一种有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法技术方案

一种有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法，本发明专利技术涉及有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有开环扫频测定法使用时，机电伺服系统运动存在位置漂移、方向不确定，可能会使机电伺服系统位置转动角度过大，进而超过位置限制，引起机械结构的损坏的问题。过程为：一、建立机电伺服系统机理模型；二、获得实际控制信号幅值；三、计算补偿信号幅值；四、改变输入信号幅值；五、重复二到四，直到得到理想控制信号幅值，获得频率点的幅相特性；六、改变输入信号频率，重复二到五，得到所需频带内各频率点的幅相特性；七、得到机电伺服系统的模型参数。本发明专利技术用于机电伺服系统的模型参数辨识领域。

A model parameter identification method for electromechanical servo system with limited rotation angle

The invention relates to a model parameter identification method for a finite angle electromechanical servo system, which relates to a model parameter identification method of a finite angle electromechanical servo system. The aim of the present invention is to solve the problem that the motion of the electromechanical servo system has a position drift and the direction is uncertain when the existing open loop frequency measurement method is used, and it may cause the position of the electromechanical servo system to be too large, and then over the position limit, causing the damage of the mechanical structure. The process is as follows: first, establish the mechanism model of electromechanical servo system; two, obtain the amplitude of actual control signal; three, calculate the amplitude of compensation signal; four, change the amplitude of input signal; five, repeat two to four, until the amplitude of the ideal control signal is obtained, the amplitude phase characteristics of the frequency point are obtained; six, the frequency of the input signal is changed, repetition is repeated. Repeat the frequency of the input signal. Repeat the frequency of the input signal, repeat the repetition Two to five, get the amplitude and phase characteristics of the frequency points in the required frequency band; seven, get the model parameters of the electromechanical servo system. The invention is applied to the field of model parameter identification in electromechanical servo system.

【技术实现步骤摘要】
一种有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法
本专利技术涉及有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法。
技术介绍
随着电机种类的增多和制造水平的提高，电机已不仅仅作为简单的动力输出设备为生产服务，在电力电子和控制科学水平不断提高的今天，对电机的高性能控制已经可以为精密加工、自动控制、动态跟踪等高精尖领域服务。这不仅促进了电机制造技术的发展，同时也为机电一体化控制的研究提供了广阔舞台。对于高性能的机电控制系统，通常需要建立负反馈回路以使电机输出跟踪参考输入信号，通过这种方法对电机进行精确的控制。这样的机电控制系统被称为机电伺服系统。在设计机电伺服系统的数字控制器时，一般采用PID控制方法或频域校正法，其中频域校正法具有较高的动态性能，能够适应高精度、高动态的控制任务要求。频域校正法的设计需要较为精确的机电伺服系统数学模型参数，使校正后的系统达到频带要求和“双十”指标，获得较好的动静态性能。在工程上常用的机电伺服系统数学模型参数的确定方法为开环扫频测定法，其主要思想是：给伺服系统加入正弦输入激励信号，则系统的输出响应也是同一频率的正弦信号，通过改变输入信号的频率，对输入的信号和输出端信号进行数据处理，可获得被测系统或对象的频率特性，进而通过最小二乘法拟合得到系统的开环传递函数。这种测定方法虽然能够得到较为准确的机电伺服系统数学模型参数，但是在实际应用时，由于三阶伺服系统输入正弦信号的响应存在稳态分量和系统中存在各种非线性因素的影响，开环扫频存在位置漂移、方向不确定的问题，应用在转角有限的机电伺服系统上时，可能会机电伺服系统的位置转动角度过大，进而超过位置限制，对电机和限位模块造成冲击，严重时可能会引起机械结构的损坏。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的开环扫频测定法由于非线性因素和正弦响应存在的稳态分量的影响导致机电伺服系统运动存在位置漂移、方向不确定，可能会使机电伺服系统位置转动角度过大，进而超过位置限制，引起机械结构的损坏的问题，而提出一种有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法。一种有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法具体过程为：步骤一、根据机电伺服系统的结构建立机电伺服系统机理模型，即机电伺服系统开环传递函数模型G(s)；步骤二、在机电伺服系统闭环的状态下，输入信号幅值为Ar、频率为f的正弦信号，使用相关辨识法获得该频率点上的实际控制信号幅值Au；步骤三、建立步骤二中输入信号幅值Ar与对应频率点上的实际控制信号幅值Au的线性关系，根据所需理想控制信号幅值(经验值)计算补偿信号幅值ΔA；步骤四、根据步骤三中得到的补偿信号幅值ΔA，将输入信号幅值从Ar渐变到实际信号幅值Ar′；步骤五、令步骤二中的Ar＝Ar′，重复步骤二到四，直到实际控制信号幅值Au与理想控制信号幅值相等，对此时的实际控制信号u和位置信号θ进行FFT数据处理，获得机电伺服系统模型在频率点f上的幅相特性；所述幅相特性包括幅值比和相角差步骤六、改变输入信号频率f，重复步骤二到五，得到所需频带内各频率点的幅相特性；步骤七、使用最小二乘法对步骤六中得到的各频率点的幅相特性数据进行拟合，得到步骤一中的机电伺服系统开环传递函数模型的参数τe、τm和K；τe为电磁时间常数，τm为机电时间常数，K为标称模型等效增益。本专利技术的有益效果为：本专利技术提出了一种有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法。为了实现上述目的，本专利技术的一种有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法为：在机电伺服系统闭环的状态下，通过建立输入信号与使用相关辨识法获得的实际控制信号之间的线性关系获得与开环扫频一样的控制信号，进而进行闭环扫频获得机电伺服系统的幅相特性，使用最小二乘法拟合得到机电伺服系统的模型参数。相较于现有技术，本专利技术一种有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法在机电伺服系统转角范围有限时，步骤一使用相关辨识法获得该频率点上的实际控制信号幅值，对比现有的理论计算得到控制信号幅值具有实时性高、辨识准确的优点；步骤三将输入信号幅值渐变到实际信号幅值，对比直接改变输入信号幅值，避免了信号突变引起的加速度过大，对系统造成冲击过大的问题，具有安全性高的优点；本专利技术设计的闭环扫频方法结构简单，能够有效地控制机电伺服系统位置转动角度在初始位置附近，并且获得与开环扫频测定法一样的结果，具有设计方便、实现简单、安全性高的优点，解决了现有的开环扫频测定法在使用时机电伺服系统位置转动角度存在位置漂移、方向不确定，可能会使机电伺服系统位置转动角度过大，进而超过位置限制，引起机械结构的损坏的问题。表1验证了本专利技术提出的模型参数辨识方法能够准确的获得机电伺服系统在各频率点上的幅相特性，分别用开环扫频法和本专利技术提出的闭环扫频法对转台这一典型的机电伺服系统进行扫频，获得其1到10Hz的幅相特性，可以看出，本专利技术提出的闭环扫频法获得的系统在各频率点上的幅相特性与开环扫频法得到的幅相特性有略微的差异，但是考虑到实际系统中存在的不确定性和实验结果的偶然误差，这些差异都在误差允许的范围内；图2说明了本专利技术提出的闭环扫频法能够有效克服现有开环扫频法存在的位置漂移问题，向转台输入3V，1Hz的正弦控制信号，使用开环扫频法时，转台从初始位置183°运动到了155°(图2中实线)，有较大的位置转动，而本专利技术有效地控制了机电伺服系统位置转动角度在初始位置155°附近(图2中虚线)；图3说明了本专利技术提出的方法能够避免了信号突变引起的加速度过大的问题，在获得2Hz点的频率特性时，若在2.5s时直接将所需的补偿信号叠加到输入信号上，实际控制信号有较大的波动(图3中虚线)，对转台伺服系统的冲击较大，而使用本专利技术提出的在输入信号上叠加渐变的补偿信号的方法(图3中实线)，实际控制信号则比较平滑，不会有较大突变。附图说明图1为本专利技术机电伺服系统的结构机理图，其中：u为控制信号，s为拉普拉斯算子，iq为交轴电流，ω为电机机械角速度，θ为机电伺服系统实际位置输出；re为电机等效电阻；kps为驱动器放大系数；kV为电流放大系数；ke为反电势系数；kT为电机力矩系数；L为电枢电感；JΣ为轴系总转动惯量；Te为驱动器输出力矩；Tl为干扰力矩，包含摩擦力矩及波动力矩；图2为本专利技术实施例中转台伺服控制系统在使用现有开环扫频法和本专利技术提出的闭环扫频法获取1Hz点幅相特性时的位置输出对比图；图3为本专利技术实施例中转台伺服控制系统在输入信号上直接叠加补偿信号和本专利技术提出的渐变叠加补偿信号时的实际控制信号对比图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法具体过程为：本专利技术主要针对转角有限的机电伺服系统在进行开环正弦扫频获取模型参数时，机电伺服系统位置转动角度存在位置漂移、方向不确定，可能超过限位的问题，从而提出的一种有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法。步骤一、根据机电伺服系统的结构建立机电伺服系统机理模型，即机电伺服系统开环传递函数模型G(s)；步骤二、在机电伺服系统闭环的状态下，输入信号幅值为Ar、频率为f的正弦信号，使用相关辨识法获得该频率点上的实际控制信号幅值Au；步骤三、建立步骤二中输入信号幅值Ar与对应频率点上的实际控制信号幅值Au的线性关系，根据所需理想控制信号幅值(经验值)计算补偿信号幅值ΔA；步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、根据机电伺服系统的结构建立机电伺服系统机理模型，即机电伺服系统开环传递函数模型G(s)；步骤二、在机电伺服系统闭环的状态下，输入信号幅值为Ar、频率为f的正弦信号，使用相关辨识法获得该频率点上的实际控制信号幅值Au；步骤三、建立步骤二中输入信号幅值Ar与对应频率点上的实际控制信号幅值Au的线性关系，根据所需理想控制信号幅值

【技术特征摘要】
1.一种有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、根据机电伺服系统的结构建立机电伺服系统机理模型，即机电伺服系统开环传递函数模型G(s)；步骤二、在机电伺服系统闭环的状态下，输入信号幅值为Ar、频率为f的正弦信号，使用相关辨识法获得该频率点上的实际控制信号幅值Au；步骤三、建立步骤二中输入信号幅值Ar与对应频率点上的实际控制信号幅值Au的线性关系，根据所需理想控制信号幅值计算补偿信号幅值ΔA；步骤四、根据步骤三中得到的补偿信号幅值ΔA，将输入信号幅值从Ar变到实际信号幅值Ar′；步骤五、令步骤二中的Ar＝Ar′，重复步骤二到四，直到实际控制信号幅值Au与理想控制信号幅值相等，对此时的实际控制信号u和位置信号θ进行FFT数据处理，获得机电伺服系统模型在频率f上的幅相特性；所述幅相特性包括幅值比和相角差；步骤六、改变输入信号频率f，重复步骤二到步骤五，得到所需频带内各频率点的幅相特性；步骤七、使用最小二乘法对步骤六中得到的各频率点的幅相特性数据进行拟合，得到步骤一中的机电伺服系统开环传递函数模型的参数τe、τm和K；τe为电磁时间常数，τm为机电时间常数，K为标称模型等效增益。2.根据权利要求1所述一种有限转角机电伺服系统的模型参数辨识方法，其特征在于：所述步骤一中根据机电伺服系统的结构建立机电伺服系统机理模型，即机电伺服系统开环传递函数模型G(s)；具体过程为：机电伺服系统机理模型为：式中，id,iq为同步旋转d-q坐标系中的直轴电流和交轴电流，d为直轴，q为交轴；ωr为电机机械角速度；re为电机等效电阻；L为电机电枢电感；JΣ为轴系总转动惯量；D为电机旋转时的摩擦系数；Tl为干扰力矩，包含摩擦力矩及波动力矩；Pm为电机极对数；ψf为转子永磁效应对应的每对磁极磁通；ud,uq为同步旋转d-q坐标系中的直轴电压和交轴电压；为微分算子；忽略机电伺服系统机理模型中id的影响，通过控制iq来直接控制电机的力矩输出，即根据式(2)，将电机电流反馈放大系数kf设为1，并忽略电机旋转时的摩擦系数D，令反电势系数电机力矩系数机电伺服系统机理模型变为则由实际控制信号u到位置输出θ的机电伺服系统开环传递函数模型为：式中，G(s)为机电伺服系统开环传递函数模型，s为拉普拉斯算子，kps为电机驱动器放大系数，kV为电机电流放大系数；记为电磁时间常数，JΣ为轴系总转动惯量，为机电时间常数，为标称模型等效增益，式(3)简化为：对于机电伺服系统，满足τm＞＞τe，所以上式(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈松林，吴金书，邢宝祥，王玘玥，刘刚，王博，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23