636 交流伺服系统的转动惯量辨识及调节器参数自整定

+ . ( .
D8 9 <$ : B B C 8 9 :; C 8 9 <$ := F E 8 9 : = ’ . * $= F D8 9 <$ : D8 9 <$ :; /I8 9 <$ :< /I8 9 <* : = F .
交 流 电 机 在 伺 服 系 统 的 应 用 中= 负载转动惯量 的变化会对系统的机械特性造成明显的影响 G 伺服 系统的良好动态和静态特性需要实现对转动惯量的 鲁棒控制 G E首先辨识 万其中一种比较简单的方法是 方数据 出 电 机转子和负 载 的 转 动 惯 量 = 然后根据辨识值对
图 1 二惯性系统机械模型
3 调节器参数的自整定
3 2 1 一惯性系统的自整定方案 一惯性机械系统的控制系统中速度环框图如图 -所示 + 图中带 Y 者为设定值 #Z[#Z\分别为 速度 调节器的比例系数和积分系数 #] 为 [ 为极对数 #^ _ ‘ 转子 永磁体 基 波 励 磁 磁 场 链 过 定 子 绕 组 的 磁 链 #9 和 a 分别为定子相电阻和电感 +
图 g 典型三阶系统的幅频响应
图 /中 !7 4和 7 - 为转折频率 #7 W 为截止频率 + 幅频响应中 h 若要 &7 ( 7 4 是一个重要的参数 + 获得最小的闭环幅频响应幅值 :c #应满足 ! 8i ] 7 7 h hD 4 W & # & # 7 hD 4 7 W 4 此时 , 4 .
! 机械参数辨识
! B ! 一惯性系统转动惯量辨识算法 当 负 载 与 电 机 为 刚 性 联 结 时= 离散的交流电机 机械运动方程为 E > /I8 9 <$ :< ?
P Q R S T U VV Q WV X T Y Z T X Q U Q [Y \ ] ^ R R W _ Y Q T S Y ‘ ‘ R S ] \ Y Sa b] R S c Y] d ] T R e]
7 U ? W& 7 8 A 7 8 &
J P :8, J . Q - 2 ) , JD 7 . T U T @
, 4 4 .
A 其中 !7 认为系 8 是不考虑 二 惯 性 系 统 弹 性 联 结 时 ,
统是一惯性系统刚性 联结 . 得到 的速度 响应 S7 是 U ? W 其频率就是系统的自然频 速 度 响 应 的 振 荡 部 分# 率7 + @ 由式 , 可分别得到 转动惯 量和 自然频 4 @ . #, 4 4 .
图 3 控制系统速度环结构图
这是一个典型三阶系统 + 设计这种系统参数有
/ F 时 域和频域的多种方法 E 最小 :c + 本文选用的是 b 准则 d 方法 + 其中 :c 为 系 统 闭 环 幅 频 响 应 的 峰 值 +
图 /为系统的 e 图+ U 5 f
M
N
:8, J . J P :8, J . Q D , R . - # J ) K ) , J D 7 . K @ 其中 !J 为算子 S) &) T U T 8D) 9 为机械系统总转动惯 量 SP &) ) Q 9( 8 为负载与电机转子转动惯量比 S 7 B ) ( , ) # @& V C T U T 8) 9. 为机 械 系 统 的 自 然 角 频 率 +7 越 大 系统的刚性越 # @ 强# 也就越接近一惯性系统 + 从式 , 中可以看出 # 速度响应分为两部分 ! R .
交流伺服系统的转动惯量辨识及调节器参数自整定
4 4 O 4
A
$为 估 计 速 度 信 号 #% $ 式 中 !"为 速 度 信 号 #" & ’( ) 为待辨识变量 #*为自适应增益 + 将式 , 作为参考模型 # 式, 作为可调模型 # 式 . / . 作为自适应机制 # 则可以实现模型参考自适应的 , 0 . 辨识算法 + 1 2 3 二惯性系统机械参数辨识 在应用中 # 负载与电机轴之间并非刚性联结 # 存 在摩擦等非线性因素 + 本文只考虑弹性联结对系统 性能的影响 # 此时的机械系统可被视为二惯性系统 + 图 4是二惯性机械系统模型 +
收稿日期 E* % % $ & % ’ & $ $ 作者简介 E郭宇婕 汉. $ > C F & . =女 =陕西 =硕士研究生 G 通讯联系人 E黄立培 =教授 =H & E5 KL B B I7 2 A 6 7 3 4 A 2 J < 2 1 2 3 4 5 6 7 < M 6 : 3
郭宇婕 #等 !
7 9 :; 7 9 <$ := I8 I8
/@8 9 <$ : . = $ . 式中 E7 I 为 电机转 速 => 为采 样时间 =?为 机 械 系 统的转动惯量 =/I 为电磁转矩 =/@ 为负载转矩 G 在快速响应的伺服系统中 = 采样频率很高 G 由此 可 以 假 设 负 载 转 矩 /@ 在 一 个 采 样 周 期 内 不 变 = 可得 E 7 9 :; * 7 9 <$ :< 7 9 <* := I8 I8 I8 > /I8 9 <$ :< /I8 9 <* : . B * . ? 8 $ : 使用 @ 7 3 M 7 6离 散 时 间 递 推 参 数 辨 识 机 制 = 可以设计模型参考自适应算法为 E B A 8 9 :; * A 8 9 <$ :< A 8 9 <* := B C 8 9 <$ : D8 9 <$ : = B E 8 9 :; A 8 9 :< A 8 9 : =
了调节器参数以改善系统的动态性能 " 研究了基于模型参考 自适应算法的一惯性系统及二惯性系统机械参数的辨识方 并研究了自适应增益对辨识结果的影响 " 基 于 最 小 峰 值 法! 响应方法对一惯性系统参数进行自整定 ! 采用优 化 对 称 法 设 比较了对一惯性系统和二惯 计了二惯性系统的速度调节器 " 性系统进行参数辨识及自整定的差异及相容性 " 仿真和实验 证实了其有效性 " 该方法也可以用于永磁同步和异步电机 " 关键词 E交流电机 #转动惯量辨识 #自整定 中图分类号 E0 * N+ 文章编号 E$ % % % & % % ’ ( * % % * . % > & $ $ D % & % ( 文献标识码 EO
交流伺服系统的转动惯量辨识及调节器参数自整定
郭宇婕 = 黄立培 = 邱 阳
清华大学 电机工程与应用电子技术系 =北京 $ % % % D ( .
摘
要 E为 对 交 流 伺 服 系 统 的 转 动 惯 量 进 行 在 线 辨 识 ! 调整
控制器参数进行调整 = 以提高系统动态性能 G 当电机 轴与 负载之 间为 弹 性 联 结 时 = 负载转速不再与电机 转子转速吻合 = 尤其是在动态过程中 = 如采取的控制 方 法不 当 = 可能 导 致 负 载 转 速 和 电 机 转 速 响 应 完 全 不同 G 这样的系统可视为二惯性系统 G 为获得良好 的动态性能 = 除辨识转动惯量外 = 还需考虑联结轴的 弹性系数 = 相应的调节器自整定方法也有所改变 G
该系统的状态方程为
8= ;7 5 7 9 & 5 6 <:? >
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Байду номын сангаас@ @
A
4 = ) 7 8 ; 8= 7 9 D <:? > @>
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<B AB C C ;4 ) 8 @=
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E: F#
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<@ @> 式 中 !7 为 负 载 转 速 #:? 为 轴 的 反 抗 转 矩 #B 9 C为 轴 的 弹 性 系 数 #) 8 为 电 机 转 子 转 动 惯 量 #) 9 为负 载转动惯量 + 电机转子转速与电磁转矩之间的传递函数为 ! 7 J . 8, H J .& & I, :8, J . 于是有 7 8 & ) 9 J B C 2 , O . ) ) 9 8 ) J4D J KL ) B K C 4D
f g hi j k l m =n g o p fq l r m l =s t gi u v w x R ^ V S T eR Q T Y \ y ‘ R _ T S U _ V ‘ y Q [ U Q R R S U Q [ =z ] U Q [ { X V| Q U c R S ] U T d = } R U ~ U Q [! " " " # $ =b { U Q V . % ] T S V _ T E0 5 <M & 3 7 I2 :J < ’ ( @ ’ I7 3 : <@ ( O) 1 < ’ 9 @ 1 & 1 L < I1 2 1 a ’ @ 9 < M) &2 M < 3 L 2 ( & 2 3 4L 5 <I< : 5 7 3 2 : 7 A J 7 ’ 7 I< L < ’ 1L @7 6 L @ & L 6 3 <L 5 < 2 IJ 1 J < < M: @ 3 L ’ @ A A < ’ B *3 A 2 3 <2 M < 3 L 2 ( 2 : 7 L 2 @ 3 I< L 5 @ M 1 +< ’ <M < 9 < A @ J < M ) 7 1 < M@ 3I@ M < A’ < ( < ’ < 3 : <7 M 7 J L 2 9 <1 & 1 L < IN, O" .( @ ’@ 3 < & I7 1 1 7 3 ML +@ & I7 1 1 1 & 1 L < I1 B0 5 < 2 IJ 7 : L @ ( M 2 ( ( < ’ < 3 L 7 M 7 J L 2 9 < 4 7 2 3 1 @ 3L 5 < 2 M < 3 L 2 ( 2 : 7 L 2 @ 3’ < 1 6 A L 1 +7 17 3 7 A & < M7 3 M7 6 L @ I7 L 2 :1 : 5 < I< 1 +< ’ < M < 9 < A @ J < ML @L 6 3 <L 5 <1 J < < M: @ 3 L ’ @ A A < ’ B0 5 <@ 3 < & I7 1 11 & 1 L < I +7 1 L 6 3 < M 6 1 2 3 4 L 5 < . A < 7 1 L /’ : ’ 2 L < ’ 2 7 0 B 0 5 < L +@ & I7 1 1 1 & 1 L < I 7 6 L @ & L 6 3 2 3 4 7 A 4 @ ’ 2 L 5 I +7 1 ) 7 1 < M @ 3 L 5 < @ J L 2 I7 A1 & II< L ’ & L < : 5 3 2 1 6 < B #6 I7 ’ 2 : 7 A 7 3 M < 2 J < ’ 2 I< 3 L 7 A : @ IJ 7 ’ 2 1 @ 3 1 @ ( L 5 < 7 6 L @ & L 6 3 2 3 4 I< L 5 @ M 1( @ ’L 5 <@ 3 < & I7 1 17 3 ML +@ & I7 1 11 & 1 L < I1 9 < ’ 2 ( 2 < ML 5 < 2 ’< ( ( < : L 2 9 < 3 < 1 1 B0 5 < I< L 5 @ M 1: 7 3) <7 A 1 @6 1 < M2 3 ’ I< 3 7 3 LI7 4 3 < L 2 :1 & 3 : 5 ’ @ 3 @ 6 1 I@ L @ ’3 N" N. 7 3 M2 3 M 6 : L 2 @ 3 J < I@ L @ ’! N.1 & 1 L < I1 B 4R d5 Y S W ] EO)I@ L @ ’ 1 62 3 < ’ L 2 72 M < 3 L 2 ( 2 : 7 L 2 @ 3 67 6 L @ & L 6 3 2 3 4