[發(fā)明專利]基于軸轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)控制雙慣量伺服系統(tǒng)齒隙振蕩抑制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111562833.3
• 申請(qǐng)日: 2021-12-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114421829A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 尹忠剛;路暢;張彥平;劉靜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H02P6/34
• 分類號(hào): H02P6/34;H02P21/00;H02P21/13;H02P21/14;H02P25/026;H02P27/08
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 許志蛟

1.基于軸轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)控制雙慣量伺服系統(tǒng)齒隙振蕩抑制方法，其特征在于：具體包括如下步驟：

步驟1，在d-q坐標(biāo)系下，建立永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，得到電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式；

步驟2，以轉(zhuǎn)速和位置為狀態(tài)變量建立伺服傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型；

步驟3，建立齒隙的死區(qū)模型，得到軸轉(zhuǎn)矩與角度之差的輸入輸出關(guān)系；

步驟4，建立滑模觀測(cè)器，通過(guò)滑模觀測(cè)器對(duì)軸轉(zhuǎn)矩進(jìn)行觀測(cè)；

步驟5，根據(jù)步驟1得到的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式、步驟2得到的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型和步驟3得到的齒隙模型，建立系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)入齒隙和系統(tǒng)在齒隙中兩種情況下，模型預(yù)測(cè)控制中的預(yù)測(cè)模型和代價(jià)函數(shù)；再通過(guò)步驟4得到的軸轉(zhuǎn)矩是否為0，選擇兩種不同的預(yù)測(cè)模型和代價(jià)函數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于軸轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)控制雙慣量伺服系統(tǒng)齒隙振蕩抑制方法，其特征在于：所述步驟1中，d-q坐標(biāo)系下，電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下式：

T_e＝1.5n_p(ψ_di_q-ψ_qi_d)＝1.5n_p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q] (1)；

其中，i_d為d軸定子電流分量；i_q為q軸定子電流分量；L_d為d軸定子電感分量；L_q為q軸定子電感分量；ψ_f為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；n_p為永磁同步電機(jī)極對(duì)數(shù)；ψ_d為d軸磁鏈；ψ_q為q軸磁鏈。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于軸轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)控制雙慣量伺服系統(tǒng)齒隙振蕩抑制方法，其特征在于：所述步驟2中，雙慣量伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下公式：

其中，J_m為驅(qū)動(dòng)側(cè)慣量；B_m為驅(qū)動(dòng)側(cè)摩擦阻尼；J_l為從動(dòng)側(cè)慣量；B_l為從動(dòng)側(cè)摩擦阻尼；K_s為傳動(dòng)軸的彈性系數(shù)；B_s為摩擦阻尼；ω_m驅(qū)動(dòng)側(cè)轉(zhuǎn)速；為驅(qū)動(dòng)側(cè)轉(zhuǎn)速微分；為從動(dòng)側(cè)轉(zhuǎn)速微分；ω_l為從動(dòng)側(cè)轉(zhuǎn)速；θ_m為驅(qū)動(dòng)側(cè)位置；θ_l為從動(dòng)側(cè)位置；為驅(qū)動(dòng)側(cè)位置微分；為從動(dòng)側(cè)位置微分；T_s為軸轉(zhuǎn)矩；T_l為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于軸轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)控制雙慣量伺服系統(tǒng)齒隙振蕩抑制方法，其特征在于：所述步驟3中，齒隙死區(qū)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式：

其中，模型的輸入為驅(qū)動(dòng)側(cè)和從動(dòng)側(cè)的角度之差，輸出信號(hào)為軸轉(zhuǎn)矩，齒隙大小用α表示。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于軸轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)控制雙慣量伺服系統(tǒng)齒隙振蕩抑制方法，其特征在于：所述步驟4中，估計(jì)軸轉(zhuǎn)矩的滑模觀測(cè)器表達(dá)式如下式：

其中，為負(fù)載轉(zhuǎn)速導(dǎo)數(shù)的估計(jì)值；為負(fù)載轉(zhuǎn)速的估計(jì)誤差；k₁和k₂是正的增益系數(shù)；sgn()是符號(hào)函數(shù)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于軸轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)控制雙慣量伺服系統(tǒng)齒隙振蕩抑制方法，其特征在于：所述步驟5的具體過(guò)程為：

步驟5.1，首先建立系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)入齒隙時(shí)的預(yù)測(cè)模型如下所示：

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)+D (5)；

其中,ω_m(k+1)為驅(qū)動(dòng)側(cè)電機(jī)角速度在k+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)值；i_q(k+1)為q軸電流在k+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)值；T為采樣時(shí)間；ω_m(k)為驅(qū)動(dòng)側(cè)電機(jī)角速度在k時(shí)刻的實(shí)際值；i_q(k)為q軸電流在k時(shí)刻的實(shí)際值；Δi_q(k)為q軸電流變化量Δi_q(k)＝i_q(k)-i_q(k-1)；

步驟5.2，選取N_c＝1，公式(5)預(yù)測(cè)時(shí)域N_p內(nèi)有，

步驟5.3，利用當(dāng)前的預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)輸出與當(dāng)前反饋值的誤差構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，校正預(yù)測(cè)模型，校正后的預(yù)測(cè)模型為：

其中，e(k)＝ω_fed-ω(k)，ω_fed為電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速在k時(shí)刻的反饋值，ω(k)是預(yù)測(cè)模型對(duì)k時(shí)刻的預(yù)測(cè)值；

步驟5.4，定義系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)入齒隙的代價(jià)函數(shù)為二次型性能指標(biāo)函數(shù)：

其中，ω_ref是伺服系統(tǒng)中的速度環(huán)給定；Q是輸出量權(quán)系數(shù)矩陣；r是控制量權(quán)系數(shù)；

步驟5.5，為得到最優(yōu)控制量u(k)，對(duì)性能指標(biāo)函數(shù)求偏導(dǎo)數(shù)如下：

在k時(shí)刻的預(yù)測(cè)電流控制量為：

i_q(k+1)＝i_q(k)+u(k) (10)；

在實(shí)際輸出中需要給實(shí)際電流加以約束來(lái)滿足實(shí)際中的物理?xiàng)l件，即

步驟5.6中，系統(tǒng)進(jìn)入齒隙時(shí)的預(yù)測(cè)模型如下所示：

設(shè)計(jì)代價(jià)函數(shù)使電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速跟隨負(fù)載轉(zhuǎn)速，如下公式(13)所示：

步驟5.7，在軸轉(zhuǎn)矩不為0時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)入齒隙；在軸轉(zhuǎn)矩為0時(shí)，系統(tǒng)在齒隙中。