永磁同步直驅(qū)伺服電動機(jī)的模型校正控制

    黃梁松^1，2，曲道奎^1，3，徐方^1，3

(1中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，遼寧沈陽110016；2中國科學(xué)院研究生院，北京100049

    3新松機(jī)器人自動化股份有限公司，遼寧沈陽110168)

摘要：針對直驅(qū)電動機(jī)的特點(diǎn)，提出了模型校正控制策略，利用基于卡爾曼濾波器的狀態(tài)觀測器和數(shù)字低遙濾波器的結(jié)構(gòu)組合對控制系統(tǒng)模型進(jìn)行校正，同時對觀測的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償。理論和實(shí)驗均表明該策略能夠有效消除控制系統(tǒng)中的高階成分、非線性因素、高頻噪聲及負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的影響，提高直驅(qū)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性和抗干擾能力。

    關(guān)鍵詞：直驅(qū)伺服電動機(jī)；模型校正；卡爾曼濾波器；狀態(tài)觀測器；負(fù)載轉(zhuǎn)矩

    中圖分類號：TM341；TM383．4  文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A  文章編號：1004—7018(2010)05—0049—04

0引言

    隨著數(shù)控技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的伺服電動機(jī)配減速器的驅(qū)動方式在許多場合下已經(jīng)不能滿足要求，而需要采用具有更優(yōu)異運(yùn)動性能的直驅(qū)伺服系統(tǒng)。直驅(qū)伺服系統(tǒng)中的伺服電動機(jī)與所驅(qū)動的負(fù)載直接耦合在一起，中間不存在減速機(jī)構(gòu)，消除了傳動機(jī)構(gòu)引起的傳動誤差、非線性摩擦力和彈性形變的影響，可實(shí)現(xiàn)高定位精度及高動態(tài)響應(yīng)，同時還具有低噪聲和免維護(hù)等特點(diǎn)，因此直驅(qū)伺服系統(tǒng)在機(jī)器人、半導(dǎo)體制造裝置、精密機(jī)床、精密測試儀器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景^[1]。

    雖然直驅(qū)伺服系統(tǒng)有許多優(yōu)勢，但同時也產(chǎn)生了新的技術(shù)問題。一方面各類干擾會不經(jīng)過任何中間環(huán)節(jié)的衰減而直接作用到電機(jī)上，使得直驅(qū)電動機(jī)對紋波轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量、電機(jī)參數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化變得敏感，降低了系統(tǒng)的傳動和定位精度；另一方面，系統(tǒng)在閉環(huán)控制過程中，系統(tǒng)模型中的高階成份1模型校正控制原理二階線性系統(tǒng)是進(jìn)行控制理論分析和控制策略實(shí)施最典型的系統(tǒng)，其工程分析和應(yīng)用方法已非常成熟。對于交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)這樣的高階非線性系統(tǒng)，工程上常將其簡化為二階線性系統(tǒng)進(jìn)行近似分析，但如果系統(tǒng)模型中的高階成分和非線性因素不能簡單地通過模型簡化排除時，勢必會對整個控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性造成較大的影響^[7-8]，為此本文提出了模型校正控制，即將高階非線性系統(tǒng)的模型校正為二階線性系統(tǒng)進(jìn)行控制，以此消除高階成分和非線性的影響，該算法的基本原

理如圖1所示。

     圖中：G(s)為被控對象(直驅(qū)伺服電動機(jī))，c(s)為控制器，G。(s)為狀態(tài)觀測器，F(xiàn)(s)為低通濾波器。d是外部干擾，n是高頻噪聲。控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)y(s)包括兩部分，即：

式中：yd(s)為二階線性系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，yn(s)為高階成份和高頻噪聲的輸出響應(yīng)。狀態(tài)觀測器的輸出y。(s)也包括兩部分，即：

式中：yod(s)為狀態(tài)觀測器中所觀測的二階線性系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，ye(s)為狀態(tài)觀測器模型與實(shí)際系統(tǒng)模型的偏差。如果狀態(tài)觀測器觀測結(jié)果逼近實(shí)際系統(tǒng)，則：

    由于yh(s)是高頻量測噪聲，因此理想狀態(tài)下被完全濾除，而模型偏差ye(s)具有低頻特性，完全通過濾波器，得到校正濾波器的輸出為：

     由式(7)可知，反饋值為閉環(huán)系統(tǒng)中二階線性系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，消除了模型中的高階成份、高頻噪聲和模型偏差的影響，同時排除了單純使用低通或帶通濾波器所產(chǎn)生的幅值衰減、失真和相位滯后等問題。

2狀態(tài)觀測器設(shè)計

  模型校正控制策略的關(guān)鍵是狀態(tài)觀測器的設(shè)計，狀態(tài)觀測器一方面為模型校正控制提供反饋觀測值，另一方面也為電流環(huán)的補(bǔ)償算法提供負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測值。卡爾曼濾波器運(yùn)用****估計原理對系統(tǒng)狀態(tài)變量進(jìn)行最小方差估計，并在估計過程中消除模型誤差和測量誤差對狀態(tài)變量估計值的影響，因而具有很高的精度，卡爾曼濾波器的特點(diǎn)還在于采用遞推算法，大大減少