CN106655956A - 伺服控制系统机械谐振抑制方法 - Google Patents
伺服控制系统机械谐振抑制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106655956A CN106655956A CN201611011573.XA CN201611011573A CN106655956A CN 106655956 A CN106655956 A CN 106655956A CN 201611011573 A CN201611011573 A CN 201611011573A CN 106655956 A CN106655956 A CN 106655956A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- control
- control system
- servo
- motor
- loop
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
- H02P23/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control specially adapted for damping motor oscillations, e.g. for reducing hunting
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
- H02P23/12—Observer control, e.g. using Luenberger observers or Kalman filters
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
本发明涉及一种伺服控制系统机械谐振抑制方法,属于电机伺服控制技术领域。本发明针对伺服控制系统中机械谐振问题设计了一种四环控制结构,在传统伺服电机三环(位置环、速度环、电流环)控制系统的基础上,增加了执行机构的位置全闭环控制,形成四环控制结构,位置全闭环采用自抗扰控制算法,可以有效抑制系统的低频机械谐振。较现有陷波器法和加速度法反馈法,本发明提出的机械谐振抑制方法不改变伺服驱动器的控制算法,采用目前市场上通用的电机伺服驱动器即可,工程应用实现简单,且能有效抑制系统低频机械谐振,提高伺服控制性能。
Description
技术领域
本发明涉及电机伺服控制技术领域,具体涉及一种伺服控制系统机械谐振抑制方法。
背景技术
伺服控制系统的机械传动部分经常使用传动轴、减速器、联轴器等传动装置连接电机和负载,而实际传动装置并不是理想刚体,存在一定的弹性,通常会在系统中引发机械谐振。机械谐振会发出噪声形成噪声污染,对机械传动装置造成严重的损害,影响其使用寿命,还会限制了控制系统的带宽,甚至会造成闭环控制系统不稳定。
目前常用的机械谐振抑制方法有两种:陷波器法和加速度反馈法。陷波器对系统参数变化较敏感,且会导致控制性能下降;传统的PI控制器结合加速度反馈的方法虽然可以有效减小机械谐振的影响,但PI控制器对于外部扰动的鲁棒性较差。控制系统一般采用伺服驱动器+位置全闭环控制器架构,但目前市场上常见的伺服驱动器不具有这两种功能,设计人员需要自行研发或定制伺服驱动器,工程应用比较复杂。因此,研究一种工程应用简单、且抗扰性强的机械振荡抑制方法具有重要意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:如何设计一种抑制伺服控制系统机械谐振的方法,以提高伺服控制系统性能。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种伺服控制系统机械谐振抑制方法,该方法在伺服电机三环控制系统中设置执行机构的位置控制器,从而形成四环控制系统,所述位置控制器采用自抗扰控制算法抑制系统的机械谐振。
优选地,所述位置控制器具体采用如下的四阶扩展状态观测器和扰动补偿控制器实现自抗扰控制算法:
所述四阶扩展状态观测器为:
其中,x4为四阶扩展状态观测器所观测的扰动,包括四环控制系统中由电机、传动机构和执行机构组成的机械传动系统的对象模型的不确定因子,以及系统外部扰动,b0为扰动补偿因子,ωo为四阶扩展状态观测器带宽,ωc为位置控制器带宽,b0、ωo、ωc为位置控制器的参数;x1、x2、x3、x4为四阶扩展状态观测器的输出;θL分别为执行机构的位置给定值、反馈值,为四环控制系统中电机的位置给定值;
设线性组合值
则扰动补偿控制器的输出为并作为四环控制系统中电机伺服控制器的电机位置控制器的电机位置给定值;其中b0、ωo、ωc为控制器参数,通过调整这三个参数,来抑制机械谐振。
(三)有益效果
本发明针对伺服控制系统中机械谐振问题设计了一种四环控制结构,在传统伺服电机三环(位置环、速度环、电流环)控制系统的基础上,增加了执行机构的位置全闭环控制器,形成四环控制结构,位置全闭环采用自抗扰控制算法,可以有效抑制系统的低频机械谐振。较现有陷波器法和加速度法反馈法,本发明提出的机械谐振抑制方法不改变伺服驱动器的控制算法,采用目前市场上通用的电机伺服驱动器即可,工程应用实现简单,且能有效抑制系统低频机械谐振,提高伺服控制性能。
附图说明
图1为本发明实施例采用的四环控制结构框图;
图2为采用图1所述的实施例实现的执行机构位置正弦跟踪图;
图3为采用图1所述的实施例实现的执行机构正弦跟踪的电机位置图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示,伺服控制系统的电机M、传动机构、执行机构L组成典型双惯量机械传动系统。电机M和执行机构L通过传动机构联接,传动机构的刚度为Kg。当传动机构发生扭转形变时将产生转矩Tw,此转矩对于电机M来说可看作是电机M的负载转矩,而对于执行机构L来说可看作是驱动转矩。电机伺服驱动器控制电机M运行,为电机M的转轴提供电磁转矩Te。在电机M端,电磁转矩Te和传动机构转矩Tw作用于转动惯量为Jm的电机转轴,决定了电机M的转速ωm和位置θm。在执行机构L端,传动机构转矩Tw与负载转矩TL共同作用于转动惯量为JL的执行机构L,最终决定了执行机构L的速度ωL和位置θL。有微分方程组如下:
执行机构L位置与电机M位置间的传递函数为:
图1中θL为执行结构位置给定值和反馈值,θm为电机位置给定值和反馈值,ωm为电机速度给定值和反馈值,i*、i为电机电流给定值和反馈值。
由上式可知,系统传递函数中有一对极点在复平面的虚轴上,会导致系统谐振,其谐振频率为若机械结构刚度Kg较弱,则谐振频率低,当接近于伺服控制系统的工作频率时,则导致控制性能下降,甚至系统不稳定。理想的电机位置闭环控制系统的传递函数θm(s)为一阶,则执行机构L的位置开环传递函数θL(s)为三阶,且含有不确定模型θm(s)及未知转矩扰动TL,传统的PID控制算法已不能满足控制要求。
本发明在电机伺服三环(位置环、速度环、电流环)控制系统的基础上,增加执行机构L的位置全闭环控制器(即图1中的执行机构位置控制器),形成四环控制结构,如图1所示。电机伺服驱动器工作在位置控制模式下,包括位置环、速度环、电流环三个环路,控制器进行位置全闭环控制,位置全闭环控制器输出为电机位置给定值作为电机伺服驱动器的输入。
位置全闭环控制采用自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)算法,该控制算法对于扰动及不确定系统具有良好的控制效果。
本发明的位置全闭环控制采用的ADRC控制算法,由扩展状态观测器(ExtendedState Observer,ESO)、线性组合、扰动补偿控制器输出三部分组成,由于位置开环传递函数θL(s)为三阶模型,自抗扰控制器则采用四阶扩展状态观测器进行扰动观测,如下所示:
扩展状态观测器:
线性组合:
扰动补偿控制输出(即为四阶扩展状态观测器的输出):
其中x4为状态观测器所观测的扰动,包括对象模型(是四环控制系统中由电机、传动机构和执行机构组成的机械传动系统)不确定因子及系统外部扰动,x1、x2、x3、x4为四阶扩展状态观测器的输出;b0为扰动补偿因子,ωo为状态观测器带宽,ωc为位置全闭环控制器带宽;b0、ωo、ωc为位置全闭环控制器参数,通过调整这三个参数,闭环系统就可获得良好的控制性能,不仅保证系统的稳定性,有效抑制机械谐振,消除机械间隙对控制系统造成的不良影响,达到较好控制效果。
该伺服控制系统在实际工程应用中比较简单,设计人员购买目前市场上常用的电机伺服驱动器即可,不需要研发或定制伺服专用驱动器,只需按照本发明设计位置全闭环控制器及调整参数。
针对某一转台伺服控制系统,采用本发明提出的机械谐振抑制方法进行Matlab仿真验证。该转台系统的机械谐振频率为10Hz,传动机构的减速比为10,执行机构位置给定为幅值π频率0.5Hz的正弦波Matlab仿真结果如图2和图3所示。,由图3可知,机械谐振导致电机位置不是一个正弦波,虽然如此,但使用本发明进行机械谐振抑制后,而由图2可知执行机构的位置跟踪效果较好。因此,由该Matlab仿真结果可知,本发明提出的方法能够有效得抑制机械谐振。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种伺服控制系统机械谐振抑制方法,其特征在于,该方法在伺服电机三环控制系统中设置执行机构的位置控制器,从而形成四环控制系统,所述位置控制器采用自抗扰控制算法抑制系统的机械谐振。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述位置控制器具体采用如下的四阶扩展状态观测器和扰动补偿控制器实现自抗扰控制算法:
所述四阶扩展状态观测器为:
其中,x4为四阶扩展状态观测器所观测的扰动,包括四环控制系统中由电机、传动机构和执行机构组成的机械传动系统的对象模型的不确定因子,以及系统外部扰动,b0为扰动补偿因子,ωo为四阶扩展状态观测器带宽,ωc为位置控制器带宽,b0、ωo、ωc为位置控制器的参数;x1、x2、x3、x4为四阶扩展状态观测器的输出;θL分别为执行机构的位置给定值、反馈值,为四环控制系统中电机的位置给定值;
设线性组合值
则扰动补偿控制器的输出为并作为四环控制系统中电机伺服控制器的电机位置控制器的电机位置给定值;其中b0、ωo、ωc为控制器参数,通过调整这三个参数,来抑制机械谐振。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201611011573.XA CN106655956B (zh) | 2016-11-17 | 2016-11-17 | 伺服控制系统机械谐振抑制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201611011573.XA CN106655956B (zh) | 2016-11-17 | 2016-11-17 | 伺服控制系统机械谐振抑制方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN106655956A true CN106655956A (zh) | 2017-05-10 |
CN106655956B CN106655956B (zh) | 2018-10-12 |
Family
ID=58807941
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201611011573.XA Active CN106655956B (zh) | 2016-11-17 | 2016-11-17 | 伺服控制系统机械谐振抑制方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN106655956B (zh) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107390525A (zh) * | 2017-07-27 | 2017-11-24 | 清华大学 | 一种应用于混联机构的控制系统参数整定方法 |
CN108594641A (zh) * | 2018-04-10 | 2018-09-28 | 天津大学 | 基于中心频率不对称的陷波滤波器抑制伺服谐振的方法 |
CN110086400A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-08-02 | 北京精密机电控制设备研究所 | 一种机电伺服系统非线性变增益控制方法和系统 |
CN110687843A (zh) * | 2019-10-14 | 2020-01-14 | 湖南强军科技有限公司 | 一种基于zynq的多轴多电机伺服装置及其控制方法 |
CN110784149A (zh) * | 2019-10-12 | 2020-02-11 | 武汉科技大学 | 交流伺服系统机械谐振抑制方法以及系统 |
CN110794878A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-02-14 | 北京特种机械研究所 | 一种随动系统俯仰角度跟踪控制方法 |
CN110988534A (zh) * | 2019-12-03 | 2020-04-10 | 北京特种机械研究所 | 通用伺服随动系统性能测试方法 |
CN113325703A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-08-31 | 北京理工大学 | 一种抑制谐振的自抗扰控制器及其设计方法 |
WO2022164388A1 (en) * | 2021-01-28 | 2022-08-04 | Nanyang Technological University | Active disturbance rejection control system |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20020063539A1 (en) * | 2000-04-25 | 2002-05-30 | Tan Kok Kiong | Adaptive ripple suppression/compensation apparatus for permanent magnet linear motors |
US6876168B1 (en) * | 1999-05-20 | 2005-04-05 | National University Of Singapore | Disturbance attenuation in a precision servomechanism by a frequency-separated acceleration soft sensor |
CN101969034A (zh) * | 2010-09-03 | 2011-02-09 | 比锐精密设备(深圳)有限公司 | 四环精密位置控制和力控制方法 |
CN201830196U (zh) * | 2010-10-09 | 2011-05-11 | 江苏中容电气有限公司 | 高精度数控机床进给驱动用正弦波直线电机的控制装置 |
CN102497141A (zh) * | 2011-12-06 | 2012-06-13 | 北京特种机械研究所 | 大功率交流伺服驱动器大扭矩启动方法 |
CN104062983A (zh) * | 2014-06-26 | 2014-09-24 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种谐波传动的高精度位置控制系统及方法 |
CN105305913A (zh) * | 2015-10-30 | 2016-02-03 | 西安交通大学苏州研究院 | 一种新型的用于滚珠丝杠进给系统的抗扰跟随控制器 |
CN105630009A (zh) * | 2016-03-29 | 2016-06-01 | 天津航天中为数据系统科技有限公司 | 一种移动卫星地面站信号稳定控制方法及装置 |
-
2016
- 2016-11-17 CN CN201611011573.XA patent/CN106655956B/zh active Active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6876168B1 (en) * | 1999-05-20 | 2005-04-05 | National University Of Singapore | Disturbance attenuation in a precision servomechanism by a frequency-separated acceleration soft sensor |
US20020063539A1 (en) * | 2000-04-25 | 2002-05-30 | Tan Kok Kiong | Adaptive ripple suppression/compensation apparatus for permanent magnet linear motors |
CN101969034A (zh) * | 2010-09-03 | 2011-02-09 | 比锐精密设备(深圳)有限公司 | 四环精密位置控制和力控制方法 |
CN201830196U (zh) * | 2010-10-09 | 2011-05-11 | 江苏中容电气有限公司 | 高精度数控机床进给驱动用正弦波直线电机的控制装置 |
CN102497141A (zh) * | 2011-12-06 | 2012-06-13 | 北京特种机械研究所 | 大功率交流伺服驱动器大扭矩启动方法 |
CN104062983A (zh) * | 2014-06-26 | 2014-09-24 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种谐波传动的高精度位置控制系统及方法 |
CN105305913A (zh) * | 2015-10-30 | 2016-02-03 | 西安交通大学苏州研究院 | 一种新型的用于滚珠丝杠进给系统的抗扰跟随控制器 |
CN105630009A (zh) * | 2016-03-29 | 2016-06-01 | 天津航天中为数据系统科技有限公司 | 一种移动卫星地面站信号稳定控制方法及装置 |
Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107390525A (zh) * | 2017-07-27 | 2017-11-24 | 清华大学 | 一种应用于混联机构的控制系统参数整定方法 |
CN107390525B (zh) * | 2017-07-27 | 2020-07-10 | 清华大学 | 一种应用于混联机构的控制系统参数整定方法 |
CN108594641A (zh) * | 2018-04-10 | 2018-09-28 | 天津大学 | 基于中心频率不对称的陷波滤波器抑制伺服谐振的方法 |
CN108594641B (zh) * | 2018-04-10 | 2021-05-28 | 天津大学 | 基于中心频率不对称的陷波滤波器抑制伺服谐振的方法 |
CN110086400A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-08-02 | 北京精密机电控制设备研究所 | 一种机电伺服系统非线性变增益控制方法和系统 |
CN110784149B (zh) * | 2019-10-12 | 2021-11-02 | 武汉科技大学 | 交流伺服系统机械谐振抑制方法以及系统 |
CN110784149A (zh) * | 2019-10-12 | 2020-02-11 | 武汉科技大学 | 交流伺服系统机械谐振抑制方法以及系统 |
CN110687843A (zh) * | 2019-10-14 | 2020-01-14 | 湖南强军科技有限公司 | 一种基于zynq的多轴多电机伺服装置及其控制方法 |
CN110687843B (zh) * | 2019-10-14 | 2021-09-28 | 北京长峰天通科技有限公司 | 一种基于zynq的多轴多电机伺服装置及其控制方法 |
CN110794878A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-02-14 | 北京特种机械研究所 | 一种随动系统俯仰角度跟踪控制方法 |
CN110794878B (zh) * | 2019-11-19 | 2023-02-17 | 北京特种机械研究所 | 一种随动系统俯仰角度跟踪控制方法 |
CN110988534A (zh) * | 2019-12-03 | 2020-04-10 | 北京特种机械研究所 | 通用伺服随动系统性能测试方法 |
CN110988534B (zh) * | 2019-12-03 | 2022-09-16 | 北京特种机械研究所 | 通用伺服随动系统性能测试方法 |
WO2022164388A1 (en) * | 2021-01-28 | 2022-08-04 | Nanyang Technological University | Active disturbance rejection control system |
CN113325703A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-08-31 | 北京理工大学 | 一种抑制谐振的自抗扰控制器及其设计方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN106655956B (zh) | 2018-10-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN106655956A (zh) | 伺服控制系统机械谐振抑制方法 | |
CN108649847A (zh) | 基于频率法和模糊控制的电机pi控制器参数整定方法 | |
Wang et al. | Improvement of boom control performance for hybrid hydraulic excavator with potential energy recovery | |
Wang et al. | Unknown input observer‐based robust adaptive funnel motion control for nonlinear servomechanisms | |
CN103051274B (zh) | 基于变阻尼的二自由度永磁同步电机的无源性控制方法 | |
CN110707981A (zh) | 基于新型扩张状态观测器的永磁同步电机速度控制器 | |
CN105811826A (zh) | 一种感应电机新型趋近律滑模控制方法 | |
Wang et al. | Weight-transducerless starting torque compensation of gearless permanent-magnet traction machine for direct-drive elevators | |
CN104660141A (zh) | 无轴承异步电机的定子磁链定向逆解耦控制系统 | |
CN106707753A (zh) | 一种泵用直线电机自适应控制方法 | |
CN105071730A (zh) | 考虑电流动态的无轴承异步电机定子定向逆闭环控制系统 | |
CN101795105A (zh) | 无轴承永磁同步电机悬浮转子等效扰动电流补偿控制装置 | |
CN105186958B (zh) | 基于神经网络逆系统的五相容错永磁电机内模控制方法 | |
CN104362916A (zh) | 双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计方法、稳定器 | |
CN106549609A (zh) | 基于积分型高阶终端滑模算法的永磁同步电机控制方法 | |
CN102790580B (zh) | 无轴承异步电机支持向量机逆解耦控制器的构造方法 | |
CN100354869C (zh) | 一种判定磁悬浮转子系统径向转动稳定性的方法 | |
CN105071729A (zh) | 考虑电流动态的无轴承异步电机定子磁链定向逆解耦方法 | |
CN112072973A (zh) | 一种基于预测自适应律的永磁同步电机超扭滑模控制方法 | |
CN206932084U (zh) | 机器人手臂关节电机 | |
CN104821769A (zh) | 多自由度永磁感应子式步进电机的控制方法 | |
Li et al. | Adaptive robust position control of uncertain PMSM servo system using extended state observer | |
CN203984274U (zh) | 结构主动控制中的超磁致系统 | |
CN110161840B (zh) | 一种基于线性自抗扰的移动机器人速度解耦抗扰控制器 | |
CN102594252B (zh) | 高精度跟踪系统中引入力矩修正的多闭环方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |