CN108448988A - 一种基于大惯量摩擦负载的机电伺服系统参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于大惯量摩擦负载的机电伺服系统参数辨识方法，其特征在于，首先在空电机运行状态下，通过减速法离线测定初始机械运动方程，将其作为控制器参数；然后在电机带惯量运行状态下，通过同样的减速法，在线测定带惯量的机械运动方程，利用所述初始机械运动方程和所述带惯量的机械运动方程在线求出电机转子转动惯量J和粘滞摩擦系数B_m。本发明的所述方法可实现在线辨识，即在系统运行过程中实时计算电机转子的转动惯量和粘滞摩擦系数，根据不同时段的特性调整控制策略，使伺服系统具备优良的性能。

Description

一种基于大惯量摩擦负载的机电伺服系统参数辨识方法

技术领域

本发明涉及一种基于大惯量摩擦负载的机电伺服系统参数辨识方法，属于航天伺服领域。

背景技术

在航天领域，小功率的机电伺服系统逐渐代替了液压伺服系统，但是在大功率的机电伺服系统还是以液压伺服系统为主。航天领域伺服系统负载的特点是惯量大，摩擦力较大，现有的液压伺服系统无法满足上述需求。电机的电气和机械特性以及控制方法导致其电流信号具有很大程度的非线性，且无法精确估算永磁体磁链，需要通过机械手段来测量电机的转动惯量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中的上述不足，本发明提出一种基于大惯量摩擦负载的机电伺服系统参数辨识方法，其可实现在线辨识，即在系统运行过程中实时计算电机转子的转动惯量和粘滞摩擦系数，根据不同时段的特性调整控制策略，使伺服系统具备优良的性能。

(二)技术方案

一种基于大惯量摩擦负载的机电伺服系统参数辨识方法，首先在空电机运行状态下，通过减速法离线测定初始机械运动方程，将其作为控制参数；然后在电机带惯量运行状态下，通过同样的减速法，在线测定带惯量的机械运动方程，利用所述初始机械运动方程和所述带惯量的机械运动方程在线求出电机转子转动惯量J和粘滞摩擦系数B_m；其中，所述减速法就是基于电机在不受任何电气影响的情况下通过自由减速来测定电机转动惯量的方法；

采用与转子固定的参考坐标系来描述和分析所述机电伺服系统的动静态性能，电机的机械运动方程为公式(1)：

其中：J为转动惯量，其单位为kg·m²；ω_m为转子机械角度，单位为rad/s；t为时间，单位为s；B^m为粘滞摩擦系数，单位为N·s·m；T_L为负载扰动转矩，单位为Nm；T_e为电机输出转矩，单位为Nm。

所述方法进一步包括：

电机在空载状态下加速到额定转速，然后切断电源，让电机自由停机减速，运动过程中T_L＝T_e，则根据公式(1)可得公式(2)：

电机在实际惯量负载下加速到额定转速，负载惯量为J_C，单位为kg·m²，然后切断电源，让电机自由停机减速，运动过程中T_L＝T_e，则根据公式(1)可得公式(3)：

将公式(2)和公式(3)离散化，得到如下公式(4)：

其中转速差和时差分别为：

Δω_m＝ω_m(i+1)-ω_m

Δt＝t_i+1-t_i

分别测出电机在自由减速过程中相邻两个时刻t_i、t_i+1对应的转速ω_m、ω_m(i+1)，然后分别带入各自的方程，即可解出电机转子转动惯量J和粘滞摩擦系数B_m：

所述电机为永磁同步电机。

(三)有益效果

本发明的一种基于大惯量摩擦负载的机电伺服系统参数辨识方法，在机电伺服系统运行过程中实时计算电机转子转动惯量和粘滞摩擦系数。为了提高伺服系统的跟踪性能，在系统运行过程中，实时估计系统模型参数以及非线性摩擦模型参数，进行摩擦补偿控制。考虑到机构在速度变化时，其摩擦力参数和特性将发生较大变化，选取自适应参数中包括了粘滞摩擦力系数，从而在控制的过程中实现摩擦力的补偿。在线辨识摩擦力、负载扰动和模型误差，并通过补偿进一步抑制，因此对摩擦的抑制能力明显优于计算力矩控制，且基本上不存在尖峰误差。

与现有技术相比，本发明的所述参数辨识方法是专门针对大惯量摩擦负载进行的，其填补了领域空白，把辨识的方法引入航天伺服领域，实时估计系统转动惯量和粘滞摩擦系数，减小外部干扰的影响，提高了数学模型精确度，用辨识得到的结果对控制参数进行在线优化调整。

具体实施方式

本发明涉及一种基于大惯量摩擦负载的机电伺服系统参数辨识方法，首先在空电机运行状态下，通过减速法离线测定初始机械运动方程，将其作为控制参数；然后在电机带惯量运行状态下，通过同样的减速法，在线测定带惯量的机械运动方程，利用所述初始机械运动方程和所述带惯量的机械运动方程在线求出电机转子转动惯量J和粘滞摩擦系数B_m；其中，所述减速法就是基于电机在不受任何电气影响的情况下通过自由减速来测定电机转动惯量的方法。

采用与转子固定的参考坐标系来描述和分析所述机电伺服系统的动静态性能，电机的机械运动方程为公式(1)：

其中：J为转动惯量，其单位为kg·m²；ω_m为转子机械角度，单位为rad/s；t为时间，单位为s；B_m为粘滞摩擦系数，单位为N·s·m；T_L为负载扰动转矩，单位为Nm；T_e为电机输出转矩，单位为Nm。

电机在空载状态下加速到额定转速，然后切断电源，让电机自由停机减速，运动过程中T_L＝T_e，则根据公式(1)可得公式(2)：

电机在实际惯量负载下加速到额定转速，负载惯量为J_C，单位为kg·m²，然后切断电源，让电机自由停机减速，运动过程中T_L＝T_e，则根据公式(1)可得公式(3)：

将公式(2)和公式(3)离散化，得到如下公式(4)：

其中转速差和时差分别为：

Δω_m＝ω_m(i+1)-ω_m

Δt＝t_i+1-t_i

分别测出电机在自由减速过程中相邻两个时刻t_i、t_i+1对应的转速ω_m、ω_m(i+1)，然后分别带入各自的方程，即可解出电机转子转动惯量J和粘滞摩擦系数B_m：

其中，所述电机为永磁同步电机。永磁同步电机是一种强耦合、多变量、非线性、参数时变的控制对象，其电磁关系十分复杂。

Claims (3)

1.一种基于大惯量摩擦负载的机电伺服系统参数辨识方法，其特征在于，首先在空电机运行状态下，通过减速法离线测定初始机械运动方程，将其作为控制参数；然后在电机带惯量运行状态下，通过同样的减速法，在线测定带惯量的机械运动方程，利用所述初始机械运动方程和所述带惯量的机械运动方程在线求出电机转子转动惯量J和粘滞摩擦系数B_m；其中，所述减速法就是基于电机在不受任何电气影响的情况下通过自由减速来测定电机转动惯量的方法；

采用与转子固定的参考坐标系来描述和分析所述机电伺服系统的动静态性能，电机的机械运动方程为公式(1)：

其中：J为转动惯量，其单位为kg·m²；ω_m为转子机械角度，单位为rad/s；t为时间，单位为s；B_m为粘滞摩擦系数，单位为N·s·m；T_L为负载扰动转矩，单位为Nm；T_e为电机输出转矩，单位为Nm。

2.如权利要求1所述的一种基于大惯量摩擦负载的机电伺服系统参数辨识方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

电机在空载状态下加速到额定转速，然后切断电源，让电机自由停机减速，运动过程中T_L＝T_e，则根据公式(1)可得公式(2)：

电机在实际惯量负载下加速到额定转速，负载惯量为J_C，单位为kg·m²，然后切断电源，让电机自由停机减速，运动过程中T_L＝T_e，则根据公式(1)可得公式(3)：

将公式(2)和公式(3)离散化，得到如下公式(4)：

其中转速差和时差分别为：

Δω_m＝ω_m(i+1)-ω_m

Δt＝t_i+1-t_i

分别测出电机在自由减速过程中相邻两个时刻t_i、t_i+1对应的转速ω_m、ω_m(i+1)，然后分别带入各自的方程，即可解出电机转子转动惯量J和粘滞摩擦系数B_m：

3.如权利要求2所述的一种基于大惯量摩擦负载的机电伺服系统参数辨识方法，其特征在于，所述电机为永磁同步电机。