CN116599410B

CN116599410B - 一种基于双曲正弦函数的电机调速系统负载转矩估计方法

Info

Publication number: CN116599410B
Application number: CN202310565139.XA
Authority: CN
Inventors: 钱林方; 邹权; 陈龙淼; 陈红彬; 王满意; 陈光宋; 佟明昊
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2023-05-18
Filing date: 2023-05-18
Publication date: 2024-05-03
Anticipated expiration: 2043-05-18
Also published as: CN116599410A

Abstract

本发明提出了一种基于双曲正弦函数的电机调速系统负载转矩估计方法，该方法中的负载转矩观测器主要由模型补偿项和误差补偿项两部分组成。本发明所设计的误差补偿项是电机转速估计误差的双曲正弦函数。当系统电机转速的估计误差较大时，误差补偿项也较大，可显著提高负载转矩的估计速度，而当电机转速的估计误差较小时，可有效避免高增益引起的抖振问题。本发明所提出的电机调速系统负载转矩方法，不仅结构简单、参数容易调整，而且鲁棒性好、估计精度高，可有效提高快速变化负载转矩的估计效果且不存在“尖峰”效应。

Description

一种基于双曲正弦函数的电机调速系统负载转矩估计方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，尤其涉及一种基于双曲正弦函数的电机调速系统负载转矩估计方法。

背景技术

与液压系统相比，电机调速系统具有效率高、体积小、重量轻、维护简单和可靠性高等优点，在工业机器人、国防工业、医疗器械等领域应用广泛。在实际的电机调速系统中，由于负载变化、工作环境变化和执行电机结构等原因，存在齿槽力、未建模非线性摩擦力、时变负载转矩和外部未知随机扰动力等多种形式的扰动，是使电机调速系统控制性能降阶的主要因素之一。为了提高电机调速系统的控制精度和鲁棒性，国内外学者提出了多种非线性控制方法，其中基于负载转矩补偿的控制方法具有物理意义明确、控制精度高、鲁棒性强等特点，在实际工程中获得了广泛的应用。在基于负载转矩补偿的控制方法中，负载转矩的高品质估计是关键。目前，常用的电机调速系统负载转矩估计方法有扰动观测器(Disturbance observer,DOB)、扩展状态观测器(Extended state observer,ESO)、滑模扰动观测器(Sliding mode disturbance observer,SMDOB)、等效输入扰动观测器(Equivalent input disturbance observer,EIDOB)，等等。例如专利[CN104601071A]设计扰动观测器用于在线预估系统由于参数变化和外界干扰引起的不确定量，补偿到控制器，实现电流的误差补偿，确保了电流精确控制；专利[CN106067747A]设计滑模扰动观测器估计伺服系统低速时的摩擦干扰，减少控制器的切换项增益；专利[CN104201941A]设计扩张状态观测器，用于估计不可测系统状态和参数扰动，改善控制过程中的抖振问题。DOB方法对快速变化的扰动估计效果较差，而ESO方法本质上属于高增益观测器，因此当初始误差较大时存在“尖峰”现象，并且积分作用会产生超调现象，对控制性能产生不利影响；滑模观测器方法由于切换项的作用，使得估计信号存在抖振现象，限制了其在工程上的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双曲正弦函数的电机调速系统负载转矩估计方法，旨在解决DOB方法对快速变化扰动的估计效果差而高增益扰动观测器方法存在“尖峰”现象的问题以及滑模观测器存在抖振的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于双曲正弦函数的电机调速系统负载转矩估计方法，所设计的负载转矩估计器为：

其中：参数J为系统等效转动惯量，参数B为系统等效粘性摩擦系数，参数K_T为电机转矩常数，y为负载转矩估计器输出的电机速度估计值，u为电机q轴控制电流，e为电机转速的估计误差，k₁、k₂为待确定的负载转矩估计器参数。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本发明中负载转矩估计器的误差补偿项是电机速度估计误差的双曲正弦函数，当电机速度的估计误差较大时，误差补偿项也较大，可显著提高估计速度，而当电机转速估计误差较小，误差补偿项也较小，有效避免了滑模观测器的抖振问题。此外，本发明中负载转矩估计器不仅结构简单、参数容易调整，而且鲁棒性好、估计精度高，可有效提高快速变化负载转矩的估计效果且不存在“尖峰”现象。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于双曲正弦函数的电机调速系统负载转矩估计方法的组成框图。

图2(a-d)分别为本发明、DOB、ESO、SMDOB观测器对低频正弦负载转矩的估计曲线图。

图3(a-d)分别为本发明、DOB、ESO、SMDOB观测器对高频正弦负载转矩的估计曲线图。

图4(a-d)分别为本发明、DOB、ESO、SMDOB观测器对多频率正弦负载转矩的估计曲线图。

图5(a-d)分别为本发明、DOB、ESO、SMDOB观测器对突变负载转矩的估计曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1，本发明的一种基于双曲正弦函数的电机调速系统负载转矩估计方法，具体包括以下步骤：

步骤1、建立电机调速系统数学模型

电机调速系统的数学模型可表示为：

式中：w为电机转速，J为系统等效转动惯量，B为系统等效粘性摩擦系数，T_d为系统负载转矩，包括齿槽力矩、未建模非线性摩擦力、未知随机外部扰动等，为电机q轴控制电流，K_T为电机转矩常数。为了方便扰动观测器设计，式(1)可写成如下形式：

式中：为等效负载转矩，i_q为电机q轴实际电流。

步骤2、设计模型补偿项

模型补偿项y_m设计为：

式中：y为负载转矩估计器输出的电机速度估计值。

步骤3、设计误差补偿项

误差补偿项y_e设计为：

y_e＝k₁×sinh(e×k₂) (4)

式中：k₁>0、k₂>0为待确定的负载转矩估计器参数，e＝w-y为电机转速的估计误差，sinh()为双曲正弦函数。

步骤4、设计完整的负载转矩估计器

完整的负载转矩估计器由模型补偿项y_m和误差补偿项y_e两部分组成，即：

步骤5、确定负载转矩估计器中各参数

负载转矩估计器式(5)只包含两个待定参数k₁和k₂。一般来说，k₁的取值应大于等效负载转矩的最大值，以保证估计精度。k₂的取值应根据系统的采样周期设置，当采样周期较大时，应减小k₂的值以保证观测器的数值稳定性，而当采样周期较小时，可选取较大的k₂值以提高估计精度。

本实施例中负载转矩估计器参数设置为：k₁＝10.0,k₂＝100.0，采样周期设置为0.001秒。由于在电机调速系统运行过程中，负载转矩的形式是多种多样的，本发明选取正弦、多频率正弦、阶跃等常见的负载转矩来验证本发明中负载转矩估计器的估计效果。图2(a-d)为低频变化正弦负载转矩d＝sin(1.0πt)的估计效果。图3(a-d)为快速变化正弦负载转矩d＝sin(10.0πt)的估计效果。图4(a-d)为多频率正弦负载转矩d＝sin(10.0πt)+cos(3.0πt+0.5π)的估计效果。图5(a-d)为突变负载转矩d＝sign(sin(1.0πt))的估计效果。由上述多种负载转矩的估计可以看出，无论是多频率正弦或突变负载转矩、缓慢或快速变化的负载转矩，本发明都能对其进行准确的估计，相比于传统扰动观测器(DOB)、扩张状态观测器(ESO)，本发明能够在初始阶段快速地估计负载转矩，对负载转矩的估计也更优于传统观测器，估计误差更小；虽然滑模扰动观测器(SMDOB)也能快速的跟踪负载转矩，但存在抖振现象，其估计曲线为一条小幅度、高频振荡的曲线，将会导致控制性能的下降和机械磨损，所以本发明可较为真实地估计实际的负载转矩。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明。

Claims

1.一种基于双曲正弦函数的电机调速系统负载转矩估计方法，其特征在于所设计的负载转矩估计器为：

2.根据权利要求1所述的一种基于双曲正弦函数的电机调速系统负载转矩估计方法，其特征在于，负载转矩估计器参数k₁的取值应大于等效负载转矩的最大值，参数k₂的取值应根据系统的采样周期设置，与采样周期呈反比例系数关系。