一种未知伺服系统的前馈补偿装置及前馈系数自整定方法

本发明涉及一种未知伺服系统的前馈补偿装置及前馈系数自整定方法，属于电机伺服控制。

背景技术：

1、在电机位置伺服系统中，为了令系统输出快速精准地跟踪给定信号，往往需要进行前馈信号补偿来消除参考轨迹跟踪误差，提高系统响应速度和准确性。

2、目前大部分伺服前馈补偿主要采用的是速度及加速度信号前馈，其本质上是对被控对象模型的二阶逼近，然而，这种低阶逼近策略在面对复杂系统时存在明显的局限性，特别是在处理如柔性传动系统中的双惯量负载模型时，其精度不足的问题尤为突出。具体而言，二阶逼近方法忽略了谐振对低频跟踪性能产生的不利影响，以及系统延时所带来的信号滞后问题，使得对应的前馈补偿效果严重受限，难以达到预期的精准跟踪控制目标。

3、为了克服这一局限，理论上可以考虑采用更高阶的微分信号进行前馈补偿，以更准确地逼近被控对象的动态特性。然而，高阶微分前馈装置意味着前馈系数的增加，这不仅增加了系统设计的复杂性，还极大地提升了参数整定的难度。尤其当伺服系统模型参数未知需要进行模型辨识时，高阶前馈环节的参数整定过程将变得尤为繁琐和耗时。不仅延长了整体前馈环节的整定时间，还可能因为参数整定不当而降低系统的控制性能，从而不利于伺服系统实现快速且精准的前馈补偿跟踪控制。

4、因此，如何在保证前馈补偿精度的同时，有效简化高阶前馈装置的设计和实现，降低参数整定的难度，成为当前电机位置伺服系统前馈补偿技术亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种未知伺服系统的前馈补偿装置及前馈系数自整定方法。

2、实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种未知伺服系统的前馈补偿装置，包括

3、位置信号微分模块，用于获取给定位置轨迹的高阶微分信号，包括一阶到五阶微分信号；

4、力矩前馈模块，用于根据给定位置轨迹的二阶到五阶微分信号生成力矩前馈信号，并将力矩前馈信号输入pid控制器的电流环；

5、速度前馈模块，用于根据给定位置轨迹的一阶到四阶微分信号生成速度前馈信号，并将速度前馈信号输入pid控制器的速度环；

6、pid控制器，用于根据力矩前馈信号、速度前馈信号以及给定位置轨迹生成的位置闭环给定信号控制伺服电机；

7、模型辨识模块，用于获取伺服系统速度环被控对象的频响特性曲线及伺服系统模型参数；

8、前馈系数计算模块，用于根据伺服系统模型参数获取各项前馈系数。

9、本发明的一种未知伺服系统的前馈补偿装置的前馈系数自整定方法，所述方法包括如下步骤：

10、s1：未知伺服系统的惯量类型判断；

11、s101：通过扫频注入的方式获取伺服系统速度环被控对象的频响特性曲线，即负载特性曲线；

12、s101所述扫频注入信号为总时长0.2s的额定幅值的chirp电流量信号，扫频注入信号注入到q轴电流给定处，扫频输出信号为系统电机端转速信号。

13、所述扫频注入信号和扫频输出信号的频率范围均为0-1250hz。

14、s102：利用savitzky-golay滤波方法对获取的原始的负载特性曲线进行平滑处理；

15、s103：定义双惯量负载伺服系统的电机负载模型的理想传递函数：

16、

17、式(1)中：

18、j＝jl+jm为电机传动系统的总转动惯量；

19、jl为负载转动惯量；

20、jm为电机转动惯量；

21、kt为电机传动系统的转矩系数；

22、ks为电机传动系统的扭转弹性系数；

23、s为传递函数的拉普拉斯算子；

24、s104：根据获取的负载特性曲线，通过幅频特性曲线的极值搜索和相频特性曲线的相位突变双重验证自动检测检测电机负载模型中是否存在成对的谐振频率点，根据检测结果判断负载惯量类型，即单惯量负载伺服系统或双惯量负载伺服系统；

25、若存在成对的谐振频率点，则记录系统反谐振频率和系统谐振频率反之，则进行s2。

26、s2：模型参数辨识；

27、s201：根据获取的负载特性曲线中幅频特性曲线中低频段数据的最小二乘拟合得到等效系统总转动惯量j/kt；

28、s202：根据获取的负载特性曲线中相频特性曲线中低频段数据的最小二乘拟合得到速度环等效系统延时ts；

29、s203：根据获取的负载特性曲线及写入的速度环控制器参数计算转换得到速度环闭环频响特性曲线及位置环被控对象频响特性曲线：

30、

31、式(2)中：

32、gp-plant(s)为位置环被控对象传递函数；

33、gs(s)为速度环闭环传递函数；

34、gc(s)为速度环控制器传递函数；

35、gs-plant(s)为速度环被控对象传递函数；

36、s204：在处理外环位置环参数整定问题时，将内环速度环闭环特性看作整体的延时环节，故位置环被控对象传递函数表达式转换为因此，根据获取的位置环被控对象频响特性曲线中相频特性曲线中低频段数据的最小二乘拟合得到位置环等效系统延时tp。

37、s3：力矩前馈系数的整定计算；

38、s301：定义力矩前馈信号补偿处到负载端角度输出的传递函数：

39、

40、式(3)中：

41、gω(s)为电机端转速到负载端转速的系统传递函数；

42、s302：对速度环的系统延时环节进行一阶惯性近似等效，得到最终的传递函数：

43、

44、s303：对伺服系统进行前馈控制，则力矩前馈模块中的系统传递函数为：

45、

46、s304：分别对应得到各阶次力矩前馈系数。

47、s30401：根据获取的等效系统总转动惯量j/kt确定力矩前馈二阶微分系数

48、s30402：根据获取的等效系统总转动惯量j/kt及速度环等效系统延时ts确定力矩前馈三阶微分系数

49、s30403：根据获取的等效系统总转动惯量j/kt及谐振频率系统谐振频率fn确定力矩前馈四阶微分系数

50、s30404：根据获取的等效系统总转动惯量j/kt、谐振频率系统谐振频率fn及速度环等效系统延时ts确定力矩前馈五阶微分系数

51、

52、s30405：如果在判断负载惯量类型时获取的负载特性曲线未检测到谐振频率点，即判断为单惯量负载，则ka4＝ka5＝0。

53、s4：速度前馈系数的整定计算。

54、s401：定义速度前馈信号补偿处到负载端角度输出的传递函数：

55、

56、s402：对位置环等效系统延时环节进行一阶惯性近似等效，得到最终的传递函数：

57、

58、s403：对伺服系统进行前馈控制，则速度前馈模块中的系统传递函数为：

59、

60、s404：分别对应得到各阶次速度前馈系数。

61、s40401：取速度前馈一阶微分系数kv1＝1；

62、s40402：根据获取的位置环等效系统延时tp确定速度前馈二阶微分系数kv2＝tp；

63、s40403：根据获取的谐振频率系统反谐振频率fa确定速度前馈三阶微分系数

64、s40404：根据获取的谐振频率系统反谐振频率fa和位置环等效系统延时tp确定速度前馈四阶微分系数

65、s40405：如果在判断负载惯量类型时获取的负载特性曲线未检测到谐振频率点，即判断为单惯量负载，则kv3＝kv4＝0。

66、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

67、本发明能在极短时间内实现伺服系统负载惯量类型的判断及模型参数的精准辨识，兼容多种负载惯量模型，进而实现对被控对象模型的高阶精准逼近，同时在整定前馈系数时将系统延时因素考虑在内，利用高阶逼近获取精准的前馈补偿信号。此外，本发明给出了各阶次力矩前馈系数及速度前馈系数的整定公式，避免了繁杂的人工调试，大幅缩短了前馈环节的整定时间，整体流程可在0.2秒内完成未知伺服系统的前馈环节参数自整定，有效解决了前馈整定时间长、系统负载惯量模型兼容性差、前馈补偿精度不足的问题。