[發明專利]一種用于伺服系統的摩擦補償前饋控制器

在審

• 申請號: 202111237227.4
• 申請日: 2021-10-21
• 公開（公告）號: CN113934138A
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 朱其新;王嘉祺;金建鋒;謝鷗
• 申請（專利權）人: 蘇州科技大學;蘇州杰森電器有限公司
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 蘇州今邁知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32524
• 代理人: 張佩璇

本發明涉及一種用于伺服系統的摩擦補償前饋控制器，包括PID控制器的三環控制系統，三環控制系統由內向外依次包括電流環、位置環以及速度環；還包括在三環控制系統中增加的前饋控制環節和反饋控制環節，所述前饋控制環節包括速度前饋、加速度前饋以及通過LuGre摩擦模型得到的摩擦補償，所述速度前饋為對位置環輸入的一節微分環節，所述加速度反饋為對速度環輸入的二階微分環節；所述反饋控制環節包括微分負反饋；通過粒子群優化算法整定所述前饋控制環節中的三個參數：速度前饋增益K_a，加速度前饋增益K_b，以及摩擦補償增益K_f。本發明解決了傳統PID控制的跟蹤滯后問題，還解決了由摩擦帶來的速度過零時的位置“平頂現象”和速度“死區現象”。

技術領域

本發明涉及電機控制技術領域，尤其涉及一種用于伺服系統的摩擦補償前饋控制器。

背景技術

永磁同步電機及其伺服系統是現代化工業的重要組成部分，廣泛應用于數控機床、軍工生產、工業機器人等眾多領域。隨著科學技術的進步，對伺服控制技術的要求也日益提高，不僅要求響應速度塊，還要求運動控制做到高精度、無超調、無誤差，以提高整體效率。

傳統的伺服系統主要采用PID控制策略，其優勢在于方法可靠好用、結構簡單、容易實現。但是，PID控制也存在一些弊端，例如響應速度慢、超調量大以及動態跟蹤滯后等。所以，針對高性能的伺服控制，對傳統的PID控制進行優化是非常必要的。

由于在實際工程中，電機運行中的摩擦是不可避免的，因此實現摩擦補償是優化的重點之一。為了解決摩擦給系統帶來的影響，實現更好的控制效果，大量的文獻提出了多種摩擦模型，用于優化摩擦補償的效果。但是現有方法多為在采用摩擦補償前饋時，將摩擦模型的輸出直接補償到系統中，無法解決傳統PID控制的跟蹤滯后問題，以及由摩擦帶來的速度過零時的位置“平頂現象”和速度“死區現象”，故而無法達到最優的控制性能。

發明內容

本發明提供一種用于伺服系統的摩擦補償前饋控制器，以解決上述技術問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種用于伺服系統的摩擦補償前饋控制器，包括PID控制器的三環控制系統，所述三環控制系統由內向外依次包括電流環、位置環以及速度環；

還包括在所述三環控制系統中增加的前饋控制環節和反饋控制環節，所述前饋控制環節包括速度前饋、加速度前饋以及通過LuGre摩擦模型得到的摩擦補償，所述速度前饋為對位置環輸入的一節微分環節，所述加速度反饋為對速度環輸入的二階微分環節；所述反饋控制環節包括微分負反饋；

通過粒子群優化算法整定所述前饋控制環節中的三個參數：速度前饋增益K_a，加速度前饋增益K_b，以及摩擦補償增益K_f。

較佳地，所述速度前饋和加速度前饋的傳遞函數分別為：

其中，K_t為轉矩系數，J為轉動慣量。

較佳地，通過調節所述微分負反饋中的微分負反饋系數τ_D調節所述伺服系統的阻尼比ξ。

較佳地，所述伺服系統的阻尼比ξ為：0.8＜ξ＜0.9。

較佳地，所述LuGre摩擦模型的數學模型為：

其中，z為鬃毛的平均變形量，ω為轉速，σ₀為剛度系數，g(ω)為非線性函數，用于體現不同條件下的摩擦效應，F_f為總摩擦力矩，σ₁為阻尼系數，σ₂為粘滯系數，F_c為庫侖摩擦力矩，ω_s為Stribeck速度。