伺服电机驱动系统的惯量在线辨识方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及伺服电机控制领域，尤其涉及一种电机伺服系统的惯量在线辨识方法及系统。利用构建的全维观测器获取电机的负载转矩状态观测量；获取电机给定的电磁转矩；所构建的自适应机构用来根据负载转矩和电磁转矩确定可调重构系统的实时修正参数，保证可调重构系统的输出与实际系统的输出为无差收敛，即能够完成对实际对象系统的重构；所构建的自适应辨识机构，根据稳定状况下的可调重构系统的实时修正参数输出，辨识出永磁同步电机伺服系统的转动惯量和粘滞摩擦系数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及伺服电机控制领域，尤其涉及一种伺服电机驱动系统的惯量在线辨识方法及系统。
技术介绍
电机经常工作在多工况或者工作状态发生变化的情况下，某些系统参数会在运行当中发生较大范围的变化，这种情况下往往较难达到预期的控制目标。转动惯量和粘滞摩擦系数作为整个被控系统中随负载转矩变化的系统参数，是影响控制器参数选择的主要因素，尤其是电机粘滞摩擦系数是电机角速度的非线性函数，采用迭代的方法进行辨识十分困难。因此，对扰动负载转矩的观测和对等效转动惯量与粘滞摩擦系数的准确辨识结果，是实现速度环控制器PI参数自整定的重要前提。使系统控制特性能够与机械参数相吻合，以控制器对转动惯量变化进行相应补偿，保证电动机在不同工况切换时有良好的动态性能，使电机参数能够保证良好的鲁棒性。电机拖动系统中的负载扰动是引起系统转动惯量和粘滞摩擦系数变化的主要因素，而两者皆为难以直接测量的非电物理量，其扰动变化又会直接影响整个系统动态响应性能。因此，对扰动转矩进行观测是实现转动惯量辨识的首要步骤，通常采用观测器或Kalman滤波器的方式对其状态进行监控。针对转动惯量的辨识，目前主要分为离线辨识和在线辨识两种，常用的离线辨识方法有：直接计算法、加减速法等，其中加减速法为了使问题简化，仅计算伺服电机转子转动惯量且忽略摩擦力矩，并通过取其速度和加减速时间的平均值，来削弱摩擦力矩的影响，此类方法由于没有误差迭代收敛过程，导致不能够在线跟踪并且辨识结果存在一定范围的波动；在线辨识算法包括传统的最小二乘、参考模型自适应等方法，最小二乘辨识由于对数据量的处理非常大，要求DSP的有较高的数据处理速度和存储能力，因此也提出了基于遗忘因子的最小二乘辨识方法，近似认为测得的电磁转矩为当前负载转矩，存在的缺点是当暂态过程负载扰动较大范围内变动，旧的负载转矩估计值仍参与递推过程，引起辨识失真。通常的模型参考自适应辨识算法采用MIT自适应模式较为多见，能够采用自适应律梯度下降的方法同时实现对转动惯量和粘滞摩擦系数的辨识，存在的缺点是由于辨识速度与辨识精度产生了矛盾，其处理速度只能够运用于离线辨识，并且辨识精度与自适应增益的手动选择有关，其应用受到严重的制约。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种伺服电机驱动系统的惯量在线辨识方法及系统，通过自适应辨识的方法确定电机的转动惯量和粘滞摩擦系数。本专利技术采用如下技术方案：一种伺服电机驱动系统的惯量在线辨识方法，应用于伺服电机的速度环或者位置环控制器参数的自动调节，所述惯量辨识方法包括：提供一全维观测器、自适应辨识机构和包括自适应机构和可调子系统的可调重构系统；利用所述全维观测器实时获取所述伺服电机的负载转矩状态观测量；获取所述伺服电机的电磁转矩输入量；利用所述自适应机构和所述可调子系统根据所述负载转矩状态观测量和所述电磁转矩输入量确定所述可调子系统的前馈修正参数和反馈修正参数；所述自适应辨识机构根据所述前馈修正参数和反馈修正参数通过辨识公式辨识输出所述伺服电机驱动系统的转动惯量和粘滞摩擦系数。利用构建的全维观测器获取电机的负载转矩状态观测量；获取电机给定的电磁转矩；所构建的自适应机构用来根据负载转矩和电磁转矩确定可调重构系统的实时修正参数，保证可调重构系统的输出与实际系统的输出为无差收敛，即可调重构系统的输出能够完成跟踪到实际系统的输出；所述可调重构系统包括前馈修正参数和反馈修正参数，是对实际系统进行模拟的可调重构系统的重要参数；所构建的自适应辨识机构，根据稳定状况下的实时修正参数输出，辨识出永磁同步电机伺服系统的转动惯量和粘滞摩擦系数。优选的，所述惯量辨识方法还包括：速度控制器或位置环控制器根据所述转动惯量和粘滞摩擦系数控制所述伺服电机的转速和位置。优选的，所述可调重构系统包括：可调前馈子系统和可调反馈子系统；其中，所述可调前馈子系统包括所述前馈修正系数和参考模型；所述可调反馈子系统包括所述反馈修正系数和所述参考模型；其中所述可调重构系统通过所述前馈修正系数和所述反馈修正系数对所述可调重构系统的输入输出进行模拟；以及所述自适应机构的输入量包括所述电磁转矩输入量和所述可调重构系统的输出与所述伺服电机的转速之差，并且所述自适应机构的输出量包括所述前馈修正系数和所述反馈修正系数。优选的，自适应机构的输出量包括所述前馈修正系数和所述反馈修正系数，一方面能够使可调重构系统能够完全跟踪上实际系统的输入输出，另一方面，所述前馈修正系数和所述反馈修正系数，仍作为辨识的主要对象，所述永磁同步电机伺服系统的转动惯量和粘滞摩擦系数的辨识，就是从以上两个参数中，由自适应辨识机构进行提取。优选的，所述自适应辨识机构以软件的形式对系统转动惯量进行辨识；所述自适应辨识机构的输入量包括前馈可调系数和反馈可调系数；所述自适应辨识机构根据所述前馈可调系数和所述反馈可调系数对所述伺服电机驱动系统的转动惯量进行辨识。优选的，所述可调重构系统包括自适应机构和可调子系统，所述自适应机构的设计是基于李雅普诺夫稳定性理论得到，即可调子系统的自适应律的设计也是基于李雅普诺夫稳定性定理。优选的，所述惯量辨识方法中，所述伺服电机的传动轴上的光电编码器采集带负载的伺服电机的转速脉冲，得到带负载伺服电机的位置信号，将所述位置信号和所述电磁转矩输入量输入至所述全维观测器；以及所述全维观测器根据所述位置信号和电磁转矩输入量得到所述负载转矩状态观测量。一种伺服电机驱动系统的惯量在线辨识系统，所述惯量辨识系统包括：全维观测器，对所述伺服电机的负载转矩状态观测量进行观测；可调重构系统，与所述全维观测器连接，包括自适应机构和可调子系统，输入所述伺服电机的电磁转矩输入量和所述负载转矩状态观测量；以及所述可调重构系统根据所述电机的电磁转矩输入量和所述全维观测器输出的负载转矩状态观测量，通过其内部的自适应机构确定前馈修正参数和反馈修正参数的值；自适应辨识机构，与所述可调重构系统连接，根据所述自适应机构的前馈修正参数和反馈修正参数的值，通过辨识公式确定所述伺服电机驱动系统的转动惯量和粘滞摩擦系数。由于负载扰动包含电机所带负载转矩和由转动惯量与粘滞摩擦系数跟真实值的偏差带来的扰动转矩两项，并且难以测量，全维观测器主要用来对电机的负载转矩进行观测，主要为输入至电机的转矩指令，包括电磁转矩和负载转矩状态观测量；可调重构系统根据电机的电磁转矩指令和负载转矩观测量，通过其内部的可调子系统和自适应机构，使可调重构系统的输出能够跟踪实际系统输出，也就是输出之差为0；此时，在两个系统的输出完全匹配的情况下，自适应机构确定了两个修正参数的值；自适应辨识机构根据两个修正参数的值确定电机伺服系统的转动惯量和粘滞摩擦系数辨识结果；所述两个修正参数包括前馈修正参数和反馈修正参数。优选的，所述惯量辨识系统还包括：速度控制器或位置环控制器根据所述转动惯量和粘滞摩擦系数控制所述伺服电机的转速和位置。优选的，所述可调子系统包括：可调前馈子系统和/或可调反馈子系统。优选的，所述可调子系统的数学结构在预设的算法中计算得出。优选的，所述可调重构系统根据所述负载转矩观测量、所述电磁转矩输入量和所述伺服电机的转速，对所述可调重构系统的输入输出进行重构，所述可调重构系统的输入与输出量能够跟随实际系统的输入和输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种伺服电机驱动系统的惯量在线辨识方法，其特征在于，应用于伺服电机的速度环或者位置环控制器参数的自动调节，所述惯量辨识方法包括：提供一全维观测器、自适应辨识机构和包括自适应机构和可调子系统的可调重构系统；利用所述全维观测器实时获取所述伺服电机的负载转矩状态观测量；获取所述伺服电机的电磁转矩输入量；利用所述自适应机构和所述可调子系统根据所述负载转矩状态观测量和所述电磁转矩输入量确定所述可调子系统的前馈修正参数和反馈修正参数；所述自适应辨识机构根据所述前馈修正参数和反馈修正参数通过辨识公式辨识输出所述伺服电机驱动系统的转动惯量和粘滞摩擦系数。

【技术特征摘要】
1.一种伺服电机驱动系统的惯量在线辨识方法，其特征在于，应用于伺服电机的速度环或者位置环控制器参数的自动调节，所述惯量辨识方法包括：提供一全维观测器、自适应辨识机构和包括自适应机构和可调子系统的可调重构系统；利用所述全维观测器实时获取所述伺服电机的负载转矩状态观测量；获取所述伺服电机的电磁转矩输入量；利用所述自适应机构和所述可调子系统根据所述负载转矩状态观测量和所述电磁转矩输入量确定所述可调子系统的前馈修正参数和反馈修正参数；所述自适应辨识机构根据所述前馈修正参数和反馈修正参数通过辨识公式辨识输出所述伺服电机驱动系统的转动惯量和粘滞摩擦系数。2.根据权利要求1所述的伺服电机驱动系统的惯量在线辨识方法，其特征在于，所述惯量辨识方法还包括：速度控制器或位置环控制器根据所述转动惯量和粘滞摩擦系数控制所述伺服电机的转速和位置。3.根据权利要求1所述的伺服电机驱动系统的惯量在线辨识方法，其特征在于，所述可调重构系统包括：可调前馈子系统和可调反馈子系统；其中，所述可调前馈子系统包括所述前馈修正系数和参考模型；所述可调反馈子系统包括所述反馈修正系数和所述参考模型；其中所述可调重构系统通过所述前馈修正系数和所述反馈修正系数对所述可调重构系统的输入输出进行模拟；以及所述自适应机构的输入量包括所述电磁转矩输入量和所述可调重构系统的输出与所述伺服电机的转速之差，并且所述自适应机构的输出量包括所述前馈修正系数和所述反馈修正系数。4.根据权利要求1所述的伺服电机驱动系统的惯量在线辨识方法，其特征在于，所述自适应辨识机构以软件的形式对系统转动惯量进行辨识；所述自适应辨识机构的输入量包括前馈可调系数和反馈可调系数；所述自适应辨识机构根据所述前馈可调系数和所述反馈可调系数对所述伺服电机驱动系统的转动惯量进行辨识。5.根据权利要求1所述的伺服电机驱动系统的惯量在线辨识方法，其特征在于，所述可调重构系统包括自适应机构和可调子系统，所述自适应机构的设计是基于李雅普诺夫稳定性理论得到，可调子系统的自适应律的设计基于李雅普诺夫稳定性定理。6.根据权利要求1所述的伺服电机驱动系统的惯量在线辨识方法，其特征在于，所述惯量辨识方法中，所述伺服电机的传动轴上的光电编码器采集带负载的伺服电机的转速脉冲，得到带负载伺服电机的位置信号，将所述位置信号和所述电磁转矩输入量输入至所述全...

【专利技术属性】
技术研发人员：张韬，鲍海静，方江龙，
申请(专利权)人：上海电气集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31