交流伺服系统机械谐振抑制方法以及系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910968032.3 (22)申请日 2019.10.12 (71)申请人 武汉科技大学 地址 430081 湖北省武汉市青山区和平大 道947号 (72)发明人 卢少武吴波刘婕周凤星 马娅婕但峰严保康胡轶 宁博文 (74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限 公司 42102 代理人 崔友明 (51)Int.Cl. H02P 23/04(2006.01) H02P 23/12(2006.01) (54)发明名称 交流伺服系统机械谐振抑制方法以及系统 (57)摘要 本发。

2、明涉及交流伺服控制系统技术领域， 提 供了一种交流伺服系统机械谐振抑制方法， 包括 如下步骤： S1， 建立双惯量传动装置模型； S2， 为 所述双惯量传动装置模型增加ADRC控制器结构； S3， 在增加了所述ADRC控制器结构的模型的基础 上再加入负载加速度反馈补偿。 还提供了一种交 流伺服系统机械谐振抑制系统， 包括双惯量传动 装置模型、 增加在所述双惯量传动装置模型上的 ADRC控制器结构以及在所述ADRC控制器结构增 加后再加入的负载加速度反馈结构。 本发明与传 统PI控制器相比， 改进的ADRC能对谐振现象产生 一定的抑制效果， 同时能实系统高速响应、 高稳 态精度； ADRC控制器。

3、结构的状态观测器能够同时 观测出系统的状态变量和扰动， 通过添加补偿可 以消除这些扰动。 权利要求书3页 说明书8页 附图2页 CN 110784149 A 2020.02.11 CN 110784149 A 1.一种交流伺服系统机械谐振抑制方法， 其特征在于， 包括如下步骤： S1， 建立双惯量传动装置模型； S2， 为所述双惯量传动装置模型增加ADRC控制器结构； S3， 在增加了所述ADRC控制器结构的模型的基础上再加入负载加速度反馈补偿。 2.如权利要求1所述的交流伺服系统机械谐振抑制方法， 其特征在于： 所述双惯量传动 装置模型包括电机、 传动装置以及负载， 所述电机的机械方程为：其。

4、中， JM为电机惯量， M为电机转 速， Te为电磁转矩， TL为负载转矩， BM为阻尼系数 对所述模型进行简化， 有以下关系式： 整理得电机侧传递函数为： 负载转速与伺服电机输出电磁转矩传递函数为： 转速之间的传递函数关系为： 伺服系统谐振方程为：其中谐振频率 M为电机转速， L为负载转速。 3.如权利要求1所述的交流伺服系统机械谐振抑制方法， 其特征在于， 所述ADRC控制器 结构的形成包括跟踪微分器的设计、 状态观测器的设计以及非线性误差反馈率的设计。 4.如权利要求3所述的交流伺服系统机械谐振抑制方法， 其特征在于， 所述跟踪微分器 的设计具体为， 对速度指令的跟踪微分期进行处理， 最。

5、速离散跟踪微分器可表示为： 其中， h为采样周期， r(k)为第k时刻的 输入速度信号， r1为r(k)的跟踪信号， r2可近似为r(k)的微分信号， 为决定跟踪快慢的 参数。 fst()函数为最速控制综合函数， 描述如下： 权利要求书 1/3 页 2 CN 110784149 A 2 其中， d h； d0hd； yx1+hx2； 输入信号为r(k)， 采用微分器， 可实现r1(k)r(k)，微分器可同时实 现滤波。 最终得到： 5.如权利要求3所述的交流伺服系统机械谐振抑制方法， 其特征在于， 所述状态观测器 的设计具体为， 所述状态观测器为扩张状态观测器， 将电机转速的观测值z1， 已知。

6、扰动(负载转矩TL)和 未知的扰动统一视为总扰动， 将总扰动视为扩张状态z2： 其中， e为电机转速的跟踪反馈信号z1 和被观测量电机转速M的误差， 1、 2是观测器增益， u为被控量iq， 对于已经建立了的电流内环， 扰动补偿因子当设计的扩张状态观测器满足稳 定条件时， 1、 2和0之间满足以下关系式： s2+ 1s+ 2(s+0)2， 求解可得 120， 202， 其中， 0为状态观测器的带宽， 有 6.如权利要求3所述的交流伺服系统机械谐振抑制方法， 其特征在于， 所述非线性误差 反馈率的设计， 将采用直接误差代替非线性函数， 直接计算两个状态变量的误差， 利用前面的观测器 增益调节观测。

7、器观测速度， 前向通道中的状态反馈控制律为： 其中， K为比例控制系数， 一般取 7.如权利要求1所述的交流伺服系统机械谐振抑制方法， 其特征在于， 加入负载加速度 反馈补偿后， 负载转速与伺服电机输出电磁转矩传递函数为： 其中， 2为增益补偿系数， 1为负载加 速度反馈系数， 权利要求书 2/3 页 3 CN 110784149 A 3 此时的谐振频率为： 通过改变负载加速度反馈系数1的值来调节谐振频 率。 8.一种交流伺服系统机械谐振抑制系统， 其特征在于： 包括双惯量传动装置模型、 增加 在所述双惯量传动装置模型上的ADRC控制器结构以及在所述ADRC控制器结构增加后再加 入的负载加速度。

8、反馈结构。 9.如权利要求8所述的交流伺服系统机械谐振抑制系统， 其特征在于： 所述双惯量传动 装置模型包括电机、 传动装置以及负载， 所述传动装置将所述电机的运动和动力传给所述 负载， 从而控制所述负载的运动达到系统的要求。 权利要求书 3/3 页 4 CN 110784149 A 4 交流伺服系统机械谐振抑制方法以及系统 技术领域 0001 本发明涉及交流伺服控制系统技术领域， 具体为一种交流伺服系统机械谐振抑制 方法以及系统。 背景技术 0002 以高速、 高精为目标的交流伺服系统， 在激光加工、 机器人、 高精度机床等高科技 领域中得到了非常广泛的应用。 速度环的精确控制可以减少扰动对。

9、系统的影响、 减小转速 波动， 使得系统工作在稳定状态。 速度环控制是永磁同步电机伺服系统中应用最广泛的一 种控制方式， 良好的速度环控制能够有效抑制电流环及速度环中的不确定扰动， 从而提高 系统整体性能。 0003 机械谐振的抑制， 可以从机械方面和控制方面两方面考虑。 从机械方面， 提高系统 阻尼、 降低系统负载惯量比， 还有提高系统传动装置的刚度， 都能提高系统的谐振频率， 使 其在系统正常工作带宽外。 0004 然而， 电机与传动装置之间的粘性系数、 以及传动装置与负载之间的粘性系数很 难提高； 负载惯量比由具体的控制对象决定， 无法随意改动； 传动装置的刚度， 通过机械设 计能够有所。

10、改善， 但改善程度有限。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种交流伺服系统机械谐振抑制方法以及系统， 能自动检 测系统的模型和外扰实时作用并予以补偿， 能对谐振产生一定的抑制， 加上负载加速度反 馈后谐振得到更好的抑制。 0006 为实现上述目的， 本发明实施例提供如下技术方案： 一种交流伺服系统机械谐振 抑制方法， 包括如下步骤： 0007 S1， 建立双惯量传动装置模型； 0008 S2， 为所述双惯量传动装置模型增加ADRC控制器结构； 0009 S3， 在增加了所述ADRC控制器结构的模型的基础上再加入负载加速度反馈补偿。 0010 进一步， 所述双惯量传动装置模型包括电机、 。

11、传动装置以及负载， 0011所述电机的机械方程为：其中， JM为电机惯量， M为电 机转速， Te为电磁转矩， TL为负载转矩， BM为阻尼系数 0012 对所述模型进行简化， 有以下关系式： 0013 0014 整理得电机侧传递函数为： 说明书 1/8 页 5 CN 110784149 A 5 0015 0016 负载转速与伺服电机输出电磁转矩传递函数为： 0017 0018 转速之间的传递函数关系为： 0019 0020伺服系统谐振方程为：其中谐振频率 M为电机转速， L为负载转速。 0021 进一步， 所述ADRC控制器结构的形成包括跟踪微分器的设计、 状态观测器的设计 以及非线性误差反。

12、馈率的设计。 0022 进一步， 所述跟踪微分器的设计具体为， 0023 对速度指令的跟踪微分期进行处理， 最速离散跟踪微分器可表示为： 0024其中， h为采样周期， r(k)为第k时 刻的输入速度信号， r1为r(k)的跟踪信号， r2可近似为r(k)的微分信号， 为决定跟踪快 慢的参数。 0025 fst()函数为最速控制综合函数， 描述如下： 0026 0027 0028其中， d h； d0hd； yx1+hx2； 0029输入信号为r(k)， 采用微分器， 可实现r1(k)r(k)，微分器可 同时实现滤波。 0030最终得到： 0031 进一步， 所述状态观测器的设计具体为， 00。

13、32 所述状态观测器为扩张状态观测器， 将电机转速的观测值z1， 已知扰动(负载转矩 TL)和未知的扰动统一视为总扰动， 将总扰动视为扩张状态z2： 说明书 2/8 页 6 CN 110784149 A 6 0033其中， e为电机转速的跟踪反馈 信号z1和被观测量电机转速M的误差， 1、 2是观测器增益， u为被控量iq， 0034对于已经建立了的电流内环， 扰动补偿因子当设计的扩张状态观测器 满足稳定条件时， 1、 2和0之间满足以下关系式： 0035 s2+ 1s+ 2(s+0)2， 0036求解可得 120， 202， 其中， 0为状态观测器的带宽， 有 0037 进一步， 所述非线性。

14、误差反馈率的设计， 0038 将采用直接误差代替非线性函数， 直接计算两个状态变量的误差， 利用前面的观 测器增益调节观测器观测速度， 前向通道中的状态反馈控制律为： 0039其中， K为比例控制系数， 一般取 0040 进一步， 加入负载加速度反馈补偿后， 负载转速与伺服电机输出电磁转矩传递函 数为： 0041其中， 2为增益补偿系数， 1为 负载加速度反馈系数， 0042 此时的谐振频率为： 0043通过改变负载加速度反馈系数1的值来调节谐 振频率。 0044 本发明实施例提供另一种技术方案： 一种交流伺服系统机械谐振抑制系统， 包括 双惯量传动装置模型、 增加在所述双惯量传动装置模型上的。

15、ADRC控制器结构以及在所述 ADRC控制器结构增加后再加入的负载加速度反馈结构。 0045 进一步， 所述双惯量传动装置模型包括电机、 传动装置以及负载， 所述传动装置将 所述电机的运动和动力传给所述负载， 从而控制所述负载的运动达到系统的要求。 0046 与现有技术相比， 本发明的有益效果是： 0047 1、 与传统PI控制器相比， 改进的ADRC能对谐振现象产生一定的抑制效果， 同时能 实系统高速响应、 高稳态精度。 0048 2、 ADRC控制器结构的状态观测器能够同时观测出系统的状态变量和扰动， 通过添 加补偿可以消除这些扰动， 显著降低参数变化和负载扰动对系统带来的影响， 突出抗负。

16、载 扰动强的特点。 0049 3、 本发明不依赖精准的系统模型即可实现伺服系统谐振抑制， 控制器参数彼此独 立、 配置简单。 说明书 3/8 页 7 CN 110784149 A 7 0050 4、 本发明可通过改变负载加速度反馈系数 1的值来调节系统等效谐振频率， 就能 进一步对机械谐振进行抑制。 附图说明 0051 图1为本发明实施例提供的一种交流伺服系统机械谐振抑制方法的双惯量传动装 置模型框图； 0052 图2为现有的PI控制器加负载加速度反馈补偿谐振抑制结构图； 0053 图3为本发明实施例提供的一种交流伺服系统机械谐振抑制方法的ADRC控制器结 构图； 0054 图4为本发明实施例。

17、提供的一种交流伺服系统机械谐振抑制方法的ADRC负载加速 度反馈补偿谐振抑制结构图。 具体实施方式 0055 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于 本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它 实施例， 都属于本发明保护的范围。 0056 实施例一： 0057 本发明实施例提供一种交流伺服系统机械谐振抑制方法， 包括如下步骤： S1， 建立 双惯量传动装置模型； S2， 为所述双惯量传动装置模型增加ADRC控制器结构； S3， 在增。

18、加了 所述ADRC控制器结构的模型的基础上再加入负载加速度反馈补偿。 现有技术中可以将机械 谐振抑制分为以下两类： 一类是主动抑制方法， 如基于PID结构极点配置， 基于观测器观测 负载转速、 负载转矩等， 基于模型参考自适应、 模糊控制、 遗传算法等高级控制算法， 文献 (闵溢龙,王淦泉.三轴稳定卫星扫描镜伺服系统的谐振抑制J.控制理论与应用,2018,35 (9):1250-1259.DOI:10.7641/CTA.2018.70588.)提出一种基于PI控制器伺服系统机械谐 振加速度反馈方法。 此种方法能很好的抑制机械谐振， 但存在响应有超调和延迟， 抗负载扰 动能力不足。 另一类是被动。

19、抑制方法， 被动抑制主要是通过设计陷波滤波器来抑制机械谐 振， 文献(Wook Bahn,Tae-Il Kim,Sang-Hoon Lee,Dong-Il “Dan” Cho.Resonant frequency estimation for adaptive notch filters in industrial servo systemsJ .Mechatronics,2017,41(15):45-52)提出一种工业伺服系统中自适应陷波滤波器的谐振 频率估计方法。 基于模型的谐振抑制方法算法简单， 稳定性好， 但是依赖被控模型结构和参 数的辨识精度。 针对二阶系统积分谐振控制的解析方法的设。

20、计复杂， 不易实现。 本发明拟采 用一种基于ADRC的交流伺服系统机械谐振负载加速度反馈抑制方法， 该方法设计简单易实 现， 谐振抑制明显， 而且系统速度响应快、 稳定精度高、 抗负载扰动强。 0058 图1为本发明双惯量传动装置模型框图。 其中， JM为电机惯量， Te为电磁转矩， TL为 负载转矩， BM为阻尼系数,Ts为弹性阻尼矩， M为电机转速， L为负载转速。 电机带弹性负 载的机械部分主要包括电机、 传动装置和负载， 其中传动装置将电机的运动和动力传给负 载， 从而控制负载的运动达到系统的要求。 传动装置存在一定的弹性系数， 当系统带宽不断 上升， 达到甚至超过传动轴的固有频率时，。

21、 伺服电机带动负载就会产生机械谐振。 说明书 4/8 页 8 CN 110784149 A 8 0059 电机机械方程为： 0060 0061 其中， P为PMSM极对数，f为电机转子磁链。 0062 图1将伺服电机带动柔性负载的系统模型简化成一个双惯量模型， 电机与负载之 间的关系式如下： 0063 0064 对系统模型进行简化， 整理得电机侧传递函数为： 0065 0066 负载转速与伺服电机输出电磁转矩传递函数为： 0067 0068 转速之间的传递函数关系为： 0069 0070伺服系统谐振方程为：其中谐振频率 0071 基于ADRC的交流伺服系统机械谐振负载加速度反馈抑制方法， 不依。

22、赖精确的系统 模型， 即可实现伺服系统谐振抑制， 且控制器参数彼此独立、 配置简单， 没有超调和延迟现 象， 抗负载扰动的能力强。 设计的ADRC能对机械谐振产生初步的抑制， 加入负载加速度反馈 后， 机械谐振抑制效果进一步加强。 0072 作为本发明实施例的优化方案， 所述ADRC控制器结构的形成包括跟踪微分器的设 计、 状态观测器的设计以及非线性误差反馈率的设计。 0073 ADRC的设计分为以下三步： 0074 (1)跟踪微分器的设计 0075 速度指令的跟踪微分器处理： 对速度指令安排过渡过程并提供高信噪比的微分信 号， 最速离散跟踪微分器可表示为： 0076 0077 其中， h为采。

23、样周期， r(k)为第k时刻的输入速度信号， r1为r(k)的跟踪信号， r2 可近似为r(k)的微分信号， 为决定跟踪快慢的参数。 fst()函数为最速控制综合函数， 描 说明书 5/8 页 9 CN 110784149 A 9 述如下： 0078 0079 0080其中， d h； d0hd； yx1+hx2； 0081输入信号为r(k)， 采用微分器， 可实现r1(k)r(k)，微分器可 同时实现滤波。 0082 由式(1)、 (2)得： 0083 0084 (2)状态观测器的设计 0085 ADRC控制器如图3， ADRC的核心是扩张状态观测器， 将电机转速的观测值z1， 已知 扰动(。

24、负载转矩TL)和未知的扰动统一视为总扰动， 将总扰动视为扩张状态z2。 0086 0087 其中， e为电机转速的跟踪反馈信号z1和被观测量电机转速M的误差， 1、 2是观 测器增益， u为被控量iq。 0088对于已经建立了的电流内环， 扰动补偿因子当设计的扩张状态观测器 满足稳定条件时， 1、 2和0之间满足以下关系式： 0089 s2+ 1s+ 2(s+0)2 (11) 0090求解可得 120， 202， 其中， 0为状态观测器的带宽， 有 0091 (3)非线性误差反馈率的设计 0092 为了方便ADRC控制器的参数调整和简化结构， 将采用直接误差代替非线性函数， 直接计算两个状态变。

25、量的误差， 利用前面的观测器增益调节观测器观测速度。 前向通道中 的状态反馈控制律为： 0093 0094其中， K为比例控制系数， 一般取 0095 维持前向通道中的误差反馈控制律形式不变， 便可以将伺服系统对原系统的影响 和改变视为一种可以建模并加以补偿的扰动， 由于ADRC中状态观测器中z2对扰动的估计精 度要很高， 不能完全对谐振产生的影响进行精确补偿， 谐振抑制的效果有待进一步提升。 说明书 6/8 页 10 CN 110784149 A 10 ADRC参数可以通过实际系统来简单调节， 使系统具有良好的鲁棒性、 抗扰动能力和控制精 度。 0096 图2是现有技术中基于PI控制器的交流。

26、伺服系统机械谐振负载加速度反馈抑制方 法原理图， 图中PI控制器也就是比例积分控制器， KP为比例系数，i为积分时间常数， 二者均 可调， PI控制器的传递函数为： 0097 0098 可以看出PI控制器不仅给系统引进了一个纯积分环节， 而且还引进了一个开环零 点。 零点的引进使得响应具有较大的超调量， 从频域的角度来说， 每一个积分环节都会带来 负九十度的相位延迟， 会降低相位裕度。 基于PI控制器的交流伺服系统机械谐振负载加速 度反馈抑制方法还存在抗负载扰动能力不足的缺点。 0099 作为本发明实施例的优化方案， 为了达到将机械谐振抑制在最小状态， 加入负载 加速度反馈的方法。 由于加入后。

27、伺服系统的等效增益发生了变化， 为了不影响系统性能， 需 要对伺服系统增益进行补偿。 加入负载加速度反馈补偿后， 负载转速与伺服电机输出电磁 转矩传递函数为： 0100 0101 其中， 2为增益补偿系数， 1为负载加速度反馈系数。 此时的谐振频率为: 0102 0103系统带宽为利用负载加速度反馈后的伺服系统， 希望添加增益补偿后系统在 时的幅频特性与式(5)相同， 则增益补偿系数若希望添加增益补 偿后伺服系统在时的幅频特性与理想刚性系统相同， 此时增益补 偿系数为通过改变负载加速度反馈系数 1的值来调节伺服系统等效谐振 频率， 就能进一步对机械谐振进行抑制。 0104 ADRC对整个系统前。

28、向通道进行补偿， 补偿的效果是能增强伺服系统抗干扰能力， 基于基于ADRC的交流伺服系统负载加速度反馈谐振抑制原理图如图4。 0105 实施例二： 0106 本发明实施例提供一种交流伺服系统机械谐振抑制系统， 包括双惯量传动装置模 型、 增加在所述双惯量传动装置模型上的ADRC控制器结构以及在所述ADRC控制器结构增加 后再加入的负载加速度反馈结构。 优选的， 所述双惯量传动装置模型包括电机、 传动装置以 及负载， 所述传动装置将所述电机的运动和动力传给所述负载， 从而控制所述负载的运动 达到系统的要求。 本实施例与上述实施例一相同， 此处就不再赘述。 0107 尽管已经示出和描述了本发明的实施例， 对于本领域的普通技术人员而言， 可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、 修改、 替换 说明书 7/8 页 11 CN 110784149 A 11 和变型， 本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。 说明书 8/8 页 12 CN 110784149 A 12 图1 图2 说明书附图 1/2 页 13 CN 110784149 A 13 图3 图4 说明书附图 2/2 页 14 CN 110784149 A 14 。