CN108832863B - 一种双观测器的伺服系统谐振抑制方法 - Google Patents

一种双观测器的伺服系统谐振抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种加速度观测和扰动观测相结合的控制方法，涉及伺服系统高精度技术控制领域。通过对采集的电流和速度进行低通滤波，利用Luenberger观测器观测电机的加速度，将观测的加速度转化为电流并负反馈到电流给定，为了减少观测器的量化噪声对系统的影响，利用前馈PI调节速度偏差。在谐振系统中引入转矩扰动观测器观测扰动转矩并正反馈到电流给定，提高了系统的动态响应性能和系统的抗扰动性能，并在转矩扰动观测器中加入反馈调节系数，避免引发二次谐振。

Description

一种双观测器的伺服系统谐振抑制方法
技术领域
本发明属于伺服系统高精度技术控制领域，具体涉及一种双观测器的伺服系统谐振抑制方法。
背景技术
伺服系统在实际应用中并不是电机和负载直接连接的，而是通过联轴器、同步带或传动轴连接的。而这些装置都是存在一定的弹性，通常会引发机械谐振。机械谐振不但会产生噪声污染，甚至会影响机械的使用寿命。另外，在工业生产中负载的突变等都会使速度产生振荡甚至会引发机械谐振，影响加工精度。目前，伺服驱动系统速度环大多是采用PI控制，如果要使伺服系统有高的性能，必须提高控制器的增益，但是配备高的增益经常会因为电机和负载的弹性连接而产生机械谐振。基于上述分析，必须采取有效的措施来抑制机械谐振和解决扰动对谐振系统带来的影响。
目前，大多数方法都是单一的针对谐振或扰动，而提高谐振系统的扰动方法较少。机械谐振的抑制方法主要包括两大类，即主动抑制和被动抑制。被动抑制：在速度环和电流环之间加入校正装置，例如低通滤波器、陷波滤波器和双二阶滤波器等，而这些方法要首先辨识出谐振频率且辨识算法运算量大，另外谐振频率会随弹性系数和负载惯量的变化而发生变化，这就导致谐振抑制失败。主动抑制：主要是改变控制器的结构或参数，例如加速度反馈、状态反馈、智能控制算法等。状态反馈就是根据电机的速度和电流观测负载扰动转矩补偿到电流给定，而这些方法需要精确的弹性系数和负载惯量等参数，并且参数会随着时间的推移而产生变化，这会导致观测器观测值与给定值不匹配而使谐振抑制失败。在智能控制算法中譬如鲁棒控制器在电机参数或者是负载变化时都需要重新设计控制器的参数不利于工程的应用。对于扰动的抑制主要包括控制器法和观测器法两种。控制器法需要改变控制器的结构，例如滑模控制器、自抗扰控制器等，这些方法大多用于单惯量系统且算法运算量大，不适宜用于谐振系统。观测器法主要是利用电机的电流和速度观测负载扰动转矩，该方法简单且实时性高，但是在实际中大多用于单惯量系统。而在机械谐振系统中需要对转轴上的扰动进行抑制，因此用观测器法将观测扰动转矩扩展为观测转轴上的扰动转矩，实现对转轴扰动实时观测。
因此针对上述谐振抑制和扰动之间的矛盾，急需提出一种加速度反馈和扰动观测器相结合的控制策略。
发明内容
本发明针对工程实际应用中，谐振频率发生变化而使谐振抑制失败的问题，利用Luenberger(龙伯格)观测器观测电机的加速度将其负反馈到电流给定。而加速度反馈响应速度慢，且谐振系统易受扰动的影响而重新引发谐振，利用扰动观测器观测扰动转矩，将观测的扰动转矩正反馈到电流给定。将Luenberger观测器的负反馈和扰动观测器的正反馈相结合的控制策略，既可以抑制机械谐振，而且可以提高系统的响应速度和抗扰动性能。
为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：
一种双观测器的伺服系统谐振抑制方法，包含以下几个步骤：
步骤(1)：采集电机的电流和速度，并对其用低通滤波器进行滤波；
步骤(2)：将步骤(1)中经过滤波后的电流和速度作为观测器的输入，利用Luenberger观测器观测电机的加速度；为了能使给定电流和加速度反馈能很好跟随，调节观测器的PI参数和前馈参数到合适值；然后将观测的加速度利用运动控制关系转化为电流，将电流负反馈到电流给定；
步骤(3)：将电流产生的电磁转矩和电机的速度利用扰动观测器观测转轴的扰动转矩，将扰动转矩正反馈到电流给定；
步骤(4)：调节加速度反馈的电流反馈系数，使其不产生机械谐振，然后调节扰动转矩反馈系数，使其不产生二次谐振。
根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：
(1)本发明一种加速度观测和扰动观测相结合的控制方法适用于电机和负载连接的任何双惯量系统，不依赖准确的数学模型，只需要通过调节补偿系数的大小就可以抑制机械谐振。
(2)本发明一种加速度反馈和扰动观测器相结合的控制方法不会出现因弹性系数和负载惯量发生变化而使谐振抑制失败的问题。
(3)该方法与单一的加速度反馈相比，不但可以抑制机械谐振还可以提高系统的动态响应性能，同时避免了因扰动而引发二次谐振的问题。
(4)该方法不需要大量的运算，算法的复杂度降低，并且可以实时的观测扰动转矩电流和加速度反馈电流。
附图说明
图1为本发明所述一种双观测器的伺服系统谐振抑制方法的加速度反馈控制框图；
图2为本发明所述一种双观测器的伺服系统谐振抑制方法的扰动观测器控制框图；
图3为本发明所述一种双观测器的伺服系统谐振抑制方法的系统的控制框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和带来的有益效果更加的清楚明白，下面参照附图，对本发明作进一步详细说明。
一种双观测器的伺服系统谐振抑制方法，包含以下几个步骤：
步骤(1)：采集电机的电流和速度，并对其用低通滤波器进行滤波；
具体的，由于采集的编码器位置信号和电机的电流信号会有量化噪声需要对其进行低通滤波。其低通滤波器如公式(1)所示。滤波器的频率过低会滤掉更多的噪声，但是会给系统较大的相位延迟，影响系统的稳定性。而过大又不能更好的滤出噪声，因此滤波器的参数选择要满足工业现场的需求。
Figure GDA0003327456280000041
其中G(s)为低通滤波器传递函数，s为频域，g为滤波频率。
步骤(2)：将步骤(1)中经过滤波后的电流和速度作为观测器的输入，利用Luenberger观测器观测电机的加速度；为了能使给定电流和加速度反馈能很好跟随，调节观测器的PI参数和前馈参数到合适值；然后将观测的加速度利用运动控制关系转化为电流，将电流负反馈到电流给定；
如图1所示，具体包含以下步骤：
a.采集电机的电流利用公式(2)将其转化为电机的加速度；
Figure GDA0003327456280000042
其中J为电机的惯量，ωm为电机的速度，kT为电机的转矩系数，i为电机的电流，dt为对时间求导；
b.将电机的加速度进行积分得到电机的速度，并且将其和编码器采集的速度求差，然后利用前馈PI进行调节，调节前馈PI参数使给定电流值可以很好的跟随观测器观测到的加速度信号；
c.将观测到的加速度信号利用公式(2)转化为补偿电流值，并将其负反馈到电流给定。
步骤(3)：将电流产生的电磁转矩和电机的速度利用扰动观测器观测转轴的扰动转矩，将扰动转矩正反馈到电流给定；
如图2所示，具体包括如下步骤：
a.首先对采集的位置信号和电流信号利用低通滤波器进行滤波，避免高频噪声引入观测器；在观测器中微分反馈可以提高系统的动态响应速度，但是会给系统带来量化噪声，影响系统计算精度；为了避免上述矛盾，利用公式(3)所示的观测器来观测转轴上的扰动转矩；
Figure GDA0003327456280000051
其中J为电机的惯量，ω为电机的速度，kT为电机的转矩系数，i为电机的电流，Ts为转轴上的转矩，θ(s)为电机的位置，g为滤波频率，s为频域；
b.将观测到的扰动转矩利用公式(4)得到要补偿的电流，并将其正反馈到电流给定
Ts＝kTi (4)
其中Ts为转轴上的转矩，kT为电机的转矩系数，i为电机的电流。
步骤(4)：调节加速度反馈的电流反馈系数，使其不产生机械谐振，然后调节扰动转矩反馈系数，使其不产生二次谐振。
如图3所示，具体为：所述调节加速度反馈的电流反馈系数为k1，k1系数太小不能有很好的抑制效果，而系数太大将产生二次谐振，因此系数k1要根据工业现场进行调节；所述调节扰动转矩的反馈系数为k2，在谐振系统中，k2的系数太大不但不能起到扰动抑制的作用，而且还可能引发谐振，因此系数k2要有合适的值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，均可想到的变化或替换都涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求保护的范围为准。

Claims (2)

1.一种双观测器的伺服系统谐振抑制方法，其特征在于，包含以下几个步骤：
步骤(1)：采集电机的电流和速度，并对其用低通滤波器进行滤波；
步骤(2)：将步骤(1)中经过滤波后的电流和速度作为观测器的输入，利用Luenberger观测器观测电机的加速度；然后将观测的加速度利用运动控制关系转化为电流，将电流负反馈到电流给定，此时调整观测器的PI参数和前馈参数，使加速度反馈和给定电流保持跟随性；
步骤(3)：将电流产生的电磁转矩和电机的速度利用扰动观测器观测转轴的扰动转矩，将扰动转矩正反馈到电流给定；
步骤(4)：调节加速度反馈的电流反馈系数，使其不产生机械谐振，然后调节扰动转矩反馈系数，使其不产生二次谐振；
所述步骤(2)，具体包含以下步骤：
a.采集电机的电流利用公式(2)将其转化为电机的加速度；
Figure FDA0003439346910000011
其中J为电机的惯量，ωm为电机的速度，kT为电机的转矩系数，i为电机的电流，dt为对时间求导；
b.将电机的加速度进行积分得到电机的速度，并且将其和编码器采集的速度求差，然后利用前馈PI进行调节，使观测器观测的电流值与给定电流值保持跟随性；
c.将观测到的加速度信号利用公式(2)转化为补偿电流值，并将其负反馈到电流给定。
2.根据权利要求1所述的一种双观测器的伺服系统谐振抑制方法，其特征是：所述步骤(3)，具体包含以下步骤：
a.首先对采集的位置信号和电流信号利用低通滤波器进行滤波，利用公式(3)所示的观测器来观测转轴上的扰动转矩；
Figure FDA0003439346910000021
其中J为电机的惯量，ω为电机的速度，kT为电机的转矩系数，i为电机的电流，Ts为转轴上的转矩，θ(s)为电机的位置，g为滤波频率，s为频域；
b.将观测到的扰动转矩利用公式(4)得到要补偿的电流，并将其正反馈到电流给定；
Ts＝kTi (4)
其中Ts为转轴上的转矩，kT为电机的转矩系数，i为电机的电流。
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