CN109004877A - 基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于伺服控制系统中电机控制技术领域，涉及基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统及方法。所述基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统包括：加法运算环节、伺服控制系统电流环环节、线性扩张状态观测器环节、第一标幺化环节、第二标幺化环节、转矩系数环节、第三比例环节、第四比例环节和机械环节。通过本发明的技术方案能够有效地辨识出交流伺服系统中电机的转动惯量，使得交流伺服系统转速环性能得到提升；并且具有使用方便、适应性强以及鲁棒性强的优点，使得控制品质对转动惯量的变化不敏感，适合于环境恶劣的工业现场。

Description

基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统及方法

技术领域

本发明涉及伺服控制系统中电机控制技术，具体涉及基于线性扩张状态观测器(LESO)的转动惯量辨识系统及方法。

背景技术

随着“工业4.0”和“中国制造2025”的提出，机器人、数控系统被大量应用，交流伺服系统作为关键零部件，应符合我国出台的《交流伺服驱动器通用技术条件》JB/T 10184-2014中的相关标准。因此，转速环动态性能和抗扰动性能是交流伺服系统的重要性能指标。理论上，交流伺服系统的转速环采用传统的PI控制器可实现无静差调节。然而，在交流伺服系统的实际运行中，由于工况条件变化的存在，伺服控制系统带动不同负载时将引起电机中的转动惯量J变化，导致控制对象发生变化，进而会导致系统动态过程发生变化，不能够实现扰动的全补偿，使得普通的PI控制难以应对诸多的应用场合，影响其在动态性能和抗扰动性能上的表现。

为了在转动惯量变化的场合下获得更理想的控制效果，需要对传统的PI控制进行改进。为适应转动惯量变化的应用场合，可对转动惯量进行辨识，然而传统的电机转动惯量辨识算法需要另外编程并调试，增加系统工作量。

发明内容

为解决现有技术中所存在的问题，本发明提供基于线性扩张状态观测器(LESO)的转动惯量辨识系统及方法，通过本发明的技术方案能够有效地辨识出交流伺服系统中电机的转动惯量，使得交流伺服系统转速环性能得到提升；并且具有使用方便、适应性强以及鲁棒性强的优点，使得控制品质对转动惯量的变化不敏感，适合于环境恶劣的工业现场。

本发明提供基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统，包括加法运算环节、伺服控制系统电流环环节、线性扩张状态观测器环节、第一标幺化环节、第二标幺化环节、转矩系数环节、第三比例环节、第四比例环节和机械环节；

所述加法运算环节的其中一个输入来自伺服控制系统转速环的输出控制量，加法运算环节的输出控制量传送至电流环环节，电流环环节的输出分别传送至转矩系数环节和第一标幺化环节；

所述转矩系数环节的输出传送至机械环节，机械环节的输出机械角速度传送至第二标幺化环节，第二标幺化环节的输出传送至线性扩张状态观测器环节的其中一个输入；所述第一标幺化环节的输出传送至第三比例环节，第三比例环节的输出传送至线性扩张状态观测器环节的另一个输入；所述线性扩张状态观测器环节的其中一个输出传送至第四比例环节的输入，第四比例环节的输出传送至加法运算环节的另一个输入。

优选地，所述线性扩张状态观测器环节包括：第一加法运算环节、第二加法运算环节、第一比例环节、第二比例环节、第一积分环节和第二积分环节；第一加法运算环节的其中一个输入来自第二标幺化环节处理结果，第一加法运算环节的输出量分别传送至第一比例环节和第二比例环节；第一比例环节的输出传送至第二加法运算环节其中的一个输入，第二比例环节的输出传送至第一积分环节的输入；第一积分环节的输出作为线性扩张状态观测器结构的其中一个输出，同时传送至第二加法运算环节其中的一个输入；第二加法运算环节的输出传送至第二积分环节的输入，第二积分环节的输出作为线性扩张状态观测器结构的另一个输出，同时传送至第一加法运算环节的另一个输入。

本发明还提供基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识方法，基于上述转动惯量辨识系统来实现；所述转动惯量辨识方法中：

线性扩张状态观测器的输入量为电流值和转速值，分别通过电流传感器和光电编码器直接获取；

线性扩张状态观测器从闭环回路中获得电流值和转速值两个输入量，将所述线性扩张状态观测器的两个输出量中的一个与常系数通过乘法器作用后作为转速环PI控制结构输出的控制量u₀的补偿量，与控制量u₀通过加法器作用后作为转速环总的控制量。

从以上技术方案可知，本发明对转速环普通PI控制器进行改造，加入所述线性扩张状态观测器，将转速环PI控制器作为状态误差反馈控制率，与所述扩张状态观测器构成自抗扰控制器，将电机转动惯量变化中不确定性的部分观测出来，作用于执行器的输入部分，实现“未知扰动”的补偿，增加控制对象模型参数精度，提升交流伺服系统转速环的动态性能和抗扰动性能。本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明在传统的PI控制基础上加上线性扩张状态观测器，将PI控制和线性扩张状态观测器相结合，实现交流伺服控制系统中的转动惯量辨识，使得控制品质对转动惯量的变化不敏感，伺服控制系统具有适应性强以及鲁棒性强的优点，适合于环境恶劣的工业现场；

(2)将线性扩张状态观测器的输出量引回交流伺服控制系统转速环中，作为转速环总控制量的一部分，将有效地逼近伺服控制系统的未建模部分和未知扰动，通过补偿将其作用抵消，实现扰动的实时观测以及补偿功能；同时本发明线性扩张状态观测器通过带宽参数化，选取合适的扩张状态观测器的系数，达到简化设计控制器和使用方便的目的。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1为本发明一个实施例中加入线性扩张状态观测器的转速环控制系统结构框图；

图2为图1中第一标幺化环节结构框图；

图3为图1中第二标幺化环节结构框图；

图4为图1中转矩系数环节结构框图；

图5为图1中第三比例环节结构框图；

图6为图1中第四比例环节结构框图；

图7为本发明一个实施例中二阶线性扩张状态观测器结构框图；

图8为图7中第一比例环节结构框图；

图9为图7中第二比例环节结构框图；

图10为本发明一个实施例中二阶线性扩张状态观测器的输出波形图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

本实施例基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识方法及系统应用于永磁交流伺服系统的转速环。在永磁交流伺服系统实际运行过程中，存在转动惯量变化和负载转矩变化等扰动环节的影响。这些时变扰动过程，将使得永磁交流伺服系统常用的PI控制器难以完全应对，最终导致永磁交流伺服系统转速环动态性能与抗扰动性能的下降。为了抑制扰动影响，根据自抗扰控制技术理论中扩张状态观测器的设计理论，可以使用图1所示的加入线性扩张状态观测器的转速环控制结构。在永磁交流伺服系统中，线性扩张状态观测器应用于转速环上，转速环的被控对象的数学表达式为电流环闭环传递函数与电机机械环节的串联形式。在已知系统模型的基础上，要对线性扩张状态观测器进行设计，本实施例选取线性扩张状态观测器的参数为ω₀＝5～10ω_bn，ω_bn为转速环的频带宽度。通过实验，最终转速环的二阶线性扩张状态观测器对应的参数为：使用加入线性扩张状态观测器的转速环控制结构，能够对转动惯量变化有效地辨识出来，更新自抗扰控制器的参数后，使得转速环动态性能与抗扰动性能得到提升。

也就是说，在永磁交流伺服系统实际运行过程中，控制对象中存在时变的转动惯量变化，转动惯量变化将降低原控制器的控制性能，本实施例通过对转速环普通PI控制器进行改造，加入线性扩张状态观测器，将转速环PI控制器作为状态误差反馈控制率，与所述扩张状态观测器构成了自抗扰控制器。

本实施例采用加入线性扩张状态观测器的转速环控制结构，可以有效地辨识扰动惯量变化；通过更新自抗扰控制器的参数，消除转动惯量扰动，使得自抗扰控制器对控制对象中的转动惯量变化不敏感，提升伺服控制系统的动态性能与抗扰动性能。其中，线性扩张状态观测器是基于自抗扰控制技术理论设计的，与转速环PI控制器构成并联结构，二者输出控制量之和作为电流环的给定。

基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统，在一个实施例中，如图1所示包括：

加法运算环节、伺服控制系统电流环环节、线性扩张状态观测器环节、第一标幺化环节、第二标幺化环节、转矩系数环节、第三比例环节、第四比例环节和机械环节。

所述加法运算环节的其中一个输入来自伺服控制系统转速环的输出控制量u₀，加法运算环节的输出控制量u传送至电流环环节，G_i(s)为电流环的传递函数，电流环环节的输出i_q分别传送至转矩系数环节和第一标幺化环节；

所述转矩系数环节的输出传送至机械环节，机械环节的输出机械角速度ω_s传送至第二标幺化环节，第二标幺化环节的输出n^*传送至线性扩张状态观测器环节的其中一个输入；

所述第一标幺化环节的输出电流传送至第三比例环节，第三比例环节的输出传送至线性扩张状态观测器环节的另一个输入；

所述线性扩张状态观测器环节的其中一个输出z₂传送至第四比例环节的输入，第四比例环节的输出传送至加法运算环节的另一个输入。

本实施例中，所述第一标幺化环节如图2所示，包括：第四乘法器和第四锁存器。

所述第四乘法器的其中一个输入端连接第四锁存器，通过第四锁存器输出常数比例量1/i_qN至第四乘法器，第一标幺化环节通过第四乘法器另一输入端和输出端连接在电流i_q至第三比例环节的传送通路中。

本实施例中，所述第二标幺化环节如图3所示，包括：第五乘法器和第五锁存器。

所述第五乘法器的其中一个输入端连接第五锁存器，通过第五锁存器输出常数比例量至第五乘法器，第二标幺化环节通过第五乘法器另一输入端和输出端连接在机械环节至线性扩张状态观测器环节的输入通路中。

本实施例中，所述转矩系数环节如图4所示，包括：第六乘法器和第六锁存器。

所述第六乘法器的其中一个输入端连接第六锁存器，通过第六锁存器输出常数比例量K_t至第六乘法器，转矩系数环节通过第五乘法器另一输入端和输出端连接在电流i_q至机械环节的传送通路中。

本实施例中，所述第三比例环节如图5所示，包括：第三乘法器和第三锁存器。

所述第三乘法器的其中一个输入端连接第三锁存器，通过第三锁存器输出常数比例量b至第三乘法器，第三比例环节通过第三乘法器另一输入端和输出端连接在第一标幺化环节输出电流传送至线性扩张状态观测器的第二加法运算环节的输入通路中。

本实施例中，所述第四比例环节如图6所示，包括：第七乘法器和第七锁存器。

所述第七乘法器的其中一个输入端连接第七锁存器，通过第七锁存器输出常数比例量1/b至第七乘法器，第四比例环节通过第七乘法器另一输入端和输出端连接在线性扩张状态观测器环节的输出量z₂至加法运算环节的传送通路中。

一种基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识方法，在一个实施例中，使用图1所示的加入线性扩张状态观测器的转速环控制系统结构。

本实施例中，所述线性扩张状态观测器基于自抗扰控制技术理论设计，与转速环PI控制器构成并联结构，二者输出控制量之和作为电流环的给定。

本实施例中，所述线性扩张状态观测器的参数为ω₀＝5～10ω_bn，ω_bn为转速环的频带宽度。通过实验，最终转速环的二阶线性扩张状态观测器对应的参数为：使用加入线性扩张状态观测器的转速环控制结构，能够对转动惯量变化有效地辨识出来，更新自抗扰控制器的参数后，使得转速环动态性能与抗扰动性能得到提升。

根据交流伺服控制系统被控对象永磁同步电机数学模型可知，永磁同步电机运动微分方程为：

其中ω_s为机械角速度，n_p为电机的极对数，J为系统的转动惯量，ψ_f为永磁体的磁链，i_q为两相旋转坐标下的q轴电流，T_L为负载转矩，B为摩擦系数。

为简化控制器的设计，将式(1)中电机的角速度ω_s转换成转速，并对转速进行标幺化处理得到n^*，式(1)变化为式(2)：

其中n_N为电机的额定转速，K_t为转矩系数。将负载转矩项以及摩擦力矩项作为系统干扰项，并用a(t)表示，得到式(3)：

将上述系统干扰项扩张成一个新的状态变量，其状态空间表达式如式(4)：

根据自抗扰控制技术理论中扩张状态观测器的设计理论，将式(4)设计成二阶扩张状态观测器。为方便数字控制器设计与实现以及调试参数，使用线性扩张观测器结构来描述式(4)。具体形式如式(5)：

线性扩张状态观测器中的b参数为式(6)：

与式(5)对应的线性扩张状态观测器的结构如图7所示。线性扩张状态观测器有两个输出量z₁、z₂，在t→∞时候有：

所述线性扩张状态观测器的输入量也有两个，分别为电流值和转速值，这两个变量可分别通过电流传感器和光电编码器直接获取。

将所述的线性扩张状态观测器并入转速环的传统PI控制结构中，则加入所述扩张状态观测器的转速环控制系统结构如图1所示，其中u₀为转速环PI控制器输出的控制量，ESO为线性扩张状态观测器。

由上述可知，在如图1所示的加入扩张状态观测器的转速环控制结构中，线性扩张状态观测器从闭环回路中获得所需要的两个输入量，分别为电流值和转速值；线性扩张状态观测器两个输出量z₁、z₂中的z₂与常系数通过乘法器作用后作为控制量u₀的补偿量，与u₀通过加法器作用后作为转速环总的控制量。扩张状态观测器将有效地逼近系统的未建模部分和未知扰动，通过补偿将其作用抵消，实现扰动的实时观测以及补偿功能。

更进一步的，基于所述线性扩张状态观测器与加入扩张状态观测器的转速环控制结构，考虑转动惯量变化量ΔJ，给定一个转动惯量的初值J_int，并使负载转矩T_L＝0，此时式(2)改写为式(8)：

则此时根据所述的式(7)，扩张状态观测器的输出值为式(9)：

根据式(9)，输入幅值较小的三角载波作为转速辨识信号，则扩张状态观测器的输出z₂根据系统转速方向变化而改变，相应的波形如图10所示。计算半个周期内z₂输出的平均值：

转速辨识信号中dn^*/dt的斜率已经确定，将式(10)和式(11)作差并整理，可得转动惯量辨识结果为式(12)：

一种线性扩张状态观测器，在一个实施例中，如图7所示包括：

第一加法运算环节、第二加法运算环节、第一比例环节、第二比例环节、第一积分环节和第二积分环节。

所述第一加法运算环节的其中一个输入来自第二标幺化环节处理后得到的n^*，第一加法运算环节的输出量e分别传送至第一比例环节和第二比例环节；

所述第一比例环节的输出传送至第二加法运算环节其中的一个输入；

所述第二比例环节的输出传送至第一积分环节的输入，第一积分环节的输出作为本实施例中线性扩张状态观测器结构的其中一个输出z₂，同时传送至第二加法运算环节其中的一个输入；

所述第二加法运算环节的输出传送至第二积分环节的输入，第二积分环节的输出作为本实施例中线性扩张状态观测器结构的另一个输出z₁，同时传送至第一加法运算环节的另一个输入。

本实施例中，所述第一比例环节如图8所示，包括：第一乘法器和第一锁存器。

所述第一乘法器的其中一个输入端连接第一锁存器，通过第一锁存器输出常数比例量β₁至第一乘法器，第一比例环节通过第一乘法器另一输入端和输出端连接在第一加法运算环节的输出量至第二加法运算环节的传送通路中。

本实施例中，所述第二比例环节如图9所示，包括：第二乘法器和第二锁存器。

所述第二乘法器的其中一个输入端连接第二锁存器，通过第二锁存器输出常数比例量-β₂至第二乘法器，第二比例环节通过第二乘法器另一输入端和输出端连接在第一加法运算环节的输出量至第一积分环节的传送通路中。

综上所述，将所述的基于线性扩张状态观测器辨识出来的转动惯量参数代入回原扩张状态观测器中，能提高扰动补偿精度，提升自抗扰控制器的性能。适合用于转动惯量变化的控制场合，提升对转动惯量变化的适应能力。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识系统，其特征在于，包括：

加法运算环节、伺服控制系统电流环环节、线性扩张状态观测器环节、第一标幺化环节、第二标幺化环节、转矩系数环节、第三比例环节、第四比例环节和机械环节；

所述加法运算环节的其中一个输入来自伺服控制系统转速环的输出控制量，加法运算环节的输出控制量传送至电流环环节，电流环环节的输出分别传送至转矩系数环节和第一标幺化环节；

所述转矩系数环节的输出传送至机械环节，机械环节的输出机械角速度传送至第二标幺化环节，第二标幺化环节的输出传送至线性扩张状态观测器环节的其中一个输入；

所述第一标幺化环节的输出传送至第三比例环节，第三比例环节的输出传送至线性扩张状态观测器环节的另一个输入；

所述线性扩张状态观测器环节的其中一个输出传送至第四比例环节的输入，第四比例环节的输出传送至加法运算环节的另一个输入。

2.根据权利要求1所述的转动惯量辨识系统，其特征在于：所述线性扩张状态观测器环节包括：第一加法运算环节、第二加法运算环节、第一比例环节、第二比例环节、第一积分环节和第二积分环节；第一加法运算环节的其中一个输入来自第二标幺化环节处理结果，第一加法运算环节的输出量分别传送至第一比例环节和第二比例环节；第一比例环节的输出传送至第二加法运算环节其中的一个输入，第二比例环节的输出传送至第一积分环节的输入；第一积分环节的输出作为线性扩张状态观测器结构的其中一个输出，同时传送至第二加法运算环节其中的一个输入；第二加法运算环节的输出传送至第二积分环节的输入，第二积分环节的输出作为线性扩张状态观测器结构的另一个输出，同时传送至第一加法运算环节的另一个输入。

3.根据权利要求1所述的转动惯量辨识系统，其特征在于：所述线性扩张状态观测器的参数为ω₀＝5～10ω_bn，ω_bn为伺服控制系统转速环的频带宽度。

4.根据权利要求1所述的转动惯量辨识系统，其特征在于：所述第一标幺化环节包括第四乘法器和第四锁存器；所述第四乘法器的其中一个输入端连接第四锁存器，通过第四锁存器输出常数比例量至第四乘法器，第一标幺化环节通过第四乘法器另一输入端和输出端连接在第一标幺化环节输出电流至第三比例环节的传送通路中。

5.根据权利要求1所述的转动惯量辨识系统，其特征在于，所述第二标幺化环节包括第五乘法器和第五锁存器；所述第五乘法器的其中一个输入端连接第五锁存器，通过第五锁存器输出常数比例量至第五乘法器，第二标幺化环节通过第五乘法器另一输入端和输出端连接在机械环节至线性扩张状态观测器环节的输入通路中；

所述转矩系数环节包括第六乘法器和第六锁存器；所述第六乘法器的其中一个输入端连接第六锁存器，通过第六锁存器输出常数比例量至第六乘法器，转矩系数环节通过第五乘法器另一输入端和输出端连接在电流至机械环节的传送通路中。

6.根据权利要求2所述的转动惯量辨识系统，其特征在于，所述第三比例环节包括第三乘法器和第三锁存器；所述第三乘法器的其中一个输入端连接第三锁存器，通过第三锁存器输出常数比例量至第三乘法器，第三比例环节通过第三乘法器另一输入端和输出端连接在第一标幺化环节输出电流传送至第二加法运算环节的输入通路中。

7.根据权利要求1所述的转动惯量辨识系统，其特征在于，所述第四比例环节包括第七乘法器和第七锁存器；所述第七乘法器的其中一个输入端连接第七锁存器，通过第七锁存器输出常数比例量至第七乘法器，第四比例环节通过第七乘法器另一输入端和输出端连接在线性扩张状态观测器环节的输出量至加法运算环节的传送通路中。

8.基于线性扩张状态观测器的转动惯量辨识方法，其特征在于：基于权利要求2所述的转动惯量辨识系统来实现；所述转动惯量辨识方法中：

线性扩张状态观测器的输入量为电流值和转速值，分别通过电流传感器和光电编码器直接获取；

线性扩张状态观测器从闭环回路中获得电流值和转速值两个输入量，将所述线性扩张状态观测器的两个输出量中的一个与常系数通过乘法器作用后作为转速环PI控制结构输出的控制量u₀的补偿量，与控制量u₀通过加法器作用后作为转速环总的控制量。