一种基于模型跟踪控制的交流伺服电机振动抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模型跟踪控制的交流伺服电机振动抑制方法，将系统的控制量输入至一个由模型参考自适应算法构成的理想控制模型，并认为理想模型的输出与实际输出相等，当外界对实际系统有干扰时，让实际系统跟踪理想模型，对干扰做出响应，将计算出的用来抵消干扰的控制量加至实际系统的控制量中，从而起到稳定系统、消除干扰的目的。其本质上为一种干扰观测器法，但与一般常用的干扰观测器相比，本发明专利技术中不存在微分环节，抗噪声能力强，且该方法实现简单，能够有效抑制柔性负载与刚性负载下不同频率的机械振动，提高电机速度响应性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电机振动抑制方法，尤其涉及一种交流伺服电机振动抑制方法。
技术介绍
随着交流伺服系统应用的日趋广泛，各领域对其响应性、定位时间及定位精度等性能提出了更高的要求。一般通过增加位置环与速度环增益提高伺服的响应性，缩短定位时间，但是高增益往往会使得系统产生较大的机械振动，特别是在采用柔性连接的系统中，振动现象更为严重。目前主要的振动抑制方法有滤波器法、观测器法、鲁棒控制和智能控制等。在通过滤波器实现振动抑制的众多方法中，最具代表性的是自适应陷波滤波器，其通过快速傅里叶分析(FFT)得到系统的谐振点，根据谐振点自动设置陷波滤波器参数，实现振动抑制。此方法因为直观有效使用方便的优点而被广泛使用。但是具体编程实现时，FFT分析代码执行时间长，对控制芯片的运算速度要求较高，且在阻尼系数较大的情况下因为系统实际振荡频率与通过傅里叶分析得到的谐振峰值之间存在较大偏差，容易导致陷波失败，加剧系统的振动。观测器法同样为振动抑制的常用手段，主要有两种观测器即干扰观测器与负载转矩观测器。一般干扰观测器中存在微分环节，抗噪声干扰的能力较弱，负载转矩观测器中虽然不存在微分环节，抗噪声能力强，但存在时滞环节，且在高频段抑振时的带宽选择较为困难。通常观测器与其他算法结合使用，如谐振比控制、低惯量化控制、谐振/惯量比控制等。H∞鲁棒控制以及模糊神经网络控制、遗传算法、模型预测控制等智能控制算法不依赖于或不完全依赖于被控对象的数学模型，能够克服伺服系统不确定性及非线性等不利因素的影响，有效的实现振动抑制，但均存在算法复杂、实现困难、控制参数难以确定的缺点。专利文献《基于模型跟踪的自适应伺服控制器》(申请号：201010190932.9)公开了一种基于模型跟踪控制的自适应伺服控制算法，其为一种参数自适应控制系统，自适应调节的是控制器参数，对系统惯量、负载与电机参数的扰动均有较好的适应性，但其自适应律复杂需要调节的参数多，而且在算法中引入了微分环节，系统抗噪声能力减弱。专利文献《一种永磁同步电机参数辨识方法》(申请号：201310573844.0)公开了一种基于级联型模型参考自适应算法的无速度传感器控制方法，同时对电机转速、定子电阻与转子磁链进行自适应辨识，能有效削弱电机参数变化对转速估计的影响，其主要研究了此种方法对电机低速性能的改善，但未分析其用于抑制系统振动时的性能，且因为存在两个模型参考自适应算法模块，实现较为复杂。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提出了一种基于模型跟踪控制的交流伺服电机振动抑制方法。本专利技术是一种信号自适应系统，根据参考模型与实际系统响应的差值产生补偿信号来改善系统响应性能，其本质上为一种干扰观测器法，但与一般常用的干扰观测器相比，本专利技术中不存在微分环节，抗噪声能力强，且该方法实现简单，能够有效抑制柔性负载与刚性负载下不同频率的机械振动，提高电机速度响应性。本专利技术的核心思想是：采用模型跟踪控制算法(MFC)的理念，将系统的控制量输入至一个理想的控制模型，并认为理想模型的输出与实际输出相等，当外界对实际系统有干扰时，理想模型对干扰做出响应，将计算出的用来抵消干扰的控制量加至实际系统的控制量中，从而起到稳定系统、消除干扰的目的。理想模型的具体形式并不固定，可有多种选择。在本专利技术中，理想模型主要用来对电机转速进行实时估计，并与实际转速进行比较，将速度偏差放大后加至q轴给定电流iq*，抵消iq*中的波动，使得总的q轴电流中无波动，从而消除电机转速波动，实现抑制振动的目的。当前转速估计方法主要有模型参考自适应法，全阶观测器法，降阶观测器法，滑模观测器，卡尔曼滤波，高频注入法，低频注入法等。其中，较为简单且实用的是模型参考自适应法。因此，本专利技术在模型跟踪控制算法中引入模型参考自适应算法(MRAS)对伺服电机转速进行实时估计，实现振动抑制。本专利技术为实现专利技术目的所采用的技术方案，一种基于模型跟踪控制的交流伺服电机振动抑制方法，其步骤如下：1)通过位置传感器得到交流伺服电机旋转过的机械角度，然后乘以交流伺服电机的极对数可得交流伺服电机的电角度θ，电角度θ通过微分处理得到反馈转速ω；2)反馈转速ω与事先设定的给定转速ω*进行比较，两者之差经过速度环PI调节，得到q轴给定电流iq*；3)由电流传感器检测到的交流伺服电机A相电流ia与B相电流ib计算出C相电流ic；4)通过CLARK变换将三相电流ia、ib、ic由三相静止坐标系(abc坐标系)变换到两相静止坐标系(αβ坐标系)，得到α轴电流分量iα，β轴电流分量iβ；5)通过PARK变换将α轴、β轴电流分量iα、iβ变换到两相旋转坐标系(dq坐标系)下，得到d轴反馈电流id和q轴反馈电流iq；6)d轴反馈电流id与d轴给定电流id*(一般取id*＝0)进行比较，两者误差经过d轴电流环PI调节，得到d轴给定电压ud*；7)根据d轴反馈电流id、q轴反馈电流iq、d轴给定电压ud*以及q轴给定电压uq*，估算得到估计转速本专利技术优选利用模型参考自适应法估算得到估计转速具体实现方式不局限于本专利技术具体技术方案中所述方法，其自适应律可以采用不同的设计方法，如参数局部优化、稳定性和超稳定性设计法。8)估计转速与反馈转速ω进行比较，两者误差经过比例增益环节放大后得到q轴补偿电流Δiq*，将Δiq*输入到q轴电流环，用于抵消q轴电流波动，抑制转速振动；9)将q轴补偿电流Δiq*与q轴给定电流iq*相加，然后与q轴反馈电流iq比较，误差经过q轴电流环PI调节得到q轴给定电压uq*；10)d轴给定电压ud*与q轴给定电压uq*经过IPARK变换得到两相静止坐标系下的α轴给定电压uα*，β轴给定电压uβ*；11)根据α轴给定电压uα*和β轴给定电压uβ*，利用空间矢量脉宽调制SVPWM算法计算得出相应的三相PWM波形，控制逆变器将直流母线电压Udc变换成三相交流电压驱动电机运行。本专利技术方法，根据参考模型与实际系统响应的差值产生补偿信号来改善系统响应性能，与一般常用的干扰观测器相比，本专利技术中不存在微分环节，抗噪声能力强，且该方法实现简单，能够有效抑制柔性负载与刚性负载下不同频率的机械振动，提高电机速度响应性。附图说明图1为本专利技术所采用的系统控制框图。图2为本专利技术与传统PI控制的转速阶跃响应对比仿真波形。图3为本专利技术与传统PI控制的柔性负载低频振动抑制能力对比仿真波形。其中，图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)分别是负载振动频率为100Hz、50Hz、...

【技术保护点】
一种基于模型跟踪控制的交流伺服电机振动抑制方法，其步骤如下：1)通过位置传感器得到交流伺服电机旋转过的机械角度，然后乘以交流伺服电机的极对数可得交流伺服电机的电角度θ，电角度θ通过微分处理得到反馈转速ω；2)反馈转速ω与事先设定的给定转速ω*进行比较，两者之差经过速度环PI调节，得到q轴给定电流iq*；3)由电流传感器检测到的交流伺服电机A相电流ia与B相电流ib计算出C相电流ic；4)通过CLARK变换将三相电流ia、ib、ic由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系，得到α轴电流分量iα，β轴电流分量iβ；5)通过PARK变换将α轴、β轴电流分量iα、iβ变换到两相旋转坐标系下，得到d轴反馈电流id和q轴反馈电流iq；6)d轴反馈电流id与d轴给定电流id*进行比较，两者误差经过d轴电流环PI调节，得到d轴给定电压ud*；7)根据d轴反馈电流id、q轴反馈电流iq、d轴给定电压ud*以及q轴给定电压uq*，估算得到估计转速8)估计转速与反馈转速ω进行比较，两者误差经过比例增益环节放大后得到q轴补偿电流Δiq*，将Δiq*输入到q轴电流环，用于抵消q轴电流波动，抑制转速振动；9)将q轴补偿电流Δiq*与q轴给定电流iq*相加，然后与q轴反馈电流iq比较，误差经过q轴电流环PI调节得到q轴给定电压uq*；10)d轴给定电压ud*与q轴给定电压uq*经过IPARK变换得到两相静止坐标系下的α轴给定电压uα*，β轴给定电压uβ*；11)根据α轴给定电压uα*和β轴给定电压uβ*，利用空间矢量脉宽调制SVPWM算法计算得出相应的三相PWM波形，控制逆变器将直流母线电压Udc变换成三相交流电压驱动电机运行。...

【技术特征摘要】
1.一种基于模型跟踪控制的交流伺服电机振动抑制方法，其步骤如下：
1)通过位置传感器得到交流伺服电机旋转过的机械角度，然后乘以交流伺服电机的极
对数可得交流伺服电机的电角度θ，电角度θ通过微分处理得到反馈转速ω；
2)反馈转速ω与事先设定的给定转速ω*进行比较，两者之差经过速度环PI调节，得
到q轴给定电流iq*；
3)由电流传感器检测到的交流伺服电机A相电流ia与B相电流ib计算出C相电流ic；
4)通过CLARK变换将三相电流ia、ib、ic由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系，
得到α轴电流分量iα，β轴电流分量iβ；
5)通过PARK变换将α轴、β轴电流分量iα、iβ变换到两相旋转坐标系下，得到d轴
反馈电流id和q轴反馈电流iq；
6)d轴反馈电流id与d轴给定电流id*进行比较，两者误差经过d轴电流环PI调节，
得到d轴给定电压ud*；
7)根据d轴反馈电流id、q...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋路程，齐丹丹，孙园园，吴波，
申请(专利权)人：南京埃斯顿自动控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32