一種基于參考模型自適應(yīng)的慣量比調(diào)節(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及伺服系統(tǒng)慣量比控制領(lǐng)域，具體的涉及一種基于參考模型自適應(yīng)的慣 量比調(diào)節(jié)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，工業(yè)機器人、高端數(shù)控機床等先進(jìn)制造裝備發(fā)展極其迅速，這就使得通用型 伺服系統(tǒng)應(yīng)用更加廣泛。在不同系統(tǒng)的應(yīng)用中，機械振動是伺服系統(tǒng)中最普遍的一個問題， 振動阻礙了系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度的提高，以振動抑制為目的的控制技術(shù)成為高性能伺服系統(tǒng)的 重要標(biāo)志。機械振動的主要起因之一是電動機和負(fù)載之間的轉(zhuǎn)動慣量比不相匹配。
[0003] 假設(shè)電機的轉(zhuǎn)動慣量為Im，負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量為Ie，則負(fù)載與電機的慣量比為Ie/ Im，而為了保證轉(zhuǎn)動慣量比相匹配，在伺服系統(tǒng)實際應(yīng)用中通過改變負(fù)載或電機的轉(zhuǎn)動慣 量來實現(xiàn)最優(yōu)慣量比是不現(xiàn)實的。基于控制算法實現(xiàn)的可調(diào)慣量比方法不僅提高了系統(tǒng)性 能，也降低了系統(tǒng)成本，因此成為振動抑制中重要技術(shù)方法之一。
[0004] 在伺服領(lǐng)域，目前對于可調(diào)慣量比方法的控制方法，在實際系統(tǒng)中主要包括基于 擾動觀測器的共振比控制和基于加速度反饋的電機有效轉(zhuǎn)動慣量控制兩種實現(xiàn)方法，但是 這兩種方法在實際伺服系統(tǒng)中都需要利用速度反饋的微分信號來進(jìn)行狀態(tài)重構(gòu)，并實現(xiàn)系 統(tǒng)等效可調(diào)慣量比。
[0005] 然而，在利用速度反饋的微分信號進(jìn)行狀態(tài)重構(gòu)時，為了抑制微分信號中噪聲對 重構(gòu)信號的影響，都需要進(jìn)行低通濾波處理，但是低通濾波處理通常都會導(dǎo)致相移，從而直 接導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能的降低，并且低通濾波處理的方法使得整個算法僅適用于低頻振動情 況，并不具備普適性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種既能實現(xiàn)可調(diào)慣量比控制特性，又能避免現(xiàn)有慣量比 控制方法的缺點，并能在更寬頻率范圍內(nèi)有效抑制機械振動，并且提高系統(tǒng)性能的控制方 法。
[0007] -種慣量比調(diào)節(jié)方法，該方法包括以下步驟： (1) 測量伺服電機的實際角速度ω2，與參考模型的期望目標(biāo)角速度〇):做差，求出兩者 的差值Λ ω ; (2) 將Λ ω輸入到自適應(yīng)控制器，經(jīng)過自適應(yīng)控制器的調(diào)節(jié)，輸出轉(zhuǎn)矩補償值ΛΤ ; (3) 伺服驅(qū)動器的速度調(diào)節(jié)器給定值Te加上/減去轉(zhuǎn)矩補償值△ Τ，獲得的差值輸入到轉(zhuǎn)矩調(diào) 節(jié)器，然后將轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出值加上/減去負(fù)載轉(zhuǎn)矩?Υ，獲得伺服電機的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)量，對 伺服電機進(jìn)行調(diào)節(jié)； (4)重復(fù)上述步驟（1)至步驟（3)，直到獲得期望的慣量比。
[0008] 優(yōu)選地，所述慣量比調(diào)節(jié)方法是基于參考模型自適應(yīng)的，所述參考模型的形式不 固定，包括擁有轉(zhuǎn)矩輸入和轉(zhuǎn)速輸出的控制模型。
[0009] 優(yōu)選地，所述參考模型的傳遞函數(shù)可以是 Co1(S) =ω2 (s) XJm /J1 - AT(S)Z(J1S) 優(yōu)選地，所述參考模型可以是帶摩擦特性和非線性特性的電機模型。
[0010] 優(yōu)選地，所述自適應(yīng)控制器用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩給定值，使電機在系統(tǒng)控制上的等效轉(zhuǎn) 動慣量與期望電機模型的慣量保持一致，其傳遞函數(shù)可以是 K cp+ K cI /s。 toon] 優(yōu)選地，所屬轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器可以是PI調(diào)節(jié)器，也可以是滯環(huán)控制器和直接轉(zhuǎn)矩控制 器。
[0012] 本發(fā)明提供的一種基于參考模型自適應(yīng)的慣量比調(diào)節(jié)方法，具有以下優(yōu)點： 1. 相比于現(xiàn)有技術(shù)中的慣量比調(diào)節(jié)方法而言，本發(fā)明的慣量比調(diào)節(jié)方法采用模型參考 自適應(yīng)方法，而無需采用速度反饋微分信號的直接計算方法來實現(xiàn)慣量補償和特性模擬， 從而也就避免了現(xiàn)有技術(shù)中低通濾波器所導(dǎo)致的系統(tǒng)控制性能的降低； 2. 本發(fā)明的慣量比調(diào)節(jié)方法中的自適應(yīng)控制器擁有多種控制結(jié)構(gòu)類型，具有普遍適用 性，并不局限于某種特定類型的控制結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)更加多樣和靈活，更能適應(yīng)多 種控制環(huán)境的需要，從而拓展了慣量比調(diào)節(jié)方法的應(yīng)用范圍，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和快速 性，使系統(tǒng)在整個帶寬內(nèi)都具備實現(xiàn)可調(diào)慣量比的控制能力； 3. 本發(fā)明的慣量比調(diào)節(jié)方法中，參考模型的形式并不固定的，任何擁有轉(zhuǎn)矩輸入和轉(zhuǎn) 速輸出的控制模型都可以成為參考模型，使得本發(fā)明的慣量比調(diào)節(jié)方法可以適用于幾乎所 有電機的慣量比調(diào)節(jié)。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明所述方法的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0014] 圖2為本發(fā)明所述方法的系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖。
[0015] 圖3為采用本發(fā)明所述方法的等效系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型；
【具體實施方式】 結(jié)合具體實施例對本
【發(fā)明內(nèi)容】
進(jìn)行具體說明如下： 本發(fā)明的一種基于參考模型自適應(yīng)的慣量比調(diào)節(jié)方法，是以期望轉(zhuǎn)動慣量電機的數(shù)學(xué) 模型為參考，計算出任意時刻期望電機慣量系統(tǒng)的目標(biāo)角速度O1，目標(biāo)角速度Co1與實際 系統(tǒng)角速度ω 2之差，經(jīng)過一個無靜差自適應(yīng)控制器，自動調(diào)節(jié)補償被控電機的轉(zhuǎn)矩T1，使 被控電機在控制上的等效轉(zhuǎn)動慣量與期望值相一致，以達(dá)到調(diào)整電機和負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量比的 目的。
[0016] 圖1為本發(fā)明所述調(diào)節(jié)方法的示意圖，包含參考模型、自適應(yīng)控制器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) 器、伺服電機，其中Te為伺服驅(qū)動器的速度調(diào)節(jié)器給定值，IY為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，ω i為期望慣量 系統(tǒng)的目標(biāo)角速度，《2為實際系統(tǒng)的角速度，ΛΤ為自適應(yīng)控制器的補償輸出值。
[0017] 所述調(diào)節(jié)方法的步驟如下： (1)測量伺服電機的實際角速度ω2，然后與參考模型的期望目標(biāo)角速度CO1做差，求出 兩者的差值Δ ω ; (2) 將Λ ω輸入到自適應(yīng)控制器，經(jīng)過自適應(yīng)控制器的調(diào)節(jié)，輸出轉(zhuǎn)矩補償值ΛΤ ; (3) 伺服驅(qū)動器的速度調(diào)節(jié)器給定值Te加上/減去轉(zhuǎn)矩補償值△ Τ，獲得的差值輸入 到轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，然后將轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出值加上/減去負(fù)載轉(zhuǎn)矩?Υ，獲得伺服電機的轉(zhuǎn)矩調(diào) 節(jié)量，對伺服電機進(jìn)行調(diào)節(jié)； (4) 重復(fù)上述步驟（1)至步驟（3)，直到獲得期望的慣量比。
[0018] 其中，自適應(yīng)控制器用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩給定值，使電機在系統(tǒng)控制上的等效轉(zhuǎn)動慣量 與期望電機模型的慣量保持一致，可以是無靜差自適應(yīng)控制器，也可以使其他類型的自適 應(yīng)控制器；轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器為伺服驅(qū)動器的轉(zhuǎn)矩控制裝置；伺服電機為伺服驅(qū)動器控制器的執(zhí) 行電機裝置，其轉(zhuǎn)動慣量為J M。
[0019] 圖2是泵發(fā)明所述方法的系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖， 其中轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G(S)， 伺服電機的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為l/JM(s)， 自適應(yīng)控制器的傳遞函數(shù)可以是PI型的自適應(yīng)控制器，其傳遞函數(shù)為 K CP+ K cl /s ， 而參考模型的傳遞函數(shù)為 CO1(S) =ω2 (S) XJm /J1 - AT(S)Z(J1S) 上式中1為期望的電機轉(zhuǎn)動慣量，通過改變參考模型中J i的值，可以增大或減小電機 和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量比，使轉(zhuǎn)動慣量比達(dá)到一個系統(tǒng)控制需要的最優(yōu)值。
[0020] 需要強調(diào)的是自適應(yīng)控制器擁有多種控制結(jié)構(gòu)類型；轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器可以采用但不局 限于矢量控制中的PI調(diào)節(jié)器，如采用滯環(huán)控制器和直接轉(zhuǎn)矩控制器；同樣，參考模型的形 式也不是固定的，本發(fā)明之中涉及的上述電機模型僅為典型的一種，擁有轉(zhuǎn)矩輸入和轉(zhuǎn)速 輸出的控制模型都可以成為參考模型，比如采用帶摩擦特性和非線性特性的電機模型，因 此，本發(fā)明的慣量比調(diào)節(jié)方法在電機領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用空間。
[0021] 圖3為采用本發(fā)明所述方法的等效系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型，從圖3中可以看出，經(jīng)過本 發(fā)明的調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)之后，電機的轉(zhuǎn)動慣量為J 1，實際角速度為ω1()
[0022] 盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造 性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu) 選實施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。
[0023] 顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精 神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍 之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種慣量比調(diào)節(jié)方法，該方法包括以下步驟： (1) 測量伺服電機的實際角速度《2，與參考模型的期望目標(biāo)角速度做差，求出兩者 的差值A(chǔ) ? ; (2) 將A ?輸入到自適應(yīng)控制器，經(jīng)過自適應(yīng)控制器的調(diào)節(jié)，輸出轉(zhuǎn)矩補償值A(chǔ)T ; (3) 伺服驅(qū)動器的速度調(diào)節(jié)器給定值Te加上/減去轉(zhuǎn)矩補償值△ T，獲得的差值輸入 到轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，然后將轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出值加上/減去負(fù)載轉(zhuǎn)矩IV，獲得伺服電機的轉(zhuǎn)矩調(diào) 節(jié)量，對伺服電機進(jìn)行調(diào)節(jié)； (4) 重復(fù)上述步驟（1)至步驟（3)，直到獲得期望的慣量比。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種慣量比調(diào)節(jié)方法，其特征在于： 所述慣量比調(diào)節(jié)方法是基于參考模型自適應(yīng)的，所述參考模型的形式不固定，包括擁 有轉(zhuǎn)矩輸入和轉(zhuǎn)速輸出的控制模型。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種慣量比調(diào)節(jié)方法，其特征在于： 所述參考模型的傳遞函數(shù)可以是 ?i(s) =W2 (s) XJM /J: - AI^sVGiS)。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種慣量比調(diào)節(jié)方法，其特征在于： 所述參考模型可以是帶摩擦特性和非線性特性的電機模型。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種慣量比調(diào)節(jié)方法，其特征在于： 所述自適應(yīng)控制器用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩給定值，使電機在系統(tǒng)控制上的等效轉(zhuǎn)動慣量與期望 電機模型的慣量保持一致，其傳遞函數(shù)可以是 K cp+ K cI /s。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種慣量比調(diào)節(jié)方法，其特征在于： 所屬轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器可以是PI調(diào)節(jié)器，也可以是滯環(huán)控制器和直接轉(zhuǎn)矩控制器。
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種慣量比調(diào)節(jié)方法，是以期望轉(zhuǎn)動慣量電機的數(shù)學(xué)模型為參考，計算出任意時刻期望電機慣量系統(tǒng)的目標(biāo)角速度，目標(biāo)角速度與實際系統(tǒng)角速度之差，經(jīng)過一個無靜差自適應(yīng)控制器，自動調(diào)節(jié)補償被控電機的轉(zhuǎn)矩，使被控電機在控制上的等效轉(zhuǎn)動慣量與期望值相一致，以達(dá)到調(diào)整電機和負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量比的目的，無需采用速度反饋微分信號的直接計算方法來實現(xiàn)慣量補償和特性模擬，避免了因低通濾波器所導(dǎo)致的系統(tǒng)控制性能的降低。
【IPC分類】G05B19-18
【公開號】CN104656556
【申請?zhí)枴緾N201510033558
【發(fā)明人】李秋生, 劉波, 湯小平
【申請人】清能德創(chuàng)電氣技術(shù)（北京）有限公司
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年1月23日