CN111245324A - 一种转矩观测器极点调整的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转矩观测器极点调整的方法，其包括步骤：步骤S1，编码器采集电机机械转速ω，电流采样电路采集电机相电流从而得到电磁转矩Te，惯量辨识得到系统的总惯量J；步骤S2，根据电机运动方程建立状态空间方程；步骤S3，根据系统的可观测性判断系统是否可以建立转矩观测器；步骤S4，根据状态方程建立转矩观测器；步骤S5，根据电机转速误差调整转矩观测器极点；步骤S6，将转矩观测器的观测转矩作为补偿值输出至电流环给定输入。实施本发明，可在瞬态时让转矩观测器快速输出，也可减少在系统稳态时转矩观测器的输出抖动。

Description

一种转矩观测器极点调整的方法
技术领域
本发明属于转矩观测器控制领域，涉及转矩观测器极点调整的方法。
背景技术
伺服系统在运行时，电机容易受到转矩扰动的影响而带来速度的抖动，从而影响系统的稳定性。
如图1所示，为减少负载变化对电机速度和位置的影响，通过转矩观测器观测负载转矩并以此作为转矩环前馈输入到环路中；传统转矩观测器的稳态输出抖动较大，以此输入到控制环路中导致在稳态时转矩指令抖动较大，补偿后抖动程度超过未加补偿时的。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供转矩观测器极点调整的方法，解决转矩观测器的稳态输出抖动较大，以此输入到控制环路中导致在稳态时转矩指令抖动较大的问题。
本发明提供转矩观测器极点调整的方法，其包括如下步骤：
步骤S1，编码器采集电机机械转速ω，电流采样电路采集电机相电流从而得到电磁转矩Te，惯量辨识得到系统的总惯量J；
步骤S2，根据电机运动方程建立状态空间方程；
步骤S3，根据系统的可观测性判断系统是否可以建立转矩观测器；
步骤S4，根据状态方程建立转矩观测器；
步骤S5，根据电机转速误差调整转矩观测器极点；
步骤S6，将转矩观测器的观测转矩作为补偿值输出至电流环给定输入。
进一步，在步骤S2中，根据电机运动方程建立状态空间方程具体过程为，
根据以下电机运动方程：
Figure BDA0002342794050000011
建立状态空间方程如下：
Figure BDA0002342794050000012
Figure BDA0002342794050000013
进一步求解可得：
Figure BDA0002342794050000021
Figure BDA0002342794050000022
C＝[10]
Figure BDA0002342794050000023
其中，B为摩擦系数，J为系统惯量，ω'为观测速度，Tl'为观测转矩，
Figure BDA0002342794050000024
为观测速度的导数，
Figure BDA0002342794050000025
为观测转矩的导数。
进一步，在步骤S3中，所述判断系统是否可建立转矩观测器具体根据以下公式判断系统是否具有可观性：
Figure BDA0002342794050000026
其中，矩阵
Figure BDA0002342794050000027
满秩时，判定系统具有可观性，确定系统为可观系统可以建立系统的转矩观测器；矩阵
Figure BDA0002342794050000028
不满秩时，则判定不具有客观性，不能建立转矩观测器，则提示调整系统可观性。
进一步，在步骤S4中，所述状态方程具体为以下公式：
Figure BDA0002342794050000029
Figure BDA00023427940500000210
其中，
Figure BDA00023427940500000211
Figure BDA0002342794050000031
C＝[1 0]
Figure BDA0002342794050000032
Figure BDA0002342794050000033
。
进一步，在步骤S4中，建立转矩观测器的具体过程为：
确定反馈矩阵G，即求|A-GC|的特征方程为|λI-(A-GC)|得到以下公式：
Figure BDA0002342794050000034
设定状态观测器的设定极点为-a1,-a2，可得到以下公式：
(λ+a1)×(λ+a2)＝λ2+(a1+a2)×λ+a1×a2＝0
同时上述两个公式计算，其中忽略摩擦参数B，可得到以下公式：
k1＝a1+a2
k2＝-a1×a2×J
进一步得出：
Figure BDA0002342794050000035
进一步，在步骤S5中，所述根据电机转速误差调整转矩观测器极点具体为在转速误差较小时，提高转矩观测器的输出稳定性；在转速误差较大时，提高转速观测器的收敛速度。
进一步，所述根据电机转速误差调整转矩观测器极点具体依据以下公式进行调节：
Figure BDA0002342794050000036
其中，ωerr为电机转速误差，-a1×ωerr,-a2×ωerr分别为则状态观测器的设定极点。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明实施例提供转矩观测器极点调整的方法，将观测转矩补偿至电流给定值，电机转速在外界扰动下速度波动更小，从而提高伺服系统的抗扰性；
在转矩观测器中，根据速度误差来调整转矩观测器极点提高转矩观测器输出的稳定性，提高伺服系统抗扰性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为现有技术中转矩观测器作为转矩环前馈的示意图。
图2为本发明提供的转矩观测器极点调整的方法一个实施例的主流程示意图。
图3为本发明提供的转矩观测器极点调整的方法一个实施例的补偿转矩的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图2所示，是出了本发明提供的转矩观测器极点调整的方法的一个实施例的主流程示意图，在本实施例中，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，编码器采集电机机械转速ω，电流采样电路采集电机相电流从而得到电磁转矩Te，惯量辨识得到系统的总惯量J；
步骤S2，根据电机运动方程建立状态空间方程；
具体实施例中，根据电机运动方程建立状态空间方程具体过程为，
根据以下电机运动方程：
Figure BDA0002342794050000041
建立状态空间方程如下：
Figure BDA0002342794050000042
Figure BDA0002342794050000043
进一步求解可得：
Figure BDA0002342794050000044
Figure BDA0002342794050000051
C＝[1 0]
Figure BDA0002342794050000052
其中，B为摩擦系数，J为系统惯量，ω'为观测速度，Tl'为观测转矩，
Figure BDA0002342794050000053
为观测速度的导数，
Figure BDA0002342794050000054
为观测转矩的导数。
步骤S3，根据系统的可观测性判断系统是否可以建立转矩观测器；
具体实施例中，所述判断系统是否可建立转矩观测器具体根据以下公式判断系统是否具有可观性：
Figure BDA0002342794050000055
其中，矩阵
Figure BDA0002342794050000056
满秩时，判定系统具有可观性，确定系统为可观系统可以建立系统的转矩观测器，说明该系统可观，可以建立系统的转矩观测器；矩阵
Figure BDA0002342794050000057
不满秩时，则判定不具有客观性，不能建立转矩观测器，则提示调整系统可观性。
步骤S4，根据状态方程建立转矩观测器；
具体实施例中，所述状态方程具体为以下公式：
Figure BDA0002342794050000058
Figure BDA0002342794050000059
其中，
Figure BDA00023427940500000510
Figure BDA0002342794050000061
C＝[1 0]
Figure BDA0002342794050000062
Figure BDA0002342794050000063
；
具体的，建立转矩观测器的具体过程为：
确定反馈矩阵G，即求|A-GC|的特征方程为|λI-(A-GC)|得到以下公式：
Figure BDA0002342794050000064
设定状态观测器的设定极点为-a1,-a2，可得到以下公式：
(λ+a1)×(λ+a2)＝λ2+(a1+a2)×λ+a1×a2＝0
同时上述两个公式计算，其中忽略摩擦参数B，可得到以下公式：
k1＝a1+a2
k2＝-a1×a2×J
进一步得出：
Figure BDA0002342794050000065
如图3所示，步骤S5，根据电机转速误差调整转矩观测器极点；
具体实施例中，设电机转速误差为ωerr，若状态观测器的设定极点为-a1×ωerr,-a2×ωerr，则
反馈矩阵
Figure BDA0002342794050000066
这样可以在转速误差较小时，提高转矩观测器的输出稳定性；在转速误差较大时，提高转速观测器的收敛速度。
步骤S6，将转矩观测器的观测转矩作为补偿值输出至电流环给定输入，这样增加系统的鲁棒性，减少外界扰动对电机转速的影响。
更多的细节，可以参照并结合前述对附图的描述，在此不进行详述。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明实施例提供转矩观测器极点调整的方法,将观测转矩补偿至电流给定值，电机转速在外界扰动下速度波动更小，从而提高伺服系统的抗扰性；
在转矩观测器中，根据速度误差来调整转矩观测器极点提高转矩观测器输出的稳定性，即转矩观测器极点随速度误差的减小而减小，这样既可在瞬态时让转矩观测器快速输出，也可减少在系统稳态时转矩观测器的输出抖动，提高伺服系统抗扰性。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种转矩观测器极点调整的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，编码器采集电机机械转速ω，电流采样电路采集电机相电流从而得到电磁转矩Te，惯量辨识得到系统的总惯量J；
步骤S2，根据电机运动方程建立状态空间方程；
步骤S3，根据系统的可观测性判断系统是否可以建立转矩观测器；
步骤S4，根据状态方程建立转矩观测器；
步骤S5，根据电机转速误差调整转矩观测器极点；
步骤S6，将转矩观测器的观测转矩作为补偿值输出至电流环给定输入。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，根据电机运动方程建立状态空间方程具体过程为，
根据以下电机运动方程：
Figure FDA0002342794040000011
建立状态空间方程如下：
Figure FDA0002342794040000012
Figure FDA0002342794040000013
进一步求解可得：
Figure FDA0002342794040000014
Figure FDA0002342794040000015
C＝[1 0]
Figure FDA0002342794040000016
其中，B为摩擦系数，J为系统惯量，ω'为观测速度，Tl'为观测转矩，
Figure FDA0002342794040000017
为观测速度的导数，
Figure FDA0002342794040000018
为观测转矩的导数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述判断系统是否可建立转矩观测器具体根据以下公式判断系统是否具有可观性：
Figure FDA0002342794040000021
其中，矩阵
Figure FDA0002342794040000022
满秩时，判定系统具有可观性，确定系统为可观系统可以建立系统的转矩观测器；矩阵
Figure FDA0002342794040000023
不满秩时，则判定不具有客观性，不能建立转矩观测器，则提示调整系统可观性。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，所述状态方程具体为以下公式：
Figure FDA0002342794040000024
Figure FDA0002342794040000025
其中，
Figure FDA0002342794040000026
Figure FDA0002342794040000027
C＝[1 0]
Figure FDA0002342794040000028
Figure FDA0002342794040000029
。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，建立转矩观测器的具体过程为：
确定反馈矩阵G，即求|A-GC|的特征方程为|λI-(A-GC)|得到以下公式：
Figure FDA0002342794040000031
设定状态观测器的设定极点为-a1,-a2，可得到以下公式：
(λ+a1)×(λ+a2)＝λ2+(a1+a2)×λ+a1×a2＝0
同时上述两个公式计算，其中忽略摩擦参数B，可得到以下公式：
k1＝a1+a2
k2＝-a1×a2×J
进一步得出：
Figure FDA0002342794040000032
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤S5中，所述根据电机转速误差调整转矩观测器极点具体为在转速误差较小时，提高转矩观测器的输出稳定性；在转速误差较大时，提高转速观测器的收敛速度。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤S5中，所述根据电机转速误差调整转矩观测器极点具体依据以下公式进行调节：
Figure FDA0002342794040000033
其中，ωerr为电机转速误差，-a1×ωerr,-a2×ωerr分别为则状态观测器的设定极点。
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