一种交流伺服系统速度环控制器参数自整定方法技术方案

本发明专利技术公开了一种交流伺服系统速度环控制器参数自整定方法，该方法首先从电流的反馈信号和转速的反馈信号中，根据基于模型参考自适应的辨识机理辨识出当前系统的转动惯量；然后根据实际的动态要求以及执行器的输出性能确定性能指标；最后根据当前系统转动惯量的估计值以及性能指标计算出最优控制器的参数。该方法实现简单，参数调节较少，普适性强，对工况（转动惯量）变化较大的情况，有良好的适应性，能够满足高性能永磁同步电机交流伺服领域应用需求，适用于工况（转动惯量）变化剧烈的情况。

【技术实现步骤摘要】
一种交流伺服系统速度环控制器参数自整定方法
本专利技术涉及伺服电机系统，尤其涉及一种基于惯量辨识与最优控制的永磁同步电机交流伺服系统速度环控制器参数自整定方法。
技术介绍
随着现代科学技术的发展，特别是现代电力电子技术以及电机控制理论的发展，交流伺服系统正取代传统的直流伺服系统，成为发展主流。交流伺服系统逐渐具备了宽调速、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等优良的技术性能，在机器人、航天航空、数控机床等控制性能要求高的场合应用日益广泛。目前，永磁同步电机交流伺服调速系统多采用双闭环矢量控制的结构。内环为电流控制环，外环为速度控制环。控制算法多采用PI算法。其中电流环的作用是使电机绕组电流实时、准确地跟踪电流指令信号；速度环的作用是保证电机的转速与速度指令值一致，消除负载扰动等因素对电机转速的影响。实际系统中，控制量必然存在限制，传统的PID控制算法没有考虑控制量限制对性能的影响，因此实际性能往往无法达到设计要求。而且PID参数的选取往往以试凑为主，其性能往往很难达到最优。因此，在速度环的控制器设计时，选取更为先进的控制算法，对提高系统性能至关重要。在实际调速系统中，如卷线机、机械臂等转动惯量变化大的场合，调速性能往往会随着工况(转动惯量)的剧烈变化而变差。因此在系统工况(转动惯量)变化剧烈的情况下，设计能自动识别变化的工况(转动惯量)，并据此对系统控制器参数进行自动调整的控制器，不仅能够提高交流伺服系统的控制性能，而且增强了交流伺服系统对工况(转动惯量)变化的智能性和适应性。为了减小控制量限制和参数剧变对控制性能的影响，提高系统性能，众多学者进行了大量研究。文献(哈尔滨工业大学.交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量在线辨识方法:中国,CN201310087944.2[P].2013-7-24)采用递推最小二乘的方法辨识惯量，但这种惯量辨识方法需要额外对负载扰动转矩进行辨识，整体的辨识算法结构复杂。文献(郭宇婕,黄立培,邱阳.交流伺服系统的转动惯量辨识及调节器参数自整定[J].清华大学学报(自然科学版),2002,09:1180-1183)通过对交流伺服系统的转动惯量进行在线辨识，调整了控制器参数以改善系统的动态性能，然而其速度环控制器仍采用了PI算法，没有考虑控制量限幅对性能的影响。文献(李亮亮,何勇,叶海翔等.基于ITAE最优控制的永磁同步电机矢量控制仿真[J].电机与控制应用,2011,38(6):31-33,45)采用ITAE的性能指标对速度环PI参数进行整定，然而ITAE性能指标忽略了控制量的影响，容易造成控制量过大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种交流伺服系统速度环控制器参数自整定方法，该方法针对交流伺服系统工况(转动惯量)变化剧烈的情况，首先通过基于模型参考自适应辨识机理辨识出当前系统的转动惯量(其它参数可以通过电机铭牌获得)；然后将辨识出来的惯量值代入系统的模型并建立性能指标，最后根据贝尔曼动态规划求解最优控制器。本专利技术可以抑制阶跃负载扰动的影响。控制器的参数可以随着实际工况(转动惯量)的变化而变化，使系统具有良好的鲁棒性、适应性。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种交流伺服系统速度环控制器参数自整定方法，其特征在于：该方法首先通过基于模型参考自适应辨识机理对永磁同步电机调速系统的转动惯量进行辨识，然后将辨识出来的惯量值代入系统的模型并建立性能指标，最后根据贝尔曼动态规划求解最优控制器；具体步骤如下：1)给定一个速度指令信号，根据下式，从q轴电流反馈信号iq以及转速信号ω中辨识出电机当前工况下的转动惯量；其中，ΔTe(k)＝Kt[iq(k)-iq(k-1)]，ω(k)是第k个采样周期的转速值，是第k个采样周期的转速值的估计值，iq(k)是第k个采样周期的电流值，β为正常数；2)采用的控制策略，得到速度环控制器；把电流环传递函数近似为常数1，系统的动力学方程可以表示为：其中，ω为转速信号，为q轴电流给定信号，J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，np为磁极对数，ψf为转子磁链，系统的离散化模型可以表示为：其中，Ts为采样时间，系统的状态空间表达式为(23)y＝cx其中，x为状态，y为输出量，y＝ω；u为控制量，c＝(10)；将步骤1)中得到的惯量的辨识值，代入(23)式，得到当前工况下的系统模型；建立性能指标H，见下式；其中，e＝ωr-ω,ωr为转速的给定信号，Q、R为正常数；根据贝尔曼动态规划求解出此时的最优控制量，见下式：其中，P为满足黎卡提代数方程Pa+aTP-PbR-1bTP+cTQc＝0的对称正定常数矩阵，m＝-R-1BTP＝(m1m2)，n＝R-1bT(PbR-1bT-aT)-1cTQ。由于本专利技术的性能指标是关于q轴电流指令变化率和跟踪误差加权平方和的积分，得出的最优控制器相当于增量式的控制器，从而可以抑制阶跃负载扰动的影响。控制器的参数可以随着实际工况(转动惯量)的变化而变化，使系统具有良好的鲁棒性、适应性。本专利技术具有以下有益结果：本专利技术将惯量辨识和最优控制相结合应用于交流伺服系统速度环控制器中，可以有效地抑制转动惯量变化对系统性能产生的不良影响。与现有的技术相比，设计原理简单，参数调节便捷，不仅在以永磁同步电机为动力装置的传动系统中有很高的应用价值，而且在以其它类型的交流电机为动力装置的传动系统中，应用前景也非常广阔。附图说明图1为基于惯量辨识与最优控制的永磁同步电机交流伺服系统原理图；图2为基于惯量辨识与最优控制的系统控制框图；图3为最优控制控制器结构图；图4为永磁同步电机交流伺服系统惯量辨识曲线图；图4A为空载情况下伺服系统惯量辨识曲线图；图4B惯量增大为原10倍后伺服系统惯量辨识曲线图；图5A为速度给定在3000r/min的永磁同步电机交流伺服系统速度响应曲线，在1s时突加负载扰动；图5B为速度给定在3000r/min的永磁同步电机交流伺服系统q轴电流指令响应曲线；图6为惯量变化情况下，速度环控制器参数整定前后，速度响应对比图；具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种交流伺服系统速度环控制器参数自整定方法，其特征在于：该方法首先通过基于模型参考自适应辨识机理对永磁同步电机调速系统的转动惯量进行辨识，然后将辨识出来的惯量值代入系统的模型并建立性能指标，最后根据贝尔曼动态规划求解最优控制器；具体步骤如下：1)给定一个速度指令信号，根据下式，从q轴电流反馈信号iq以及转速信号ω中辨识出电机当前工况下的转动惯量；ω^(k)=2ω(k-1)-ω(k-2)+b^(k-1)ΔTe(k-1)]]>b^(k)=b^(k-1)+βΔTe(k-1)1+βΔTe2(k-1)Δω(k)---(1)]]>J^(k)=Tsb^(k)]]>其中，ΔTe(k)＝Kt[iq(k)‑iq(k‑1)]，ω(k)是第k个采样周期的转速值，是第k个采样周期的转速值的估计值，iq(k)是第k个采样周期的电流值，β为正常数；2)采用的控制策略，得到速度环控制器；把电流环传递函数近似为常数1，系统的动力学方程可以表示为：ω·=Ktiq*J-BωJ-TLJ---(21)]]>其中，ω为转速信号，为q轴电流给定信号，J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，np为磁极对数，ψf为转子磁链，系统的离散化模型可以表示为：ω(k)=(1-BTsJ)ω(k-1)+KtTsJiq*(k-1)-TsJTL(k-1)---(22)]]>其中，Ts为采样时间，系统的状态空间表达式为x·=ax+bu]]>                           (23)y＝cx其中，x为状态，xT=ωω·;]]>y为输出量，y＝ω；u为控制量，a=010-BJ,]]>b=0KtJ,]]>c＝(1 0)；将步骤1)中得到的惯量的辨识值，代入(23)式，得到当前工况下的系统模型；建立性能指标H，见下式；H=12∫0∞(Qe2+Ri·q*2)dt---(2)]]>其中，e＝ωr‑ω,ωr为转速的给定信号，Q、R为正常数；根据贝尔曼动态规划求解出此时的最优控制量，见下式：iq*=m1∫0tωdt+m2ω+n∫0tωrdt---(3)]]>其中，P为满足黎卡提代数方程Pa+aTP‑PbR‑1bTP+cTQc＝0的对称正定常数矩阵，m＝‑R‑1BTP＝(m1 m2)，n＝R‑1bT(PbR‑1bT‑aT)‑1cTQ。...

【技术特征摘要】
1.一种交流伺服系统速度环控制器参数自整定方法，其特征在于：该方法首先通过基于模型参考自适应辨识机理对永磁同步电机调速系统的转动惯量进行辨识，然后将辨识出来的惯量值代入系统的模型并建立性能指标，最后根据贝尔曼动态规划求解最优控制器；具体步骤如下：1)给定一个速度指令信号，根据下式，从q轴电流反馈信号iq以及转速信号ω中辨识出电机当前工况下的转动惯量；其中，△Te(k)＝Kt[iq(k)-iq(k-1)]，ω(k)是第k个采样周期的转速值，是第k个采样周期的转速值的估计值，iq(k)是第k个采样周期的电流值，β为正常数；2)采用的控制策略，得到速度环控制器；把电流环传递函数近似为常数1，系统的动力学方程可以表示为：其中，ω为转速信号，为q轴电流给定信号，J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数，np为磁极对数，ψf为转子磁链，系统的离散化模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：李世华，颜赟达，吴斌，王军晓，王会明，刘国耀，沈德明，朱广斌，彭帅，
申请(专利权)人：南京科远自动化集团股份有限公司，东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32