伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及伺服電機(jī)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種電機(jī)伺服系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)方法及系統(tǒng)。利用構(gòu)建的全維觀測(cè)器獲取電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量；獲取電機(jī)給定的電磁轉(zhuǎn)矩；所構(gòu)建的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)用來根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩確定可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)修正參數(shù)，保證可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸出與實(shí)際系統(tǒng)的輸出為無差收斂，即能夠完成對(duì)實(shí)際對(duì)象系統(tǒng)的重構(gòu)；所構(gòu)建的自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)，根據(jù)穩(wěn)定狀況下的可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)修正參數(shù)輸出，辨識(shí)出永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)。
【專利說明】
伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及伺服電機(jī)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí) 方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電機(jī)經(jīng)常工作在多工況或者工作狀態(tài)發(fā)生變化的情況下，某些系統(tǒng)參數(shù)會(huì)在運(yùn)行 當(dāng)中發(fā)生較大范圍的變化，這種情況下往往較難達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩 擦系數(shù)作為整個(gè)被控系統(tǒng)中隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的系統(tǒng)參數(shù)，是影響控制器參數(shù)選擇的主要因 素，尤其是電機(jī)粘滯摩擦系數(shù)是電機(jī)角速度的非線性函數(shù)，采用迭代的方法進(jìn)行辨識(shí)十分 困難。因此，對(duì)擾動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的觀測(cè)和對(duì)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與粘滯摩擦系數(shù)的準(zhǔn)確辨識(shí)結(jié)果，是 實(shí)現(xiàn)速度環(huán)控制器PI參數(shù)自整定的重要前提。使系統(tǒng)控制特性能夠與機(jī)械參數(shù)相吻合，以 控制器對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，保證電動(dòng)機(jī)在不同工況切換時(shí)有良好的動(dòng)態(tài)性能， 使電機(jī)參數(shù)能夠保證良好的魯棒性。
[0003] 電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中的負(fù)載擾動(dòng)是引起系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)變化的主要因 素，而兩者皆為難以直接測(cè)量的非電物理量，其擾動(dòng)變化又會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng) 性能。因此，對(duì)擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行觀測(cè)是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)的首要步驟，通常采用觀測(cè)器或 Kalman濾波器的方式對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。
[0004] 針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的辨識(shí)，目前主要分為離線辨識(shí)和在線辨識(shí)兩種，常用的離線辨識(shí) 方法有:直接計(jì)算法、加減速法等，其中加減速法為了使問題簡(jiǎn)化，僅計(jì)算伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量且忽略摩擦力矩，并通過取其速度和加減速時(shí)間的平均值，來削弱摩擦力矩的影響， 此類方法由于沒有誤差迭代收斂過程，導(dǎo)致不能夠在線跟蹤并且辨識(shí)結(jié)果存在一定范圍的 波動(dòng);在線辨識(shí)算法包括傳統(tǒng)的最小二乘、參考模型自適應(yīng)等方法，最小二乘辨識(shí)由于對(duì)數(shù) 據(jù)量的處理非常大，要求DSP的有較高的數(shù)據(jù)處理速度和存儲(chǔ)能力，因此也提出了基于遺忘 因子的最小二乘辨識(shí)方法，近似認(rèn)為測(cè)得的電磁轉(zhuǎn)矩為當(dāng)前負(fù)載轉(zhuǎn)矩，存在的缺點(diǎn)是當(dāng)暫 態(tài)過程負(fù)載擾動(dòng)較大范圍內(nèi)變動(dòng)，舊的負(fù)載轉(zhuǎn)矩估計(jì)值仍參與遞推過程，引起辨識(shí)失真。通 常的模型參考自適應(yīng)辨識(shí)算法采用MIT自適應(yīng)模式較為多見，能夠采用自適應(yīng)律梯度下降 的方法同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)的辨識(shí)，存在的缺點(diǎn)是由于辨識(shí)速度與辨識(shí)精 度產(chǎn)生了矛盾，其處理速度只能夠運(yùn)用于離線辨識(shí)，并且辨識(shí)精度與自適應(yīng)增益的手動(dòng)選 擇有關(guān)，其應(yīng)用受到嚴(yán)重的制約。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨 識(shí)方法及系統(tǒng)，通過自適應(yīng)辨識(shí)的方法確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)方法，應(yīng)用于伺服電機(jī)的速度環(huán)或者位置 環(huán)控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，所述慣量辨識(shí)方法包括：
[0008] 提供一全維觀測(cè)器、自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)和包括自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和可調(diào)子系統(tǒng)的可調(diào)重構(gòu) 系統(tǒng)；
[0009] 利用所述全維觀測(cè)器實(shí)時(shí)獲取所述伺服電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量；
[0010] 獲取所述伺服電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩輸入量;利用所述自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和所述可調(diào)子系統(tǒng)根 據(jù)所述負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量和所述電磁轉(zhuǎn)矩輸入量確定所述可調(diào)子系統(tǒng)的前饋修正參數(shù) 和反饋修正參數(shù)；
[00?1 ]所述自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)根據(jù)所述前饋修正參數(shù)和反饋修正參數(shù)通過辨識(shí)公式辨識(shí) 輸出所述伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)。
[0012] 利用構(gòu)建的全維觀測(cè)器獲取電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量;獲取電機(jī)給定的電磁轉(zhuǎn) 矩;所構(gòu)建的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)用來根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩確定可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)修正參 數(shù)，保證可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸出與實(shí)際系統(tǒng)的輸出為無差收斂，即可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸出能夠 完成跟蹤到實(shí)際系統(tǒng)的輸出；所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)包括前饋修正參數(shù)和反饋修正參數(shù)，是對(duì) 實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行模擬的可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的重要參數(shù);所構(gòu)建的自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)，根據(jù)穩(wěn)定狀況 下的實(shí)時(shí)修正參數(shù)輸出，辨識(shí)出永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)。
[0013] 優(yōu)選的，所述慣量辨識(shí)方法還包括：
[0014] 速度控制器或位置環(huán)控制器根據(jù)所述轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)控制所述伺服電 機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置。
[0015] 優(yōu)選的，所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)包括：
[0016] 可調(diào)前饋?zhàn)酉到y(tǒng)和可調(diào)反饋?zhàn)酉到y(tǒng);其中，
[0017] 所述可調(diào)前饋?zhàn)酉到y(tǒng)包括所述前饋修正系數(shù)和參考模型；
[0018] 所述可調(diào)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)包括所述反饋修正系數(shù)和所述參考模型；其中所述可調(diào)重構(gòu) 系統(tǒng)通過所述前饋修正系數(shù)和所述反饋修正系數(shù)對(duì)所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸入輸出進(jìn)行模 擬；以及
[0019 ]所述自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的輸入量包括所述電磁轉(zhuǎn)矩輸入量和所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸出 與所述伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速之差，并且所述自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的輸出量包括所述前饋修正系數(shù)和所述 反饋修正系數(shù)。
[0020] 優(yōu)選的，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的輸出量包括所述前饋修正系數(shù)和所述反饋修正系數(shù)，一方 面能夠使可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)能夠完全跟蹤上實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出，另一方面，所述前饋修正系 數(shù)和所述反饋修正系數(shù)，仍作為辨識(shí)的主要對(duì)象，所述永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 和粘滯摩擦系數(shù)的辨識(shí)，就是從以上兩個(gè)參數(shù)中，由自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行提取。
[0021] 優(yōu)選的，所述自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)以軟件的形式對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行辨識(shí);所述自適 應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)的輸入量包括前饋可調(diào)系數(shù)和反饋可調(diào)系數(shù);所述自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)根據(jù)所述前 饋可調(diào)系數(shù)和所述反饋可調(diào)系數(shù)對(duì)所述伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行辨識(shí)。
[0022] 優(yōu)選的，所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)包括自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和可調(diào)子系統(tǒng)，所述自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的設(shè) 計(jì)是基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論得到，即可調(diào)子系統(tǒng)的自適應(yīng)律的設(shè)計(jì)也是基于李雅普諾 夫穩(wěn)定性定理。
[0023] 優(yōu)選的，所述慣量辨識(shí)方法中，所述伺服電機(jī)的傳動(dòng)軸上的光電編碼器采集帶負(fù) 載的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速脈沖，得到帶負(fù)載伺服電機(jī)的位置信號(hào)，將所述位置信號(hào)和所述電磁 轉(zhuǎn)矩輸入量輸入至所述全維觀測(cè)器；以及
[0024] 所述全維觀測(cè)器根據(jù)所述位置信號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩輸入量得到所述負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀 測(cè)量。
[0025] -種伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)系統(tǒng)，所述慣量辨識(shí)系統(tǒng)包括：
[0026] 全維觀測(cè)器，對(duì)所述伺服電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量進(jìn)行觀測(cè)；
[0027] 可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)，與所述全維觀測(cè)器連接，包括自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和可調(diào)子系統(tǒng)，輸入所述 伺服電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩輸入量和所述負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量;以及
[0028] 所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)根據(jù)所述電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩輸入量和所述全維觀測(cè)器輸出的負(fù) 載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量，通過其內(nèi)部的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)確定前饋修正參數(shù)和反饋修正參數(shù)的值；
[0029] 自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)，與所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)連接，根據(jù)所述自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的前饋修正參 數(shù)和反饋修正參數(shù)的值，通過辨識(shí)公式確定所述伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦 系數(shù)。
[0030] 由于負(fù)載擾動(dòng)包含電機(jī)所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩和由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與粘滯摩擦系數(shù)跟真實(shí)值的 偏差帶來的擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩兩項(xiàng)，并且難以測(cè)量，全維觀測(cè)器主要用來對(duì)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行觀 測(cè)，主要為輸入至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令，包括電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量;可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)根 據(jù)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩指令和負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)量，通過其內(nèi)部的可調(diào)子系統(tǒng)和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，使可 調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸出能夠跟蹤實(shí)際系統(tǒng)輸出，也就是輸出之差為〇 ;此時(shí)，在兩個(gè)系統(tǒng)的輸出 完全匹配的情況下，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)確定了兩個(gè)修正參數(shù)的值；自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)根據(jù)兩個(gè)修正 參數(shù)的值確定電機(jī)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)辨識(shí)結(jié)果;所述兩個(gè)修正參數(shù)包括 前饋修正參數(shù)和反饋修正參數(shù)。
[0031] 優(yōu)選的，所述慣量辨識(shí)系統(tǒng)還包括：
[0032] 速度控制器或位置環(huán)控制器根據(jù)所述轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)控制所述伺服電 機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置。
[0033] 優(yōu)選的，所述可調(diào)子系統(tǒng)包括:可調(diào)前饋?zhàn)酉到y(tǒng)和/或可調(diào)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)。
[0034]優(yōu)選的，所述可調(diào)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)在預(yù)設(shè)的算法中計(jì)算得出。
[0035] 優(yōu)選的，所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)根據(jù)所述負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)量、所述電磁轉(zhuǎn)矩輸入量和所 述伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸入輸出進(jìn)行重構(gòu)，所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸入 與輸出量能夠跟隨實(shí)際系統(tǒng)的輸入和輸出。
[0036] 優(yōu)選的，所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)根據(jù)所述負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)量、所述電磁轉(zhuǎn)矩輸入量和所 述伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出進(jìn)行重構(gòu)，得到一個(gè)新的虛擬的系統(tǒng)，即所述可 調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸入與輸出量能夠跟隨實(shí)際系統(tǒng)的輸入和輸出。（即可調(diào)子系統(tǒng)通過前饋加 反饋的設(shè)計(jì)方法，其參數(shù)能夠無限接近實(shí)際對(duì)象系統(tǒng)（電機(jī)系統(tǒng)以及所帶負(fù)載）的參數(shù)，而 且參數(shù)的修正是實(shí)時(shí)的，能夠以軟件(可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)）的方式，較好的模擬實(shí)際系統(tǒng)。）
[0037] 優(yōu)選的，所述慣量辨識(shí)系統(tǒng)還包括：
[0038] 光電編碼器，設(shè)置于所述電機(jī)中，采集帶負(fù)載的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速脈沖，得到帶負(fù)載 伺服電機(jī)的位置信號(hào)，將所述位置信號(hào)和所述電磁轉(zhuǎn)矩輸入量輸入至所述全維觀測(cè)器；以 及
[0039] 所述全維觀測(cè)器根據(jù)所述位置信號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩輸入量得到所述負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀 測(cè)量。
[0040] 優(yōu)選的，在可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸入與輸出量跟隨實(shí)際系統(tǒng)的輸入和輸出情況下，所 述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)輸出前饋修正系數(shù)和反饋修正系數(shù)，所述自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)通 過對(duì)所述前饋修正系數(shù)和所述反饋修正系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)的辨 識(shí)值。
[0041] 本發(fā)明的有益效果是：
[0042] (1)由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)計(jì)算式中用到的是對(duì)輸入轉(zhuǎn)矩指令和觀測(cè)負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩的 差值的累加值(積分），對(duì)解決轉(zhuǎn)矩指令輸入中含有幅值比較大噪聲干擾有著較好地效果。
[0043] (2)由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算式中，使用的是對(duì)象模型和可調(diào)模型輸出的差值，對(duì)于微 分單元的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量引起的諧波成分有著較好的抑制作用。
[0044] (3)由于自適應(yīng)辨識(shí)算法的特殊性，以對(duì)象模型和可調(diào)系統(tǒng)的輸出無差收斂為目 標(biāo)，因此在兩個(gè)模型中都插入相同的一階低通濾波器，解決了尤其是低速時(shí)的輸入轉(zhuǎn)矩指 令擾動(dòng)的觀測(cè)，由于速度環(huán)采樣率較電流環(huán)要低，因此濾波器不會(huì)對(duì)使相位發(fā)生延遲、影響 辨識(shí)精度。
[0045] (4)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算式中主要包含有轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)、對(duì)象模型和可調(diào)模型的轉(zhuǎn)速 輸出差值，計(jì)算結(jié)果精度不完全依賴于對(duì)象模型參數(shù)，可以有效抑制由于非線性部分帶來 的諧波等不利因素，最終的收斂結(jié)果使可調(diào)模型的輸出能夠無差地跟蹤到對(duì)象模型轉(zhuǎn)速輸 出。
[0046] (5)當(dāng)可調(diào)系統(tǒng)能夠跟蹤到對(duì)象的輸出，同時(shí)前饋系數(shù)和反饋系數(shù)的實(shí)時(shí)變化也 趨近于收斂，這時(shí)說明可調(diào)模型的參數(shù)能夠無限接近實(shí)際對(duì)象系統(tǒng)的參數(shù);參數(shù)的修正是 實(shí)時(shí)的，能夠根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出精確模擬其運(yùn)行的參數(shù)；
[0047] (6)與（5)相同的理由，建立能夠模仿系統(tǒng)行為尤其是參數(shù)變動(dòng)時(shí)的自適應(yīng)可調(diào)系 統(tǒng)，用到的只是可調(diào)模型輸出和實(shí)際對(duì)象轉(zhuǎn)速測(cè)量輸出之間直接的差值，辨識(shí)無需等待瞬 態(tài)響應(yīng)結(jié)束完全達(dá)到穩(wěn)態(tài)下才能夠進(jìn)行；
[0048] (7)可調(diào)自適應(yīng)系統(tǒng)只是數(shù)字計(jì)算機(jī)構(gòu)建的一個(gè)數(shù)字化系統(tǒng)，對(duì)實(shí)際電機(jī)運(yùn)行過 程不產(chǎn)生任何影響，辨識(shí)的信號(hào)主要引入輸入轉(zhuǎn)矩、擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)信號(hào)和實(shí)際對(duì)象的轉(zhuǎn)速， 并不會(huì)影響系統(tǒng)本身運(yùn)行，無需另外加入偕波成分；
[0049] (8)與（7)相同理由，在轉(zhuǎn)矩控制法則上可任意選取，包括PI控制、自適應(yīng)控制方 法，辨識(shí)機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)生成方法無關(guān)，也說明了此方法的通用性。
[0050] (9)可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)包括自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和可調(diào)子系統(tǒng)，其自適應(yīng)律的設(shè)計(jì)基于李雅普 諾夫穩(wěn)定性定理，也就是最終的重構(gòu)系統(tǒng)遵循李雅普諾夫穩(wěn)定性，也就是根據(jù)可調(diào)子系統(tǒng) 和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，重構(gòu)系統(tǒng)的輸出能夠漸進(jìn)跟蹤實(shí)際系統(tǒng)的輸出，并且系統(tǒng)是漸進(jìn)穩(wěn)定的，即 重構(gòu)系統(tǒng)輸出與實(shí)際系統(tǒng)輸出之間的誤差是收斂的。
【附圖說明】
[0051] 圖1為本發(fā)明電機(jī)伺服系統(tǒng)的慣量辨識(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052]圖2為本發(fā)明全維觀測(cè)器的控制示意圖；
[0053]圖3為本發(fā)明轉(zhuǎn)速輸出的仿真圖；
[0054]圖4為本發(fā)明轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的辨識(shí)值仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 需要說明的是，在不沖突的情況下，下述技術(shù)方案，技術(shù)特征之間可以相互組合。
[0056] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的說明：
[0057]目前的模型參考自適應(yīng)辨識(shí)算法通常采用MIT自適應(yīng)模式，能夠采用自適應(yīng)律梯 度下降的方法同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)的辨識(shí)，其存在的缺點(diǎn)是由于辨識(shí)速度 與辨識(shí)精度產(chǎn)生了矛盾，因此其處理速度只能夠運(yùn)用于離線辨識(shí);并且此方法的辨識(shí)精度 與自適應(yīng)增益的手動(dòng)選擇有關(guān)，其應(yīng)用受到嚴(yán)重的制約。
[0058]在伺服系統(tǒng)運(yùn)行過程中，負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩通常包含電機(jī)所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩和由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 與粘滯摩擦系數(shù)跟真實(shí)值的偏差帶來的擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩兩項(xiàng)，自適應(yīng)辨識(shí)算法難以對(duì)其進(jìn)行精確 和實(shí)時(shí)的辨識(shí)。
[0059] 本實(shí)施例的目的在于提供一種永磁同步伺服系統(tǒng)在不同工況下對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘 滯摩擦系數(shù)的精確辨識(shí)方法，該方法尤其針對(duì)系統(tǒng)負(fù)載或粘滯摩擦系數(shù)變化劇烈的情況， 并且無需輸入端加入測(cè)試諧波，對(duì)系統(tǒng)輸入輸出都沒有影響。辨識(shí)過程中，需要的通常是輸 入和輸出的系列，然而負(fù)載擾動(dòng)作為辨識(shí)單元的重要組成部分，往往是不能夠進(jìn)行直接測(cè) 量，其包含著電機(jī)所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩和由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與粘滯摩擦系數(shù)跟真實(shí)值的偏差帶來的擾動(dòng) 轉(zhuǎn)矩兩項(xiàng)。全維觀測(cè)器在此實(shí)施例中用來對(duì)負(fù)載擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，并與轉(zhuǎn)矩控制器輸出的電 磁轉(zhuǎn)矩疊加，作為修正模型的輸入，提取對(duì)辨識(shí)結(jié)果有用的信息。
[0060] 設(shè)計(jì)過程分為兩塊，如圖1所示，首先建立全維觀測(cè)器，對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量進(jìn) 行重構(gòu)；其次基于觀測(cè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩tw，采用自適應(yīng)辨識(shí)方法，以包括線前饋修正系數(shù) (t)、反饋修正系數(shù)b〇(t)的可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)對(duì)對(duì)象系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出進(jìn)行無差跟蹤，其中重 構(gòu)系統(tǒng)的輸入由電磁轉(zhuǎn)矩I和觀測(cè)的負(fù)載擾動(dòng)狀態(tài)^，其中包含電機(jī)所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩和由 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)與真實(shí)值偏差帶來的擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩兩項(xiàng)。本實(shí)施例以重構(gòu)控制系統(tǒng)的 方法，實(shí)現(xiàn)可調(diào)模型和對(duì)象輸出的無差收斂，保證了可調(diào)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和對(duì)對(duì)象模型 的最佳擬合。在此基礎(chǔ)上，通過辨識(shí)機(jī)構(gòu)精確得到當(dāng)前系統(tǒng)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系 數(shù)。
[0061] 本實(shí)施例中的交流永磁伺服系統(tǒng)的在線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)裝置，可以包括速度控制 器，轉(zhuǎn)矩控制器，電機(jī)和負(fù)載單元和光電編碼器及其微分單元，它仍包括，全維觀測(cè)器、可調(diào) 系統(tǒng)和系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)單元，可調(diào)系統(tǒng)由數(shù)字計(jì)算機(jī)搭建而成，包括可調(diào)前饋?zhàn)酉到y(tǒng)(前饋修 正模塊)和可調(diào)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)(反饋修正模塊）；其中，
[0062]可調(diào)前饋?zhàn)酉到y(tǒng)包括前饋修正系數(shù)和參考模型；
[0063]可調(diào)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)包括反饋修正系數(shù)和參考模型；其中可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)通過前饋修正 系數(shù)和反饋修正系數(shù)對(duì)可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸入輸出進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)軸位置輸出端連接光電編碼 器的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)輸入端，光電編碼器用于采集電機(jī)與負(fù)載單元中電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信 號(hào)，光電編碼器的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)輸出端仍連接全維觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)輸入端。
[0064]速度控制器的轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)輸出端連接轉(zhuǎn)矩控制器的信號(hào)輸入端，光電編碼器輸 出的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)經(jīng)微分單元微分獲得當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，對(duì)光電編碼器輸出量的微分環(huán) 節(jié)會(huì)導(dǎo)致對(duì)測(cè)量噪聲的放大，尤其是在低速時(shí)的微分量會(huì)淹沒有效的信號(hào)，因此在對(duì)象系 統(tǒng)和可調(diào)模型中統(tǒng)一插入相同的一階低通濾波器，速度控制器根據(jù)輸入的當(dāng)前位置控制信 號(hào)以及當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)計(jì)算獲得q軸電流控制信號(hào)，q軸電流控制器連接電機(jī)轉(zhuǎn)矩常 數(shù)Kt得到轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)，電機(jī)給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出端連接轉(zhuǎn)矩控制器的轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)輸入 端，轉(zhuǎn)矩控制器的PWM電壓信號(hào)輸出端連接電機(jī)和負(fù)載單元的PWM電壓信號(hào)輸入端，根據(jù)輸 入的轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)和轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)計(jì)算獲得PWM電壓信號(hào)，電機(jī)傳動(dòng)軸在該P(yáng)WM電壓信號(hào)作 用下帶動(dòng)負(fù)載單元旋轉(zhuǎn)。
[0065] 安裝在所述電機(jī)傳動(dòng)軸上的光電編碼器由電機(jī)的旋轉(zhuǎn)獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)0m (t)和速度控制器的轉(zhuǎn)矩控制輸出信號(hào)Te(t)連接全維觀測(cè)器的狀態(tài)輸入，構(gòu)建擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩觀 測(cè)器，通過對(duì)極點(diǎn)的配置，得到負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量，所觀測(cè)到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量 連接可調(diào)控制系統(tǒng)輸入端，全維觀測(cè)器所得到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)信號(hào)與電機(jī)給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)疊 加后生成控制信號(hào)連接前饋修正模塊的信號(hào)輸入端，參考模型輸入端連接可調(diào)系統(tǒng)的前饋 修正和反饋修正模塊的疊加控制信號(hào)。
[0066] 本實(shí)施例提供了一種永磁同步伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦系數(shù)的辨識(shí)方法，該方 法首先基于全維觀測(cè)器，對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，基于觀測(cè)到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量，與 轉(zhuǎn)矩控制器的輸出轉(zhuǎn)矩信號(hào)疊加作為可調(diào)模型的輸入值。
[0067] 通過可調(diào)系統(tǒng)輸入輸出與對(duì)象電磁轉(zhuǎn)矩輸入和轉(zhuǎn)速輸出的無差收斂，達(dá)到可調(diào)重 構(gòu)與對(duì)象模型之間的最佳擬合。
[0068] 在此基礎(chǔ)上，通過前饋和反饋可調(diào)系數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)之間的關(guān)系來 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)辨識(shí)。
[0069] 本實(shí)施例中，辨識(shí)器采用雙環(huán)路組成，一是由前饋和可調(diào)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)和對(duì)象組成 的內(nèi)環(huán)和可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)組成的外環(huán)。以重構(gòu)的可調(diào)系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 實(shí)時(shí)辨識(shí)的基礎(chǔ)。
[0070] 由測(cè)量得到的伺服電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩信號(hào)、全維觀測(cè)器的負(fù)載擾動(dòng)觀測(cè)信號(hào)、可 調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸出信號(hào)和電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)，以及數(shù)字計(jì)算機(jī)搭建的參考模型系統(tǒng)，共 同構(gòu)成了可調(diào)系統(tǒng)。其目的在于通過可調(diào)系統(tǒng)的輸出與對(duì)象的轉(zhuǎn)速輸出的無差收斂，使可 調(diào)系統(tǒng)模型無限接近于對(duì)象模型?；诖藷o差收斂的可調(diào)系統(tǒng)，以前饋修正系數(shù)和反饋修 正系數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。 [0071 ]可調(diào)重構(gòu)控制系統(tǒng)主要由參考模型和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)律組成，參考模型是采 用計(jì)算機(jī)搭建的一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，本身的參數(shù)選取保證了系統(tǒng)的漸進(jìn)穩(wěn)定性，同時(shí)保證期望 的超調(diào)量、快速性等系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)指標(biāo);其特征仍在于:通過李雅普諾夫穩(wěn)定法設(shè)計(jì) 的自適應(yīng)系統(tǒng)，主要是前饋辨識(shí)系數(shù)ao(t)和反饋辨識(shí)系數(shù)bo(t)的自適應(yīng)律，保證整個(gè)系統(tǒng) 的全局穩(wěn)定性。自適應(yīng)可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)通過快速跟蹤對(duì)象系統(tǒng)性能，基于前饋和反饋的自適 應(yīng)修正參數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)的直接數(shù)學(xué)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)在線辨識(shí)，避免了模型參考 自適應(yīng)(MRA)辨識(shí)法中由于自適應(yīng)律的選擇問題引起的收斂速度和辨識(shí)精度的矛盾問題， 使之不僅局限于在緩變負(fù)載慣量的剛性伺服上的應(yīng)用。
[0072]如圖2所示，上述實(shí)施例中具體的辨識(shí)步驟如下：
[0073] 一、構(gòu)建全維觀測(cè)器
[0077] y = 0m
[0078] 輸入轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)矩控制器輸出的電磁轉(zhuǎn)矩Te，狀態(tài)量分別取為機(jī)械角度、機(jī)械角速 度和擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩，輸出變量為機(jī)械角位置。
[0079] 重構(gòu)觀測(cè)器包括負(fù)載轉(zhuǎn)矩控狀態(tài)空間方程：
[0080]
估計(jì)的狀態(tài)為交=「4 4,芯下取三個(gè)狀態(tài)的比例增 益為K=[ki k2 k3]T，
[0083]取負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)量的Laplace變換得到，7:,.(.v)=-九(4 -<)
[0084] 二、構(gòu)建自適應(yīng)重構(gòu)控制系統(tǒng)
[0085]全維觀測(cè)器的負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩狀態(tài)量輸出與轉(zhuǎn)矩控制疊加信號(hào)連 接參考模型的轉(zhuǎn)矩輸入信號(hào)，以及參考模型轉(zhuǎn)速輸出com(t)和實(shí)際轉(zhuǎn)速cop(t)直接差值e (t)，連接自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)，共同構(gòu)成前饋辨識(shí)參數(shù)ao(t)和反饋辨識(shí)參數(shù)bo(t)，以及由待辨 識(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1和粘滯摩擦系數(shù)^與前饋和反饋辨識(shí)參數(shù)的關(guān)系，由下列推導(dǎo)過程進(jìn)行計(jì) 算：
[0087] t表示時(shí)間，ωρ(〇表示光電編碼器位置輸出信號(hào)經(jīng)微分單元得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè) 量信號(hào)，其中
[0089]三、實(shí)施辨識(shí)算法
[0090]期望a〇(t)在辨識(shí)周期內(nèi)最終收斂于 <，因此取穩(wěn)態(tài) 叫⑴二/W)得到轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量和粘滯摩擦系數(shù)辨識(shí)值的計(jì)算公式：
[0092] BP = ao(t)[Bm-X2j[ wp(t)-c0m(t)]c〇p(t)dt];
[0093] 式中Jm，Bm為所選取參考模型的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值和粘滯摩擦系數(shù)值，&⑴為全維觀測(cè)器 的負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩觀測(cè)量，um(t)為數(shù)字計(jì)算機(jī)搭建的參考模型的轉(zhuǎn)速輸出值，
[0094]自適應(yīng)辨識(shí)前饋辨識(shí)參數(shù)和反饋辨識(shí)參數(shù)計(jì)算公式的獲得方法為：
[0095]給出電機(jī)和負(fù)載單元的動(dòng)力學(xué)方程為：
[0097]式中BP表示電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中的粘滯摩擦系數(shù)，是待辨識(shí)參量之一，Td表示常值負(fù)載 轉(zhuǎn)矩，^^表不速度控制器轉(zhuǎn)矩輸入信號(hào);對(duì)于參考模型期望輸出轉(zhuǎn)速〇m(t)和電機(jī)傳動(dòng)軸輸 出實(shí)際轉(zhuǎn)速ω p(t)差值e(t)，$) = <(0-丸(0，代入動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算得到：
[0100] 基于李雅普托夫穩(wěn)定性理論，找出正定函數(shù)V(e，t)，使e(t)在有限時(shí)間內(nèi)收斂到 零，即數(shù)字計(jì)算機(jī)搭建的參考模型轉(zhuǎn)速輸出《 m(t)完全跟蹤電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速輸出cop(t)， 同時(shí)保證了系統(tǒng)的全局漸進(jìn)穩(wěn)定性，其求解步驟如下；
[0101] (1)求系統(tǒng)平衡點(diǎn)，沖）=(|,:6(〇=0，11-<=0時(shí)為唯一平衡點(diǎn)，
[0103] (3)對(duì)正定函數(shù)就行求導(dǎo)，
[0109] b〇(t)=-A2/ 〇p(t)e(t)dt
[0110] 其中心和\2分別為前饋和反饋回路修正系數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)語言能夠識(shí)別的 離散化形式如下所示：
[0111] a,,{k + I) = af)(k)- A{[iJk)- f/(k)][a>m(k) - (0p(k)]TK
[0112] bo(k+l)=bo(k)-A2cop(k)[ t0m(k)-t0p(k)] .Ts
[0113] 以上前饋和反饋修正系數(shù)ao(t)和bo(t)，使e(t)在一定時(shí)間內(nèi)漸進(jìn)收斂到零，也即
a〇(t)和bQ(t)逐步收斂至 進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)的辨識(shí)公 ，+ 式:采用反向求解的方式，通過前饋系數(shù)ao與反饋系數(shù)bo和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1與粘滯摩擦系數(shù)仏之 間的數(shù)學(xué)關(guān)系，得到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)的離散化辨識(shí)公式，可以直接采用DSP計(jì)算機(jī) 語言應(yīng)用于電機(jī)控制中。
[0118] Bp(k+l)=ao(k){Bm-[bo(k)-A2Qp(k)[ wm(k)-0p(k)] ·Τ8]}
[0119] 本實(shí)施例基于自適應(yīng)控制原理對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的重構(gòu)，使重構(gòu)系統(tǒng)的輸出與電機(jī) 和負(fù)載單元的轉(zhuǎn)速輸出誤差實(shí)現(xiàn)無差收斂，達(dá)到重構(gòu)系統(tǒng)與對(duì)象系統(tǒng)模型的無限近似，并 基于此時(shí)的重構(gòu)系統(tǒng)的前饋可調(diào)系數(shù)和反饋可調(diào)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的辨識(shí)，起到了實(shí) 時(shí)準(zhǔn)確的效果。
[0120] 其中，前饋可調(diào)系數(shù)ao(t)、反饋可調(diào)系數(shù)bo(t)和由數(shù)字計(jì)算機(jī)搭建的參考模型系 統(tǒng)，共同構(gòu)成了可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)。由于負(fù)載擾動(dòng)狀態(tài)$包含電機(jī)所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩和由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 與粘滯摩擦系數(shù)跟真實(shí)值的偏差帶來的擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩兩項(xiàng)，因此構(gòu)建全維觀測(cè)器，對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，基于觀測(cè)到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量，與速度控制器的輸出轉(zhuǎn)矩信號(hào)疊加作 為可調(diào)模型的輸入值，并由自適應(yīng)重構(gòu)系統(tǒng)提煉出包含在負(fù)載轉(zhuǎn)矩中，由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與粘滯 摩擦系數(shù)跟真實(shí)值的偏差帶來的擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化值，辨識(shí)機(jī)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)目標(biāo)參數(shù)的實(shí) 時(shí)和準(zhǔn)確的辨識(shí)。
[0121] 本實(shí)施例基于全維觀測(cè)器實(shí)時(shí)觀測(cè)到的擾動(dòng)負(fù)載觀測(cè)量，實(shí)現(xiàn)基于自適應(yīng)辨識(shí)的 對(duì)象控制系統(tǒng)重構(gòu)，其本質(zhì)就是要使重構(gòu)的自適應(yīng)可調(diào)系統(tǒng)模型輸出能夠無差收斂于對(duì)象 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速輸出，繼而在重構(gòu)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)的精確辨識(shí)。由于重構(gòu) 系統(tǒng)完全由數(shù)字計(jì)算機(jī)構(gòu)成，能夠輕易對(duì)其進(jìn)行辨識(shí)，尤其不對(duì)實(shí)際系統(tǒng)產(chǎn)生影響，不需要 對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的輸入量加入高次諧波等外界因素造成的影響。
[0122] 此方法不僅可以明顯抑制階躍負(fù)載擾動(dòng)的影響，尤其是系統(tǒng)中被控對(duì)象的特性或 參數(shù)的變動(dòng)，與自適應(yīng)回路的動(dòng)態(tài)過程相比是非常緩慢的，因此能夠精確的辨識(shí)出當(dāng)前系 統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化情況。避免了在輸入端提出的通過注入相應(yīng)幅值的諧波指令，給系統(tǒng)帶 來一定的擾動(dòng)。
[0123] 本實(shí)施例采用了基于以實(shí)時(shí)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)的方式對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，并進(jìn) 行在線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)。在電機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)中，由重構(gòu)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)前饋調(diào)整模塊和 反饋調(diào)整模塊與待辨識(shí)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)在線辨識(shí)，滿足了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)的實(shí)時(shí) 性。本實(shí)施例方法的辨識(shí)結(jié)果不受負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦力等因素的影響，可在實(shí) 際生產(chǎn)過程滿足實(shí)時(shí)辨識(shí)要求，不需要對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)過程設(shè)有加減速或者恒速等特殊要 求，方法實(shí)施唯一只需要在自適應(yīng)重構(gòu)控制系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)上即可。
[0124] MRAS的主要思想就是以數(shù)字化的加入前饋系數(shù)和反饋系數(shù)的可調(diào)參考模型作為 對(duì)系統(tǒng)的模擬，以兩者輸出的無差收斂作為目的。由于在大慣量系統(tǒng)中，主要因素是系統(tǒng)轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量的變化問題，因此調(diào)整系數(shù)加參考模型的自適應(yīng)系統(tǒng)避免了參考模型準(zhǔn)確度不高的 問題，較為適用于慣量變動(dòng)較大的此類負(fù)載的精確辨識(shí)。而本方法對(duì)通過全維觀測(cè)器對(duì)擾 動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的提取，并基于重構(gòu)系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，可以實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)速環(huán)控制器的比例和積分系數(shù)自整定，也為對(duì)粘滯摩擦力實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償控制提供了基礎(chǔ)。
[0125] 當(dāng)用戶以制定位置指令開始電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)，分別通過位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制器，最 終根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)和轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)計(jì)算獲得PWM電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變器，帶動(dòng)負(fù)載 旋轉(zhuǎn)。全維觀測(cè)器所觀測(cè)到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)信號(hào)與電機(jī)給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)疊加后生成控制信號(hào) 輸入前饋修正模塊，參考模型輸入端包括可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的前饋修正模塊和反饋修正模塊的 疊加控制信號(hào)。當(dāng)電機(jī)和可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)按照位置指令實(shí)現(xiàn)無差收斂后，通過修正系數(shù)與辨 識(shí)參數(shù)直接的關(guān)系，得到辨識(shí)結(jié)果。
[0126] 本實(shí)施方式中，主要部件功能如下：
[0127] (1)速度環(huán)控制器根據(jù)輸入的當(dāng)前位置控制信號(hào)以及當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)計(jì)算 獲得q軸電流控制信號(hào)，q軸電流控制器連接電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt得到轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)。
[0128] (2)微分單元:光電編碼器輸出的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)經(jīng)微分單元獲得當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速信 號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)反饋和觀測(cè)器構(gòu)建。
[0129] (3)電機(jī)和負(fù)載單元:伺服系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換部件，通過轉(zhuǎn)軸對(duì)負(fù)載進(jìn)行拖動(dòng)。
[0130] (4)全維觀測(cè)器:作為辨識(shí)結(jié)果輸入系列的一部分，負(fù)載擾動(dòng)往往是不能夠進(jìn)行測(cè) 量，因此全維觀測(cè)器作用為對(duì)負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩狀態(tài)量進(jìn)行觀測(cè)。
[0131 ] (5)可調(diào)重構(gòu)模型：本實(shí)施例的核心部分，實(shí)現(xiàn)可調(diào)模型和對(duì)象輸出的無差收斂， 保證可調(diào)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和對(duì)對(duì)象模型的一致性。
[0132] (6)辨識(shí)單元:基于無差收斂的可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)的 準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)辨識(shí)。
[0133] 如圖3、圖4所示，為了驗(yàn)證本實(shí)施例方法的可實(shí)施性，在永磁同步交流伺服系統(tǒng)仿 真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)該方法，仿真平臺(tái)電機(jī)的額定功率是lKw，額定電流為6.7A，轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt為 1.03Nm/A，參考模型的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值Jm為0.00154kg · m2,摩擦系數(shù)Bm為0.02N · m/(rad · s-1)，全維觀測(cè)器的極點(diǎn)配置為a = b = c = _150rad/s。
[0134] 首先在額定負(fù)載下運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線和可調(diào)模型跟蹤輸出響應(yīng)曲線由圖3 所示，最終的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)結(jié)果收斂于Jp = 〇. 015，與給定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值基本吻合，在4s時(shí)刻 加大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，測(cè)試結(jié)果為Jp = 〇.01473,如圖4所示，說明能夠迅速的辨識(shí)出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量結(jié) 果。
[0135] 通過說明和附圖，給出了【具體實(shí)施方式】的特定結(jié)構(gòu)的典型實(shí)施例，基于本發(fā)明精 神，還可作其他的轉(zhuǎn)換。盡管上述發(fā)明提出了現(xiàn)有的較佳實(shí)施例，然而，這些內(nèi)容并不作為 局限。
[0136]對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，閱讀上述說明后，各種變化和修正無疑將顯而易見。 因此，所附的權(quán)利要求書應(yīng)看作是涵蓋本發(fā)明的真實(shí)意圖和范圍的全部變化和修正。在權(quán) 利要求書范圍內(nèi)任何和所有等價(jià)的范圍與內(nèi)容，都應(yīng)認(rèn)為仍屬本發(fā)明的意圖和范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)方法，其特征在于，應(yīng)用于伺服電機(jī)的速度 環(huán)或者位置環(huán)控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，所述慣量辨識(shí)方法包括： 提供一全維觀測(cè)器、自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)和包括自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和可調(diào)子系統(tǒng)的可調(diào)重構(gòu)系 統(tǒng)； 利用所述全維觀測(cè)器實(shí)時(shí)獲取所述伺服電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量； 獲取所述伺服電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩輸入量;利用所述自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和所述可調(diào)子系統(tǒng)根據(jù)所 述負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量和所述電磁轉(zhuǎn)矩輸入量確定所述可調(diào)子系統(tǒng)的前饋修正參數(shù)和反 饋修正參數(shù)； 所述自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)根據(jù)所述前饋修正參數(shù)和反饋修正參數(shù)通過辨識(shí)公式辨識(shí)輸出 所述伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)方法，其特征在于，所述慣 量辨識(shí)方法還包括： 速度控制器或位置環(huán)控制器根據(jù)所述轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)控制所述伺服電機(jī)的 轉(zhuǎn)速和位置。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)方法，其特征在于，所述可 調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)包括： 可調(diào)前饋?zhàn)酉到y(tǒng)和可調(diào)反饋?zhàn)酉到y(tǒng);其中， 所述可調(diào)前饋?zhàn)酉到y(tǒng)包括所述前饋修正系數(shù)和參考模型； 所述可調(diào)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)包括所述反饋修正系數(shù)和所述參考模型；其中所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng) 通過所述前饋修正系數(shù)和所述反饋修正系數(shù)對(duì)所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸入輸出進(jìn)行模擬；以 及 所述自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的輸入量包括所述電磁轉(zhuǎn)矩輸入量和所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸出與所 述伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速之差，并且所述自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的輸出量包括所述前饋修正系數(shù)和所述反饋 修正系數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)方法，其特征在于，所述自 適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)以軟件的形式對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行辨識(shí);所述自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)的輸入量包括 前饋可調(diào)系數(shù)和反饋可調(diào)系數(shù);所述自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)根據(jù)所述前饋可調(diào)系數(shù)和所述反饋可 調(diào)系數(shù)對(duì)所述伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行辨識(shí)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)方法，其特征在于，所述可 調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)包括自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和可調(diào)子系統(tǒng)，所述自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是基于李雅普諾夫穩(wěn)定 性理論得到，可調(diào)子系統(tǒng)的自適應(yīng)律的設(shè)計(jì)基于李雅普諾夫穩(wěn)定性定理。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)方法，其特征在于，所述慣 量辨識(shí)方法中，所述伺服電機(jī)的傳動(dòng)軸上的光電編碼器采集帶負(fù)載的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速脈 沖，得到帶負(fù)載伺服電機(jī)的位置信號(hào)，將所述位置信號(hào)和所述電磁轉(zhuǎn)矩輸入量輸入至所述 全維觀測(cè)器；以及 所述全維觀測(cè)器根據(jù)所述位置信號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩輸入量得到所述負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量。7. -種伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)系統(tǒng)，其特征在于，所述慣量辨識(shí)系統(tǒng)包括： 全維觀測(cè)器，對(duì)所述伺服電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量進(jìn)行觀測(cè)，實(shí)時(shí)得到準(zhǔn)確的負(fù)載 轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量； 可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)，與所述全維觀測(cè)器連接，包括自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和可調(diào)子系統(tǒng)，輸入所述伺服 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩輸入量和所述負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量;以及 所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)根據(jù)所述電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩輸入量和所述全維觀測(cè)器輸出的負(fù)載轉(zhuǎn) 矩狀態(tài)觀測(cè)量，通過其內(nèi)部的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)確定前饋修正參數(shù)和反饋修正參數(shù)的值； 自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)，與所述可調(diào)控制單元連接，根據(jù)所述前饋修正參數(shù)和反饋修正參數(shù) 的值通過辨識(shí)公式辨識(shí)確定所述伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)系統(tǒng)，其特征在于，所述慣 量辨識(shí)系統(tǒng)還包括： 速度控制器或位置環(huán)控制器根據(jù)所述轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)控制所述伺服電機(jī)的 轉(zhuǎn)速和位置。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)系統(tǒng)，其特征在于，所述可 調(diào)子系統(tǒng)包括:可調(diào)前饋?zhàn)酉到y(tǒng)和/或可調(diào)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)。10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)系統(tǒng)，其特征在于，所述 可調(diào)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)在預(yù)設(shè)的算法中計(jì)算得出。11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)系統(tǒng)，其特征在于，所述 可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)根據(jù)所述電磁轉(zhuǎn)矩輸入量和所述伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出進(jìn) 行重構(gòu)，經(jīng)過自適應(yīng)算法設(shè)計(jì)，所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的輸入與輸出量能夠跟隨實(shí)際系統(tǒng)的輸 入和輸出。12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)系統(tǒng)，在可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的 輸入與輸出量能夠跟隨實(shí)際系統(tǒng)的輸入和輸出情況下，所述可調(diào)重構(gòu)系統(tǒng)的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)輸 出前饋修正系數(shù)和反饋修正系數(shù)，所述自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)通過對(duì)所述前饋修正系數(shù)和所述反 饋修正系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯摩擦系數(shù)的辨識(shí)值。13. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的慣量在線辨識(shí)系統(tǒng)，其特征在于，所述 慣量辨識(shí)系統(tǒng)還包括： 光電編碼器，設(shè)置于所述電機(jī)中，采集帶負(fù)載的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速脈沖，得到帶負(fù)載伺服 電機(jī)的位置信號(hào)，將所述位置信號(hào)和所述電磁轉(zhuǎn)矩輸入量輸入至所述全維觀測(cè)器;以及 所述全維觀測(cè)器根據(jù)所述位置信號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩輸入量得到所述負(fù)載轉(zhuǎn)矩狀態(tài)觀測(cè)量。
【文檔編號(hào)】H02P21/20GK106026822SQ201610410805
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月13日
【發(fā)明人】張韜, 鮑海靜, 方江龍
【申請(qǐng)人】上海電氣集團(tuán)股份有限公司