CN108111083A - 基于自适应滤波的伺服电机控制系统及力矩波动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明展示了基于自适应滤波的伺服电机控制系统及力矩波动控制方法控制系统包括自适应滤波控制器，分别连接在自适应滤波控制器输出端的交轴电流PI控制器和直轴电流PI控制器，以及依次连接的Park变换器、正弦矢量脉宽调制器和逆变器；控制方法包括如下步骤：1.选取自适应滤波控制器的参考信号矢量，确定自适应滤波控制器的阶数；2.采用自适应滤波算法从中检出指定多个已知频率谐波成分的幅值与相位，求解与多个已知频率谐波成分对应的自适应滤波控制器的输出信号；3.将输出信号注入到对应各轴电流环控制器，进行谐波成分的抵消抑制，实现伺服电机的力矩波动控制。本发明实现滚珠丝杠进给系统力矩、位移波动的自适应抑制。
Description
技术领域
本发明涉及伺服电机力矩波动的控制，具体为基于自适应滤波的伺服电机控制系统及力矩波动控制方法。
背景技术
数控机床中的伺服驱动系统的一个重要性能是速度的平稳性，即要求稳速运动时的速度波动尽可能小，位移过程平滑无波动。但伺服驱动系统逆变器开关延时、导通压降和电机永磁体磁密变化等因素会使电机输出力矩谐波，从而破坏运动的平稳性，需要进行力矩波动的控制。
基于电机本体的优化实施难度大、成本高，且并不能完全消除永磁同步电机的力矩波动，要想对受多因素影响而产生的谐波实现更好的抑制效果，须采用合适的控制补偿策略。现阶段主要的谐波抑制方法分为三大类：第一类是硬件抑制，该方法需要对硬件进行改造，成本相对较高，通常不采用；第二类是传统PID，该方法较为常用，是控制策略中的经典方法，能实现谐波部分抑制，但对系统参数依赖较大；第三类是现代控制策略，主要有观测器、自适应控制、重复控制、迭代学习控制和复合控制等，可广泛用于力矩波动的抑制补偿中，但是需要通过试运行采集波动信号再进行补偿控制，控制较为复杂，可靠性不高，参数设置繁琐等问题限制了这类方法的实际应用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供基于自适应滤波的伺服电机控制系统及力矩波动控制方法，用于电机矢量控制直接修正交轴与直轴电流实现对波动力矩的抵消，能够高效地对多频谐波成分进行抑制，能够进行在线控制，控制复杂性低，性能可靠，参数设定简单。
本发明是通过以下技术方案来实现：
基于自适应滤波的伺服电机控制系统，包括自适应滤波控制器，分别连接在自适应滤波控制器输出端的交轴电流PI控制器和直轴电流PI控制器，以及依次连接的Park变换器、正弦矢量脉宽调制器和逆变器；
逆变器的输出端连接永磁伺服电机的控制端；交轴电流PI控制器和直轴电流PI控制器的输出端分别连接Park变换器的输入端；
自适应滤波控制器接收Clark变换器给出的永磁伺服电机的交轴电流反馈信号iq.fb与直轴电流反馈信号id.fb以及来自永磁伺服电机的转速角频率信号ωs为输入，采用自适应滤波算法从中检出指定多个已知频率谐波成分的幅值与相位，生成输出交轴电流iq.lms与直轴电流id.lms，分别注入交轴电流PI控制器与直轴电流PI控制器，通过抵消作用实现对扭矩谐波的抑制。
基于自适应滤波的伺服电机力矩波动控制方法，包括如下步骤，
步骤1，根据力矩波动来源及其幅值选取自适应滤波控制器的参考信号矢量，确定自适应滤波控制器的阶数；
步骤2，根据自适应滤波控制器的输入信号，采用自适应滤波算法从中检出指定多个已知频率谐波成分的幅值与相位，通过参考信号矢量各权值迭代求解与多个已知频率谐波成分对应的自适应滤波控制器的输出信号；
步骤3，将输出信号注入到对应各轴电流环控制器，进行谐波成分的抵消抑制，实现伺服电机的力矩波动控制。
优选的，步骤1中，力矩波动的来源包括齿槽效应、放大器死区效应和电流检测误差中的至少一种；力矩波动表现为频率，该频率是电流的基频及其2、5、6、7、11、12和13次倍频的谐波频率。
优选的，步骤2中，所述的谐波成分包括电流基频及其倍频。
优选的，步骤2中，所述的输出信号包括交轴电流信号和直轴电流信号，两者的求解过程如下，
交轴部分自适应滤波器求解过程：
式中：iq.fb(k)为交轴电流反馈信号，iq.lms为滤波器输出的交轴电流信号，Xq,wq,eq,μq分别为交轴自适应滤波器的参考信号矢量、权值矢量、误差与迭代步长；
直轴部分自适应滤波器求解过程：
式中：id.fb(k)为直轴电流反馈信号，id.lms为滤波器输出的直轴电流信号，Xd,wd,ed,μd分别为直轴自适应滤波器的参考信号矢量、权值矢量、误差与迭代步长。
进一步，步骤3中，输出信号注入对应的各轴电流环控制器，从而在电流控制器的输入信号中反相加入滤波器检出的谐波成分，经反相加入后，产生附加的扭矩谐波，完全抵消参考信号矢量中的谐波成分，实现伺服电机的力矩波动控制；输入到交轴电流控制器与直轴电流控制器的电流偏差信号如下所示，
式中，iq.err，id.err分别为输入到交轴电流控制器与直轴电流控制器的电流偏差信号，iq *，id *为分别为来自速度控制器的交轴与直轴电流指令信号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用的基于自适应滤波的伺服电机力矩波动控制方法，利用齿槽效应、死区效应和电流检测误差等因素产生的力矩波动频率是电流基频整数倍频的特点，根据力矩谐波频率与永磁同步电机的转速角频率的关系选取滤波器的参考信号矢量，根据误差最小均方准则迭代求解滤波器参数，检取谐波成分，应用于矢量控制，直接修正交轴与直轴电流，从而实现滚珠丝杠进给系统力矩、位移波动的自适应抑制。
附图说明
图1为本发明实例中所述伺服电机控制系统的结构原理框图。
图2为本发明实例中所述信号矢量权值自适应迭代过程。
图3为本发明实例中所述给定谐波输入下的自适应滤波输出。
图4为本发明实例中所述力矩波动控制前后进给系统位移波动幅值对比。
图中：1为自适应滤波控制器，2为交轴电流PI控制器，3为Park变换器，4为正弦矢量脉宽调制器，5为逆变器，6为永磁伺服电机，7为直轴电流PI控制器，8为Clark变换器。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明基于自适应滤波的伺服电机控制系统，应用于伺服电机电流环的在线力矩波动控制；如图1所示，自适应滤波控制器1接收Clark变换器8给出的永磁伺服电机6的交轴电流反馈信号iq.fb与直轴电流反馈信号id.fb以及来自永磁伺服电机6的转速角频率信号ωs为输入，采用自适应滤波算法从中检出指定多个已知频率谐波成分(电流基频及其倍频)的幅值与相位，生成输出交轴电流iq.lms与直轴电流id.lms，分别注入交轴电流PI控制器2与直轴电流PI控制器8，通过抵消作用实现对扭矩谐波的抑制。
如图1所示，自适应滤波控制器1使用现有的自适应滤波技术，其基本原理为：对待滤波的一般输入信号d(k)，构造输出信号为：
y(k)＝XTw(k)
式中，
分别为参考信号矢量与对应的权值矢量。
参考信号矢量根据待滤出谐波信号特点构造，其维数2n即为相应滤波器的阶数，反映了滤波器对多谐波成分的检出能力。对某频率为ωi的谐波成分，权值矢量为该频率下零初相正弦分量幅值与零初相余弦分量幅值，也可以表达为一对幅值与相角：
式中，分别为待检出的该频率谐波成分对应的幅值与相角。
自适应滤波算法的原理是通过调整权值矢量使输出信号逼近输入信号中的谐波成分。调整上式中的权值矢量w(k)，将输出信号逼近输入信号，即使误差最小：
Mine(k)＝d-y(k)＝d-XTw(k)
在最小均方误差准则下，自适应滤波算法权值矢量迭代公式为：
式中，为迭代的随机梯度，μ为迭代步长。
从滤波器的角度，该算法迭代过程实现了指定多个已知频率谐波成分的幅值与相位的检出，用于波动成分的测量与修正。
本发明基于自适应滤波的伺服电机力矩波动控制方法包括以下步骤：(1)根据力矩波动来源及其幅值选取参考信号矢量，确定自适应滤波控制器1的阶数；(2)根据自适应滤波控制器1的输入信号，采用自适应滤波算法从中检出指定多个已知频率谐波成分的幅值与相位，通过参考信号矢量各权值迭代求解与多个已知频率谐波成分对应的自适应滤波控制器1的输出信号；(3)将输出信号注入对应各轴电流环控制器，实现谐波成分的抵消抑制。具体的如下所述。
(1)根据力矩波动来源及其幅值选取参考信号矢量，确定自适应滤波控制器1的阶数。自适应滤波算法利用谐波频率规律性很强的特点进行谐波抑制，力矩波动的来源主要有齿槽效应、放大器死区效应与电流检测误差等，表现为频率是电流的基频及其2、5、6、7、11、12、13次倍频的谐波成分。因此，首先需要准确确定谐波频率。电流的基波频率与电机转速角频率的关系为：
ω1＝ωs·p
式中：ω0为电流基波频率；p为电机极对数。
则i次谐波的谐波频率ωi为：
ωi＝i·ω1
对实施例使用的伺服电机，幅值突出的是1次，2次谐波成分，此时选取参考信号矢量为X＝[sin(ω1t)cos(ω1t)sin(ω2t)cos(ω2t)]T，维数为4，相应的权值矢量维数与自适应滤波器阶次取为4。
(2)参考信号矢量各权值迭代求解自适应滤波控制器输出信号。
交轴部分自适应滤波器求解过程：
式中：iq.fb(k)为交轴电流反馈信号，iq.lms为滤波器输出的交轴电流信号，Xq,wq,eq,μq分别为交轴自适应滤波器的参考信号矢量、权值矢量、误差与迭代步长。
直轴部分自适应滤波器求解过程：
式中：id.fb(k)为直轴电流反馈信号，id.lms为滤波器输出的直轴电流信号，Xd,wd,ed,μd分别为直轴自适应滤波器的参考信号矢量、权值矢量、误差与迭代步长。
实例中自适应滤波算法迭代公式中取迭代步长为μq＝μd＝0.5，图2给出了实施例控制过程中权值矢量w(k)中的一个元素(1次正弦谐波幅值)的迭代收敛过程。图3给出了实施例控制过程中交轴自适应滤波器的输入与输出信号，输出信号可以完全检出输入信号中的两个谐波成分。
(3)输出信号注入对应的各轴电流环控制器，在电流控制器的输入信号中反相加入滤波器检出的谐波成分，如图1所示：
式中，iq.err，id.err分别为输入到交轴电流控制器2与直轴电流控制器7的电流偏差信号，iq *，id *为分别为来自速度控制器的交轴与直轴电流指令信号。
经反相加入后，产生附加的扭矩谐波，理论上可以完全抵消参考信号矢量中的谐波成分。在实际施行中，受测量噪声、控制时延与机械部分动态特性的影响，并不能实现完全抵消，但可获得良好的波动抑制效果。图4给出了采用上述力矩波动控制方法前后，实施例位移波动情况的对比，可见本发明控制方法能有效抑制伺服电机扭矩波动，从而显著地抑制了进给系统位移波动的幅值。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限值本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于自适应滤波的伺服电机控制系统，其特征在于，包括自适应滤波控制器(1)，分别连接在自适应滤波控制器(1)输出端的交轴电流PI控制器(2)和直轴电流PI控制器(7)，以及依次连接的Park变换器(3)、正弦矢量脉宽调制器(4)和逆变器(5)；
逆变器(5)的输出端连接永磁伺服电机(6)的控制端；交轴电流PI控制器(2)和直轴电流PI控制器(7)的输出端分别连接Park变换器(3)的输入端；
自适应滤波控制器(1)接收Clark变换器(8)给出的永磁伺服电机(6)的交轴电流反馈信号iq.fb与直轴电流反馈信号id.fb以及来自永磁伺服电机(6)的转速角频率信号ωs为输入，采用自适应滤波算法从中检出指定多个已知频率谐波成分的幅值与相位，生成输出交轴电流iq.lms与直轴电流id.lms，分别注入交轴电流PI控制器(2)与直轴电流PI控制器(8)，通过抵消作用实现对扭矩谐波的抑制。
2.基于自适应滤波的伺服电机力矩波动控制方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，根据力矩波动来源及其幅值选取自适应滤波控制器(1)的参考信号矢量，确定自适应滤波控制器(1)的阶数；
步骤2，根据自适应滤波控制器(1)的输入信号，采用自适应滤波算法从中检出指定多个已知频率谐波成分的幅值与相位，通过参考信号矢量各权值迭代求解与多个已知频率谐波成分对应的自适应滤波控制器(1)的输出信号；
步骤3，将输出信号注入到对应各轴电流环控制器，进行谐波成分的抵消抑制，实现伺服电机的力矩波动控制。
3.根据权利要求2所述的基于自适应滤波的伺服电机力矩波动控制方法，其特征在于，步骤1中，力矩波动的来源包括齿槽效应、放大器死区效应和电流检测误差中的至少一种；力矩波动表现为频率，该频率是电流的基频及其2、5、6、7、11、12和13次倍频的谐波频率。
4.根据权利要求2所述的基于自适应滤波的伺服电机力矩波动控制方法，其特征在于，步骤2中，所述的谐波成分包括电流基频及其倍频。
5.根据权利要求2所述的基于自适应滤波的伺服电机力矩波动控制方法，其特征在于，步骤2中，所述的输出信号包括交轴电流信号和直轴电流信号，两者的求解过程如下，
交轴部分自适应滤波器求解过程：
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式中：iq.fb(k)为交轴电流反馈信号，iq.lms为滤波器输出的交轴电流信号，Xq,wq,eq,μq分别为交轴自适应滤波器的参考信号矢量、权值矢量、误差与迭代步长；
直轴部分自适应滤波器求解过程：
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式中：id.fb(k)为直轴电流反馈信号，id.lms为滤波器输出的直轴电流信号，Xd,wd,ed,μd分别为直轴自适应滤波器的参考信号矢量、权值矢量、误差与迭代步长。
6.根据权利要求5所述的基于自适应滤波的伺服电机力矩波动控制方法，其特征在于，步骤3中，输出信号注入对应的各轴电流环控制器，从而在电流控制器的输入信号中反相加入滤波器检出的谐波成分，经反相加入后，产生附加的扭矩谐波，完全抵消参考信号矢量中的谐波成分，实现伺服电机的力矩波动控制；输入到交轴电流控制器(2)与直轴电流控制器(7)的电流偏差信号如下所示，
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式中，iq.err，id.err分别为输入到交轴电流控制器(2)与直轴电流控制器(7)的电流偏差信号，iq *，id *为分别为来自速度控制器的交轴与直轴电流指令信号。
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