CN101931354B - 一种伺服系统干扰力矩的辨识和补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服系统干扰力矩的辨识和补偿方法，属于机械制造自动化技术领域。所述辨识方法包括：向实际伺服系统和理想参考模型输入角度，分别得到实际伺服系统输出的角度和理想参考模型输出的角度；将实际伺服系统输出的角度与理想参考模型输出的角度作差运算，得到干扰力矩的函数；将干扰力矩的函数输入到AW-PI调节器，通过AW-PI调节器从干扰力矩的函数辨识实际伺服系统的干扰力矩；当实际伺服系统的干扰力矩发生变化时，采用一阶高通滤波器获得AW-PI调节器收敛过程中的辨识结果振幅信号，利用辨识结果振幅信号消除AW-PI调节器辨识收敛过程对干扰力矩的影响。本发明提高伺服系统的精度并降低辨识干扰力矩的难度。

Description

一种伺服系统干扰力矩的辨识和补偿方法

技术领域

本发明涉及机械制造自动化技术领域，特别涉及一种伺服系统干扰力矩的辨识和补偿方法。

背景技术

随着我国工业的发展，人们对伺服系统的发展给予很高的关注，同时也对它的性能提出了越来越高的要求。但是伺服系统内的干扰力矩的存在限制了伺服系统性能的提高，如何消除伺服系统的干扰力矩的不良影响以提高伺服精度成为了科研工作者面前的一道难题。目前有以下两种消除伺服系统的干扰力矩的方法，包括：

第一、采用CMAC(ControlMobileAttenuationCode，控制移动衰减码)网络和补偿环节对伺服系统中出现的干扰力矩实施动态补偿，其中，CMAC网络可以估计出伺服系统的干扰力矩，补偿环节对该干扰力矩进行补偿，以消除伺服系统的干扰力矩。

第二、采用摩擦模型来辨识伺服系统的干扰力矩，其中，摩擦模型可以为LuGre模型，LuGre模型描述了干扰力矩的各种动态和静态特性，通过LuGre模型描述的干扰力矩的各种动态和静态特性，辨识出伺服系统的干扰力矩，然后再对伺服务系统进行补偿。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

第一、干扰力矩不易被CMAC网络估计出来且估计出的摩擦等干扰力矩的精度不高，难以实现对伺服系统进行精确补偿，降低伺服系统的精度。

第二、摩擦模型的建立比较困难，因此，利用摩擦模型辨识伺服系统的干扰力矩的难度较大。

发明内容

为了提高伺服系统的精度以及降低辨识干扰力矩的难度，本发明提供了一种伺服系统干扰力矩的辨识和补偿方法。所述技术方案如下：

一种伺服系统干扰力矩的辨识和补偿方法，所述方法包括：

向实际伺服系统和理想参考模型输入角度，分别得到所述实际伺服系统输出的角度和所述理想参考模型输出的角度；

将所述实际伺服系统输出的角度与所述理想参考模型输出的角度作差运算，得到干扰力矩的函数；

将所述干扰力矩的函数输入到AW-PI调节器，通过所述AW-PI调节器从所述干扰力矩的函数辨识所述实际伺服系统的干扰力矩；

当所述实际伺服系统的干扰力矩发生变化时，采用一阶高通滤波器获得所述AW-PI调节器收敛过程中的辨识结果振幅信号，通过将所述辨识结果振幅信号与所述AW-PI调节器输出的干扰力矩叠加，消除所述AW-PI调节器辨识收敛过程对干扰力矩的影响。

所述理想参考模型为高精度且无干扰力矩的伺服系统模型。

所述伺服系统通过线性高功率运算放大器消除所述伺服系统的非线性影响。

一种利用上述辨识方法得到的干扰力矩对伺服系统进行补偿的方法，所述方法包括：

将辨识的干扰力矩与逆电机模型系数相乘，将得到的值加载到实际伺服系统的电压信号上，得到补偿的电压信号，其中，所述逆电机模型系数为

且Ls、r、P_m和ψ都为逆电机模型的参数，每个参数值由所述逆电机模型决定；

将所述补偿的电压信号输入到所述实际伺服系统的直流电机中，用于驱动所述直流电机输出力矩。

通过将实际伺服系统输出的角度与理想参考模型输出的角度作差运算得到干扰力矩的函数，通过AW-PI调节器对干扰力矩的函数进行调节，从而精确地辨识出伺服系统的干扰力矩，当伺服系统的干扰力矩发生变化时，通过一阶高通滤波器来获得AW-PI调节器收敛过程中的辨识结果振幅信号，通过获得的辨识结果振幅信号消除AW-PI调节器辨识收敛过程对控制精度的影响。其中，AW-PI调节器能够快速、简单、精确地辨识干扰力矩，且通过一阶高通滤波器消除AW-PI调节器辨识收敛过程对控制精度的影响，从而进一步地提高辨识干扰力矩的精度，如此通过辨识的干扰力矩补偿伺服系统，可以提高伺服系统的精度并降低辨识干扰力矩的难度。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的一种伺服系统干扰力矩的辨识方法流程图；

图2是本发明实施例1提供的一种伺服系统干扰力矩的辨识和补偿的原理图；

图3是本发明实施例1提供的一种双极性线性功率驱动直流电机的原理图；

图4是本发明实施例1提供的一种AW-PI调节器辨识干扰力矩的原理图；

图5是本发明实施例2提供的一种伺服系统干扰力矩的补偿方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供了一种伺服系统干扰力矩的辨识方法，该方法步骤如下：

步骤101：分别给实际伺服系统和理想参考模型输入角度θ_r(s)，分别得到实际伺服系统输出的角度θ(s)和理想参考模型输出的角度

其中，如图2所示，将角度θ_r(s)分别输入到实际伺服系统和理想参考模型中，实际伺服系统内存在干扰力矩，会降低伺服系统的精度，而理想参考模型为高精度且不存在干扰力矩的伺服系统模型，因此，实际伺服系统输出的角度θ(s)与理想参考模型输出的角度

之间必然存在偏差。

其中，干扰力矩为摩擦力矩及其他非线性力矩。

其中，本实施例针对低压驱动的伺服系统，采用双极性线性功率驱动直流电机DCmotor。如图3所示，在实际伺服系统中，将PID(Proportion IntegrationDifferentiation，比例积分微分)控制器发送的控制命令经过D/A(Digital toAnalog converter，数模转换器)转换器转换成电压信号u(t)，电压信号u(t)作为线性高功率运算放大器OPA^P的输入，并经过高功率运算放大器OPA^P放大后输入给直流电机DCmotor；电压信号u(t)的上限值为|u(t)|_max，将|u(t)|_max-u(t)作为线性高功率放大器OPA^N的输入，经过线性高功率放大器OPA^N的放大后输入到直流电机DCmotor，用于驱动直流电机DCmotor，将线性高功率运算放大器OPA^P和OPA^N放大后的结果输入到直流电机DCmotor中，用于驱动直流电机DCmotor，从而实现对直流电机DCmotor进行双极性线性功率驱动。

其中，在本实施例中，在伺服系统中采用线性高功率运算放大器OPA^P和OPA^N，可以消除PWM驱动带来的开关噪声及死区非线性，从而可以消除直流电机DCmotor与PID调节器的非线性影响，提高伺服系统的分辨率和重复精度，为摩擦等干扰力矩精确辨识和补偿提供支撑条件。

步骤102：将实际伺服系统输出的角度θ_r(s)与理想参考模型的输出的角度

作差运算，得到干扰力矩的函数

其中，由于实际伺服系统内存在干扰力矩对直流电机DCmotor的影响，因而使得实际伺服系统实际输出的角度与理想参考模型输入的角度之间存在差值，又因为在实际伺服系统中采用线性高功率运算放大器消除了PID调节器与直流电机的非线性影响，因而使得该差值线性变化。

步骤103：将干扰力矩的函数f(M_f)输入到AW-PI调节器，采用AW-PI调节器对实际伺服系统干扰力矩进行精确地辨识；

其中，如图4所示的AW-PI调节器的控制原理，将干扰力矩的函数f(M_f)输入到AW-PI调节器，AW-PI调节器按如下的公式(1)对干扰力矩的函数进行调节，得到干扰力矩

$\hat{M}f\left(s\right)=U_n=U_{(n-1)}+A_{1}f{\left(M_f\right)}_n+A_{2}f{\left(M_f\right)}_{(n-1)}......\left(1\right)$

其中，K_p表示比例系数，K_i表示积分系数，U_n为AW-PI调节器的限幅输出，A₁＝K_p(1+T_s/T_i)，A₂＝-K_p，T_i是积分时间常数，T_s为开关周期。

其中，AW-PI调节器存在输出饱和问题。在AW-PI中加入anti-windup环节，anti-windup环节根据AW-PI调节器的饱和程度对控制输出进行平滑镇定。在AW-PI中加入anti-windup环节可以形成如(2)式所示的控制函数。

F_in＝K_pE_n-K_aw(U_c-U_n)......(2)

利用这个控制函数F_in调节AW-PI调节器的积分，从而可以实现很好地解决AW-PI调节器的输出饱和问题，可以避免由AW-PI调节器输出饱和带来较大的过冲和较长的过渡时间，改善AW-PI调节器的调节性能并使其性能得到优化，如此提高伺服系统的动态性能。K_aw是AW(anti-windup)的系数，其值的选取原则应根据不加任何限制的伺服系统阶跃响应情况来确定。如果不具备这条件，K_aw可以在区间[K_p，1/T_i]内取值，然后再根据具体伺服系统进行适当调整。

其中，AW-PI调节器可以在控制输出饱和时，对其控制输出进行平滑镇定，可较好解决调节器饱和带来的非线性问题，增强控制系统的抗噪性能，提高伺服系统的动态性能。

其中，当AW-PI调节器辨识出实际伺服系统的干扰力矩

后，利用该干扰力矩

可以对实际伺服系统进行补偿，以消除干扰力矩对实际伺服系统的影响。

步骤104：当实际伺服系统的干扰力矩发生变化时，采用一阶高通滤波器获得AW-PI调节器收敛过程中的辨识结果振幅信号，通过辨识结果振幅信号消除AW-PI调节器辨识收敛过程对控制精度的影响。

其中，将一阶高通滤波器获得的辨识结果振幅信号与AW-PI调节器辨识的干扰力矩进行叠加，就可以消除AW-PI调节器辨识收敛过程对控制精度的影响。

其中，为了解决实际伺服系统的干扰力矩变化时，AW-PI调节器辨识收敛过程对控制精度的影响问题，引入一阶高通滤波器来获得AW-PI调节器收敛过程中的辨识结果振幅信号，并用该信号来消除AW-PI调节器辨识收敛过程对控制精度的影响，进一步提高伺服精度。

引入一阶高通滤波器为：

$H\left(s\right)=\frac{\mathrm{\τs}}{\mathrm{\τs}+1}......\left(3\right)$

τ为高通滤波器时间参数，其截至频率ω_c初步选取在调节频率的80％处，比如伺服系统的调节频率为1kHz，截至频率ω_c可选取为800Hz。该频率远远大于伺服系统低速时的干扰力矩频率，有效的干扰力矩信号将被滤掉，而AW-PI调节器收敛过程中的辨识结果振幅信号可通过，利用该信号可消除AW-PI调节器辨识收敛过程对控制精度的影响。

进一步地，设置大小与辨识的干扰力矩相等的补偿信号Mf(s)，将该补偿信号Mf(s)输入到伺服系统中，对伺服系统的干扰力矩进行补偿，消除干扰力矩对伺服系统的影响。

其中，当AW-PI调节器辨识出干扰力矩时，利用辨识的结果对实际伺服系统进行补偿，但只要AW-PI调节器辨识的干扰力矩与实际伺服系统中的干扰力矩存在一定的误差，利用辨识的干扰力矩补偿实际伺服系统，此时实际伺服系统的输出与理想参考模型的输出之间存在差值，这些差值作为AW-PI调节器的输入与驱动信号，驱动AW-PI调节器对实际干扰力矩进行辨识，并重复地执行步骤101-104直到辨识出实际伺服务系统中的干扰力矩。

在本发明实施例中，通过将实际伺服系统输出的角度与理想参考模型输出的角度作差运算得到干扰力矩的函数，通过AW-PI调节器对干扰力矩的函数进行调节，从而精确地辨识出伺服系统的干扰力矩，当伺服系统的干扰力矩发生变化时，通过一阶高通滤波器来获得AW-PI调节器收敛过程中的辨识结果振幅信号，通过获得的辨识结果振幅信号消除AW-PI调节器辨识收敛过程对控制精度的影响。其中，AW-PI调节器能够精确地辨识干扰力矩，通过一阶高通滤波器消除AW-PI调节器辨识收敛过程对控制精度的影响，从而进一步地提高辨识干扰力矩的精度，如此通过辨识的干扰力矩补偿伺服系统，可以提高伺服系统的精度并降低辨识干扰力矩的难度。

实施例2

如图5所示，本发明实施例提供了一种对实施例1辩识的干扰力矩进行补偿的方法，包括：

步骤201：将辨识的干扰力矩

与逆电机模型的系数相乘，将得到的值加到实际伺服系统的电压信号u(s)上，得到补偿的电压信号；

其中，逆电机模型的系数为

其中，Ls、r、P_m和ψ都为逆电机模型的参数，每个参数值由模型决定。

步骤202：将补偿的电压信号输入到实际伺服系统的直流电机中，用于驱动直流电机输出力矩

其中，将补偿的电压信号与直流电机的系数

相乘得到直流电机输出的力矩为

其中，将辨识的干扰力矩与正电机模型系数相乘得到的补偿的电压信号加载在实际伺服系统的电压信号u(s)上，实现了将辨识得到的干扰力矩

加到了电机输出力矩上，实现了干扰力矩的前馈补偿。

在本发明实施例中，将AW-PI调节器精确辨识的干扰力矩加载在实际伺服系统的电压信号上，得到补偿的电压信号，将补偿的电压信号输入到直流电机，用于驱动直流电机输出力矩。如此实现了对直流电机的输出力矩进行补偿，提高了伺服系统的精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种伺服系统干扰力矩的辨识方法，其特征在于，所述方法包括：

向实际伺服系统和理想参考模型输入角度，分别得到所述实际伺服系统输出的角度和所述理想参考模型输出的角度；

将所述实际伺服系统输出的角度与所述理想参考模型输出的角度作差运算，得到干扰力矩的函数；

将所述干扰力矩的函数输入到AW-PI调节器，通过所述AW-PI调节器从所述干扰力矩的函数辨识所述实际伺服系统的干扰力矩；

当所述实际伺服系统的干扰力矩发生变化时，采用一阶高通滤波器获得所述AW-PI调节器收敛过程中的辨识结果振幅信号，通过将所述辨识结果振幅信号与所述AW-PI调节器输出的干扰力矩叠加，消除所述AW-PI调节器辨识收敛过程对干扰力矩的影响；

其中，所述AW-PI调节器按如下的公式(1)对所述干扰力矩的函数进行调节，得到干扰力矩；

$\hat{M}f\left(s\right)=U_n=U_{(n-1)}+A_{1}f{\left(M_f\right)}_n+A_{2}f{\left(M_f\right)}_{(n-1)}......\left(1\right)$

其中，

表示干扰力矩，U_n为AW-PI调节器的限幅输出，A₁＝K_p(1+T_s/T_i)，A₂＝-K_p，K_p表示比例系数，T_i是积分时间常数，T_s为开关周期。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述理想参考模型为高精度且无干扰力矩的伺服系统模型。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述伺服系统通过线性高功率运算放大器消除所述伺服系统的非线性影响。

4.一种利用权利要求1得到的干扰力矩对伺服系统进行补偿的方法，其特征在于，所述方法包括：

将辨识的干扰力矩与逆电机模型系数相乘，将得到的值加载到实际伺服系统的电压信号上，得到补偿的电压信号，其中，所述逆电机模型系数为

且Ls、r、P_m和ψ都为逆电机模型的参数，每个参数值由所述逆电机模型决定；

将所述补偿的电压信号输入到所述实际伺服系统的直流电机中，用于驱动所述直流电机输出力矩。

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