中，最具代表性的是自適應(yīng)陷波濾波器， 其通過(guò)快速傅里葉分析（FFT)得到系統(tǒng)的諧振點(diǎn)，根據(jù)諧振點(diǎn)自動(dòng)設(shè)置陷波濾波器參數(shù)， 實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制。此方法因?yàn)橹庇^有效使用方便的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。但是具體編程實(shí)現(xiàn)時(shí)， FFT分析代碼執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)控制忍片的運(yùn)算速度要求較高，且在阻尼系數(shù)較大的情況下因 為系統(tǒng)實(shí)際振蕩頻率與通過(guò)傅里葉分析得到的諧振峰值之間存在較大偏差，容易導(dǎo)致陷波 失敗，加劇系統(tǒng)的振動(dòng)。
[0004] 觀測(cè)器法同樣為振動(dòng)抑制的常用手段，主要有兩種觀測(cè)器即干擾觀測(cè)器與負(fù)載轉(zhuǎn) 矩觀測(cè)器。一般干擾觀測(cè)器中存在微分環(huán)節(jié)，抗噪聲干擾的能力較弱，負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器中雖 然不存在微分環(huán)節(jié)，抗噪聲能力強(qiáng)，但存在時(shí)滯環(huán)節(jié)，且在高頻段抑振時(shí)的帶寬選擇較為困 難。通常觀測(cè)器與其他算法結(jié)合使用，如諧振比控制、低慣量化控制、諧振/慣量比控制等。 陽(yáng)〇化]出^魯棒控制W及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法、模型預(yù)測(cè)控制等智能控制算法不 依賴(lài)于或不完全依賴(lài)于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，能夠克服伺服系統(tǒng)不確定性及非線(xiàn)性等不利 因素的影響，有效的實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制，但均存在算法復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)困難、控制參數(shù)難W確定的缺 點(diǎn)。
[0006] 專(zhuān)利文獻(xiàn)《基于模型跟蹤的自適應(yīng)伺服控制器》（【申請(qǐng)?zhí)枴?01010190932.9)公開(kāi) 了一種基于模型跟蹤控制的自適應(yīng)伺服控制算法，其為一種參數(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，自適應(yīng) 調(diào)節(jié)的是控制器參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)慣量、負(fù)載與電機(jī)參數(shù)的擾動(dòng)均有較好的適應(yīng)性，但其自適應(yīng) 律復(fù)雜需要調(diào)節(jié)的參數(shù)多，而且在算法中引入了微分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)抗噪聲能力減弱。
[0007] 專(zhuān)利文獻(xiàn)《一種永磁同步電機(jī)參數(shù)辨識(shí)方法》（【申請(qǐng)?zhí)枴?01310573844. 0)公開(kāi)了 一種基于級(jí)聯(lián)型模型參考自適應(yīng)算法的無(wú)速度傳感器控制方法，同時(shí)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、定子電 阻與轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行自適應(yīng)辨識(shí)，能有效削弱電機(jī)參數(shù)變化對(duì)轉(zhuǎn)速估計(jì)的影響，其主要研究 了此種方法對(duì)電機(jī)低速性能的改善，但未分析其用于抑制系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)的性能，且因?yàn)榇嬖?兩個(gè)模型參考自適應(yīng)算法模塊，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提出了一種基于模型跟蹤控制的交流伺服電機(jī)振動(dòng) 抑制方法。本發(fā)明是一種信號(hào)自適應(yīng)系統(tǒng)，根據(jù)參考模型與實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)的差值產(chǎn)生補(bǔ)償 信號(hào)來(lái)改善系統(tǒng)響應(yīng)性能，其本質(zhì)上為一種干擾觀測(cè)器法，但與一般常用的干擾觀測(cè)器相 比，本發(fā)明中不存在微分環(huán)節(jié)，抗噪聲能力強(qiáng)，且該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能夠有效抑制柔性負(fù)載 與剛性負(fù)載下不同頻率的機(jī)械振動(dòng)，提高電機(jī)速度響應(yīng)性。
[0009] 本發(fā)明的核屯、思想是：采用模型跟蹤控制算法（MFC)的理念，將系統(tǒng)的控制量輸 入至一個(gè)理想的控制模型，并認(rèn)為理想模型的輸出與實(shí)際輸出相等，當(dāng)外界對(duì)實(shí)際系統(tǒng)有 干擾時(shí)，理想模型對(duì)干擾做出響應(yīng)，將計(jì)算出的用來(lái)抵消干擾的控制量加至實(shí)際系統(tǒng)的控 制量中，從而起到穩(wěn)定系統(tǒng)、消除干擾的目的。理想模型的具體形式并不固定，可有多種選 擇。在本發(fā)明中，理想模型主要用來(lái)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，并與實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，將 速度偏差放大后加至q軸給定電流iq%抵消1。"^中的波動(dòng)，使得總的q軸電流中無(wú)波動(dòng)，從 而消除電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抑制振動(dòng)的目的。當(dāng)前轉(zhuǎn)速估計(jì)方法主要有模型參考自適應(yīng)法， 全階觀測(cè)器法，降階觀測(cè)器法，滑模觀測(cè)器，卡爾曼濾波，高頻注入法，低頻注入法等。其中， 較為簡(jiǎn)單且實(shí)用的是模型參考自適應(yīng)法。因此，本發(fā)明在模型跟蹤控制算法中引入模型參 考自適應(yīng)算法（MRA巧對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制。
[0010] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案，一種基于模型跟蹤控制的交流伺服電 機(jī)振動(dòng)抑制方法，其步驟如下：
[0011] 1)通過(guò)位置傳感器得到交流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角度，然后乘W交流伺服電機(jī) 的極對(duì)數(shù)可得交流伺服電機(jī)的電角度0，電角度0通過(guò)微分處理得到反饋轉(zhuǎn)速《 ;
[0012] 2)反饋轉(zhuǎn)速CO與事先設(shè)定的給定轉(zhuǎn)速《"^進(jìn)行比較，兩者之差經(jīng)過(guò)速度環(huán)PI調(diào) 節(jié)，得到9軸給定電流1。"^
[0013]3)由電流傳感器檢測(cè)到的交流伺服電機(jī)A相電流i。與B相電流ib計(jì)算出C相電 流1^
[0014] 4)通過(guò)化A服變換將；相電流i。、ib、1。由S相靜止坐標(biāo)系（油C坐標(biāo)系）變換到 兩相靜止坐標(biāo)系（a0坐標(biāo)系），得到a軸電流分量i。，0軸電流分量ip;
[0015] 5)通過(guò)PA服變換將a軸、0軸電流分量i。、ip變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐 標(biāo)系）下，得到d軸反饋電流id和q軸反饋電流iq;
[0016] 6)d軸反饋電流id與d軸給定電流i/ ( 一般取i/= 0)進(jìn)行比較，兩者誤差經(jīng)過(guò)d軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)，得到d軸給定電壓u/; 陽(yáng)017] 7)根據(jù)d軸反饋電流id、q軸反饋電流iq、d軸給定電壓u/W及q軸給定電壓Uq% 估算得到估計(jì)轉(zhuǎn)速為；本發(fā)明優(yōu)選利用模型參考自適應(yīng)法估算得到估計(jì)轉(zhuǎn)速;具體實(shí)現(xiàn) 方式不局限于本發(fā)明具體技術(shù)方案中所述方法，其自適應(yīng)律可W采用不同的設(shè)計(jì)方法，如 參數(shù)局部?jī)?yōu)化、穩(wěn)定性和超穩(wěn)定性設(shè)計(jì)法。
[0018] 8)估計(jì)轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速CO進(jìn)行比較，兩者誤差經(jīng)過(guò)比例增益環(huán)節(jié)放大后得到q 軸補(bǔ)償電流Aiq%將Aiq^?^入到q軸電流環(huán)，用于抵消q軸電流波動(dòng)，抑制轉(zhuǎn)速振動(dòng)；
[0019] 9)將q軸補(bǔ)償電流Aq軸給定電流i。寸時(shí)日，然后與q軸反饋電流i。比較， 誤差經(jīng)過(guò)q軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)得到q軸給定電壓lC;
[0020] 10)d軸給定電壓Ud*與q軸給定電壓Uq*經(jīng)過(guò)IPA服變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下 的a軸給定電壓U。％ 0軸給定電壓U/;
[OOW11)根據(jù)a軸給定電壓U。嘴0軸給定電壓U/，利用空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM算法計(jì)算得出相應(yīng)的=相PWM波形，控制逆變器將直流母線(xiàn)電壓Ud。變換成=相交流電壓驅(qū) 動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。
[0022] 本發(fā)明方法，根據(jù)參考模型與實(shí)際系統(tǒng)響應(yīng)的差值產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào)來(lái)改善系統(tǒng)響應(yīng) 性能，與一般常用的干擾觀測(cè)器相比，本發(fā)明中不存在微分環(huán)節(jié)，抗噪聲能力強(qiáng)，且該方法 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能夠有效抑制柔性負(fù)載與剛性負(fù)載下不同頻率的機(jī)械振動(dòng)，提高電機(jī)速度響應(yīng) 性。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明所采用的系統(tǒng)控制框圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明與傳統(tǒng)PI控制的轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)對(duì)比仿真波形。
[0025] 圖3為本發(fā)明與傳統(tǒng)PI控制的柔性負(fù)載低頻振動(dòng)抑制能力對(duì)比仿真波形。 陽(yáng)0%] 其中，圖3(a)、圖3化）、圖3(c)和圖3(d)分別是負(fù)載振動(dòng)頻率為100Hz、50化、 10化和5化時(shí)的仿真波形。
[0027]圖4為本發(fā)明與傳統(tǒng)PI控制的剛性負(fù)載高頻振動(dòng)抑制能力對(duì)比仿真波形。
[0028] 其中，圖4(a)、圖4化）、圖4(c)和圖4(d)分別是負(fù)載振動(dòng)頻率為200Hz、400Hz、 600化和800化時(shí)的仿真波形。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0030] 實(shí)施例：一般交流伺服系統(tǒng)采用永磁同步電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)且為=環(huán)控制系統(tǒng)， 即存在位置環(huán)、速度環(huán)W及電流環(huán)=個(gè)控制環(huán)路，本發(fā)明不設(shè)及到位置環(huán)控制，為了簡(jiǎn)便， 在本實(shí)施例中省去位置環(huán)，只保留速度環(huán)與電流環(huán)構(gòu)成普通的永磁同步電機(jī)矢量控制系 統(tǒng)。如圖1所示，
[0031] 1)通過(guò)位置傳感器2檢測(cè)得到永磁同步電機(jī)1旋轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角度，然后乘W電機(jī) 的極對(duì)數(shù)可得電機(jī)的電角度0，電角度0通過(guò)轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊3的微分處理得到反饋轉(zhuǎn)速 O ;
[0032] 2)反饋轉(zhuǎn)速CO與事先設(shè)定好的給定轉(zhuǎn)速《"^進(jìn)行比較，兩者誤差經(jīng)