伺服控制系统机械谐振抑制方法与流程

本发明涉及电机伺服控制技术领域，具体涉及一种伺服控制系统机械谐振抑制方法。

背景技术：

伺服控制系统的机械传动部分经常使用传动轴、减速器、联轴器等传动装置连接电机和负载，而实际传动装置并不是理想刚体，存在一定的弹性，通常会在系统中引发机械谐振。机械谐振会发出噪声形成噪声污染，对机械传动装置造成严重的损害，影响其使用寿命，还会限制了控制系统的带宽，甚至会造成闭环控制系统不稳定。

目前常用的机械谐振抑制方法有两种：陷波器法和加速度反馈法。陷波器对系统参数变化较敏感，且会导致控制性能下降；传统的PI控制器结合加速度反馈的方法虽然可以有效减小机械谐振的影响，但PI控制器对于外部扰动的鲁棒性较差。控制系统一般采用伺服驱动器+位置全闭环控制器架构，但目前市场上常见的伺服驱动器不具有这两种功能，设计人员需要自行研发或定制伺服驱动器，工程应用比较复杂。因此，研究一种工程应用简单、且抗扰性强的机械振荡抑制方法具有重要意义。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种抑制伺服控制系统机械谐振的方法，以提高伺服控制系统性能。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种伺服控制系统机械谐振抑制方法，该方法在伺服电机三环控制系统中设置执行机构的位置控制器，从而形成四环控制系统，所述位置控制器采用自抗扰控制算法抑制系统的机械谐振。

优选地，所述位置控制器具体采用如下的四阶扩展状态观测器和扰动补偿控制器实现自抗扰控制算法：

所述四阶扩展状态观测器为：

其中，x₄为四阶扩展状态观测器所观测的扰动，包括四环控制系统中由电机、传动机构和执行机构组成的机械传动系统的对象模型的不确定因子，以及系统外部扰动，b₀为扰动补偿因子，ω_o为四阶扩展状态观测器带宽，ω_c为位置控制器带宽，b₀、ω_o、ω_c为位置控制器的参数；x1、x2、x3、x4为四阶扩展状态观测器的输出；θ_L分别为执行机构的位置给定值、反馈值，为四环控制系统中电机的位置给定值；

设线性组合值

则扰动补偿控制器的输出为并作为四环控制系统中电机伺服控制器的电机位置控制器的电机位置给定值；其中b₀、ω_o、ω_c为控制器参数，通过调整这三个参数，来抑制机械谐振。

(三)有益效果

本发明针对伺服控制系统中机械谐振问题设计了一种四环控制结构，在传统伺服电机三环(位置环、速度环、电流环)控制系统的基础上，增加了执行机构的位置全闭环控制器，形成四环控制结构，位置全闭环采用自抗扰控制算法，可以有效抑制系统的低频机械谐振。较现有陷波器法和加速度法反馈法，本发明提出的机械谐振抑制方法不改变伺服驱动器的控制算法，采用目前市场上通用的电机伺服驱动器即可，工程应用实现简单，且能有效抑制系统低频机械谐振，提高伺服控制性能。

附图说明

图1为本发明实施例采用的四环控制结构框图；

图2为采用图1所述的实施例实现的执行机构位置正弦跟踪图；

图3为采用图1所述的实施例实现的执行机构正弦跟踪的电机位置图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，伺服控制系统的电机M、传动机构、执行机构L组成典型双惯量机械传动系统。电机M和执行机构L通过传动机构联接，传动机构的刚度为K_g。当传动机构发生扭转形变时将产生转矩T_w，此转矩对于电机M来说可看作是电机M的负载转矩，而对于执行机构L来说可看作是驱动转矩。电机伺服驱动器控制电机M运行，为电机M的转轴提供电磁转矩T_e。在电机M端，电磁转矩T_e和传动机构转矩T_w作用于转动惯量为J_m的电机转轴，决定了电机M的转速ω_m和位置θ_m。在执行机构L端，传动机构转矩T_w与负载转矩T_L共同作用于转动惯量为J_L的执行机构L，最终决定了执行机构L的速度ω_L和位置θ_L。有微分方程组如下:

执行机构L位置与电机M位置间的传递函数为：

图1中θ_L为执行结构位置给定值和反馈值，θ_m为电机位置给定值和反馈值，ω_m为电机速度给定值和反馈值，i^*、i为电机电流给定值和反馈值。

由上式可知，系统传递函数中有一对极点在复平面的虚轴上，会导致系统谐振，其谐振频率为若机械结构刚度K_g较弱，则谐振频率低，当接近于伺服控制系统的工作频率时，则导致控制性能下降，甚至系统不稳定。理想的电机位置闭环控制系统的传递函数θ_m(s)为一阶，则执行机构L的位置开环传递函数θ_L(s)为三阶，且含有不确定模型θ_m(s)及未知转矩扰动T_L，传统的PID控制算法已不能满足控制要求。

本发明在电机伺服三环(位置环、速度环、电流环)控制系统的基础上，增加执行机构L的位置全闭环控制器(即图1中的执行机构位置控制器)，形成四环控制结构，如图1所示。电机伺服驱动器工作在位置控制模式下，包括位置环、速度环、电流环三个环路，控制器进行位置全闭环控制，位置全闭环控制器输出为电机位置给定值作为电机伺服驱动器的输入。

位置全闭环控制采用自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)算法，该控制算法对于扰动及不确定系统具有良好的控制效果。

本发明的位置全闭环控制采用的ADRC控制算法，由扩展状态观测器(Extended State Observer，ESO)、线性组合、扰动补偿控制器输出三部分组成，由于位置开环传递函数θ_L(s)为三阶模型，自抗扰控制器则采用四阶扩展状态观测器进行扰动观测，如下所示：

扩展状态观测器：

线性组合：

扰动补偿控制输出(即为四阶扩展状态观测器的输出)：

其中x₄为状态观测器所观测的扰动，包括对象模型(是四环控制系统中由电机、传动机构和执行机构组成的机械传动系统)不确定因子及系统外部扰动，x1、x2、x3、x4为四阶扩展状态观测器的输出；b₀为扰动补偿因子，ω_o为状态观测器带宽，ω_c为位置全闭环控制器带宽；b₀、ω_o、ω_c为位置全闭环控制器参数，通过调整这三个参数，闭环系统就可获得良好的控制性能，不仅保证系统的稳定性，有效抑制机械谐振，消除机械间隙对控制系统造成的不良影响，达到较好控制效果。

该伺服控制系统在实际工程应用中比较简单，设计人员购买目前市场上常用的电机伺服驱动器即可，不需要研发或定制伺服专用驱动器，只需按照本发明设计位置全闭环控制器及调整参数。

针对某一转台伺服控制系统，采用本发明提出的机械谐振抑制方法进行Matlab仿真验证。该转台系统的机械谐振频率为10Hz，传动机构的减速比为10，执行机构位置给定为幅值π频率0.5Hz的正弦波Matlab仿真结果如图2和图3所示。，由图3可知，机械谐振导致电机位置不是一个正弦波，虽然如此，但使用本发明进行机械谐振抑制后，而由图2可知执行机构的位置跟踪效果较好。因此，由该Matlab仿真结果可知，本发明提出的方法能够有效得抑制机械谐振。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。