[發明專利]基于軸轉矩的預測控制雙慣量伺服系統齒隙振蕩抑制方法

在審

• 申請號: 202111562833.3
• 申請日: 2021-12-20
• 公開（公告）號: CN114421829A
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 尹忠剛;路暢;張彥平;劉靜
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: H02P6/34
• 分類號: H02P6/34;H02P21/00;H02P21/13;H02P21/14;H02P25/026;H02P27/08
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 許志蛟

本發明公開了基于軸轉矩的預測控制雙慣量伺服系統齒隙振蕩抑制方法，具體按照以下步驟實施：步驟1：在d?q坐標系下，建立永磁同步電機數學模型，得到電磁轉矩表達式；步驟2：以轉速和位置為狀態變量建立伺服傳動系統動力學數學模型；步驟3：建立齒隙的死區模型，描述了軸轉矩與角度之差的輸入輸出關系；步驟4：建立滑模觀測器，通過滑模觀測器對軸轉矩進行觀測；步驟5：根據步驟1得到的電磁轉矩表達式、步驟2得到的伺服傳動系統動力學數學模型和步驟3得到的齒隙模型，建立系統沒有進入齒隙和系統在齒隙中兩種情況下，模型預測控制中的預測模型和代價函數。本發明解決了齒隙引起的齒隙振蕩問題，提高了系統的穩定性、魯棒性和定位精度。

技術領域

本發明屬于高精度交流伺服控制系統技術領域，涉及基于軸轉矩的預測控制雙慣量伺服系統齒隙振蕩抑制方法。

背景技術

隨著我國人民經濟的不斷發展和工業自動化水平的不斷提高，對高性能伺服驅動控制系統的需求也日趨增大。特別是在運動控制方面，由于伺服驅動控制系統具有快速響應好、控制精度高、穩定性強等優點，能夠方便、靈活、準確、快速地跟隨外部指令動作，在高端醫療設備、工業機器人、數控機床、新能源、航空航天等眾多領域得到了廣泛應用。

伺服驅動產品需要控制和執行系統有足夠的“冗余度”，即較強的“柔性”，才能更好地應付突發事件，滿足不同狀況的需要。例如，工業機器人的關節驅動離不開伺服系統，關節越多，機器人的柔性和精準度越高，所需要使用的傳動機構的數量就越多，從而適應不同的狀況的要求。當傳動裝置中存在齒輪、滾珠絲杠、減速箱等部件時，必然會為系統引入齒隙，齒隙非線性因素會嚴重影響伺服系統的穩態性能和動態性能，甚至可能導致系統不穩定，主動輪與從動輪反復碰撞導致震蕩和噪聲，嚴重時會損壞設備。因此，為了進一步提高伺服驅動系統的控制精度，系統必須具備處理齒隙非線性的能力，從而使系統在運行過程中實現速度控制和高精度定位。

目前，PID控制是伺服系統最常用的控制器，但PID控制對含齒隙雙慣量伺服系統的齒隙振蕩現象抑制能力有限。而模型預測控制(MPC)能夠充分利用模型信息，且可以對多輸入多輸出系統進行滾動優化控制，能有效處理約束問題，因此基于模型預測控制的方法越來越多的被應用于永磁同步電機的控制之中。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于軸轉矩的預測控制雙慣量伺服系統齒隙振蕩抑制方法，解決了現有伺服系統由于齒隙引起振蕩的問題。

本發明所采用的技術方案是，基于軸轉矩的預測控制雙慣量伺服系統齒隙振蕩抑制方法，具體包括如下步驟：

步驟1，在d-q坐標系下，建立永磁同步電機數學模型，得到電磁轉矩表達式；

步驟2，以轉速和位置為狀態變量建立伺服傳動系統動力學數學模型；

步驟3，建立齒隙的死區模型，得到軸轉矩與角度之差的輸入輸出關系；

步驟4，建立滑模觀測器，通過滑模觀測器對軸轉矩進行觀測；

步驟5，根據步驟1得到的電磁轉矩表達式、步驟2得到的伺服傳動系統動力學數學模型和步驟3得到的齒隙模型，建立系統沒有進入齒隙和系統在齒隙中兩種情況下，模型預測控制中的預測模型和代價函數；再通過步驟4得到的軸轉矩是否為0，選擇兩種不同的預測模型和代價函數。

本發明的特點還在于：

步驟1中，d-q坐標系下，電磁轉矩表達式如下式：

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)；