一种电机驱动系统性能控制方法及系统 |
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| 申请号 | CN202410170370.3 | 申请日 | 2024-02-06 | 公开(公告)号 | CN117955387A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 山东彩山铝业有限公司; 山东交通学院; | 发明人 | 陈超; 陈彬; 陈强; 王刚; 宁尚义; 李常志; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开的一种 电机 驱动系统性能控制方法及系统，包括：获取电机驱动系统的 位置 信息；计算位置信息与参考位置的误差，获得 跟踪 误差；通过误差转换函数，对跟踪误差进行转换，获得转换后误差；根据跟踪误差和转换后误差，确定虚拟控制量；根据跟踪误差和超螺旋扩张状态观测器，确定速度估计值和集总干扰的估计值；根据虚拟控制量、速度估计值、集总干扰的估计值和预设性能 控制器 ，确定性能控制量；根据性能控制量对电机驱动系统进行控制。实现对电机驱动系统的高 精度 控制。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电机驱动系统性能控制方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种电机驱动系统性能控制方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及电机驱动控制技术领域，尤其涉及一种电机驱动系统性能控制方法及系统。 背景技术[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。 [0003] 在现代仿古建筑设计中，使用铝材料代替传统的木材越来越普遍。铝材料具有许多优点，最突出的是其耐候性和耐久性。与木材相比，铝不易受潮湿、虫蛀或气候变化的影响，从而大大延长了建筑的使用寿命。此外，铝材料可以通过各种表面处理技术，如阳极氧化、喷涂或覆膜，以模仿传统木材的外观和质感，保持建筑的传统美感，同时还能增强其耐腐蚀性和耐磨性。 [0004] 喷涂着色一体机可用于在铝材料的表面施加颜色或图案。喷涂着色一体机中采用伺服电机实现喷涂模块与着色模块的移动，完成多遍喷涂及着色需求。喷涂着色一体机中电机的控制性能直接影响喷涂着色效果，精度较差会导致上色不均匀或者喷涂错误、着色错误的问题。 [0005] 现今针对伺服电机驱动系统的控制方式主要是PID控制。PID控制器一方面结构简单、易于调节，但另一方面，其无法有效克服伺服电机系统中存在的因电机参数真实值与标称值不对应带来的参数不确定性，以及由于摩擦力和负载突变造成的转矩扰动等干扰，因此难以满足喷涂着色一体机对速度和精度的要求。为了解决PID控制方法在遭遇多源干扰时性能效能下降的问题，研究者们着手开发更能抵抗干扰且具有高度鲁棒性的控制技术，逐步提出了一些有价值的新型控制方案。但仍有若干关键问题亟需深入探究和解决： [0006] 1)在实际应用中，伺服电机驱动系统受到系统参数不确定性、摩擦力和负载力矩等多种扰动的影响。通常用于应对干扰的滑模控制策略在理论上是有效的，具备较强的鲁棒性，但实际应用中需要高增益开关函数项来抑制干扰，可能导致控制系统出现抖振，不但影响控制精度，且易激发系统的高频未建模动态导致系统失稳。 [0008] 3)现有技术在设计控制器时常需用到电机速度等难以直接测量的参数。速度获取通常通过位置数据的数值差分法或者采用速度传感器。数值差分法在计算过程中可能放大数据中的噪声，导致速度估计不准确。采用速度传感器则会增加系统的成本和复杂性，不利于工业应用。 发明内容[0009] 本发明为了解决上述问题，提出了一种电机驱动系统性能控制方法及系统，能够对伺服电机驱动系统的不确定动态及外部扰动等进行估计和补偿，实现对伺服电机驱动系统的高精度跟踪控制。 [0010] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0011] 第一方面，提出了一种电机驱动系统性能控制方法，包括： [0012] 获取电机驱动系统的位置信息； [0013] 计算位置信息与参考位置的误差，获得跟踪误差； [0014] 通过误差转换函数，对跟踪误差进行转换，获得转换后误差； [0015] 根据跟踪误差和转换后误差，确定虚拟控制量； [0016] 根据跟踪误差和超螺旋扩张状态观测器，确定速度估计值和集总干扰的估计值； [0017] 根据虚拟控制量、速度估计值、集总干扰的估计值和预设性能控制器，确定性能控制量； [0018] 根据性能控制量对电机驱动系统进行控制。 [0019] 第二方面，提出了一种电机驱动系统性能控制系统，包括： [0020] 数据获取模块，用于获取电机驱动系统的位置信息； [0021] 性能控制量确定模块，用于计算位置信息与参考位置的误差，获得跟踪误差；通过误差转换函数，对跟踪误差进行转换，获得转换后误差；根据跟踪误差和转换后误差，确定虚拟控制量；根据跟踪误差和超螺旋扩张状态观测器，确定速度估计值和集总干扰的估计值；根据虚拟控制量、速度估计值、集总干扰的估计值和预设性能控制器，确定性能控制量； [0022] 控制模块，用于根据性能控制量对电机驱动系统进行控制。 [0024] 第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成一种电机驱动系统性能控制方法所述的步骤。 [0025] 与现有技术相比，本发明的有益效果为： [0026] 1、本发明构建的超螺旋扩张状态观测器，可以对伺服电机驱动系统中存在的内、外干扰进行精确估计并进行实时补偿，从而更好地实现对电机驱动系统位置的精准控制，增强其在实际中的适用性。 [0027] 2、本发明针对系统跟踪误差超调量、收敛速度和稳态误差无法预先定量设计的问题，引入预设性能函数，通过将跟踪误差转换为转换后误差，将受限系统转换为不受限系统。结合超螺旋扩张状态观测器，设计了基于转换后误差的预设性能控制策略，可使轨迹跟踪误差保持在由性能函数预先设定的边界内，并在规定的时间内收敛到预设的稳态控制精度，有效提升喷涂着色一体机的整体性能。 [0031] 图1为实施例公开方法的流程框图； [0032] 图2为实施例公开电机驱动系统瞬态跟踪误差仿真对比结果图； [0033] 图3为实施例公开电机驱动系统稳态跟踪误差仿真对比结果图； [0034] 图4为实施例公开电机驱动系统控制器瞬态阶段输入仿真对比结果图； [0035] 图5为实施例公开电机驱动系统控制器稳态阶段输入仿真对比结果图 [0036] 图6为实施例公开电机驱动系统瞬态阶段扰动估计误差仿真对比结果图 [0037] 图7为实施例公开电机驱动系统稳态阶段扰动估计误差仿真对比结果图。 具体实施方式[0038] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。 [0039] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。 [0040] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。 [0041] 实施例1 [0042] 为了解决用于铝代木仿古建筑喷涂着色一体机中伺服电机驱动系统因系统参数不确定性以及摩擦和未知负载转矩扰动等多源干扰，导致伺服电机驱动系统抗干扰能力和控制精度较低，喷涂着色一体机整体性能较低的问题，在该实施例中，公开了一种电机驱动系统性能控制方法，如图1所示，包括： [0043] S1：获取电机驱动系统的位置信息。 [0044] 获取的电机驱动系统的位置信息为电机驱动系统中电机的角位置信息。 [0045] S2：计算位置信息与参考位置的误差，获得跟踪误差；通过误差转换函数，对跟踪误差进行转换，获得转换后误差；根据跟踪误差和转换后误差，确定虚拟控制量；根据跟踪误差和超螺旋扩张状态观测器，确定速度估计值和集总干扰的估计值；根据虚拟控制量、速度估计值、集总干扰的估计值和预设性能控制器，确定性能控制量。 [0046] 其中，超螺旋扩张状态观测器的构建过程为： [0047] S21：构建电机驱动系统的动力学模型。 [0048] 对被控伺服电机驱动系统进行分析，并按照机理建模方法，根据电机的结构和物理定律，建立含阻尼、摩擦和负载转矩扰动的电机驱动系统的动力学模型为： [0049] [0052] 已知电机惯量的标称值J0，动力学模型(1)可改写为： [0053] [0055] 将式(2)改写成以系统角速度、角加速度和集总干扰为状态变量的状态空间方程，该状态空间方程为： [0056] [0057] 其中，x1＝q， 其中，集总干扰f为扩展状态x3，即x3＝f。 是集总干扰变化率，这里假设h未知但有界。 [0058] S23：为状态空间方程中的状态变量，构建超螺旋扩张状态观测器。 [0059] 将f看作状态，以状态观测器的形式进行估计。对状态空间方程(3)中的状态变量构建超螺旋扩张状态观测器，超螺旋扩张状态观测器的初始设计如下： [0060] [0061] 其中，zi(i＝1,2,3)为状态变量xi的估计值。βi为观测器增益。经典线性自抗扰控制器基于线性化的系统模型设计，可能无法完全适应非线性的系统动态特性，降低系统的响应速度。本实施例提出的超螺旋扩张状态观测器具有快速收敛的性质，具有更高的鲁棒性和更快的响应速度。但式(4)中使用的符号函数sign(e)具有非光滑性，会导致控制输入在某些情况下产生高频振荡和不连续的问题，可能破坏系统的稳定性。针对此，本发明在超螺旋扩张状态观测器中引入线性项，并采用双曲正切函数来替代符号函数。其中，双曲正切函数为： [0062] [0063] 引入线性项，并采用双曲正切函数来替代符号函数后的超螺旋扩张状态观测器为： [0064] [0065] 式中，ξ为tanh(ξe)原点处的斜率。ξ值越大，tanh(ξe)波形越接近sign(e)。 [0066] 为减少参数，增益可以设置为β1＝3ωo, ωo为超螺旋扩张状态观测器的控制参数。当超螺旋扩张状态观测器的初始值与系统初始状态不同时，很小的增益都可能引起峰值现象。为避免峰值效应，设置超螺旋扩张状态观测器的控制参数为小于等于设定时间时单调递增，大于设定时间后为常值，可以设计ωo如下： [0067] [0068] 这样，ωo在设定时间tL内从零线性增加到设定的常值 [0069] 本实施例确定跟踪误差的约束范围；根据跟踪误差的约束范围，将受约束的跟踪误差，转换为不受约束的转换后误差，构建获得误差转换函数。 [0070] 其中，跟踪误差的约束范围的确定过程为：确定预设性能函数；根据预设性能函数，确定跟踪误差的约束范围。具体的： [0071] 假设参考位置qd有界且二阶可导，定义跟踪误差e为： [0072] e＝q‑qd (8) [0073] 式中，q为获取的位置信息，qd为参考位置。 [0074] 为约束跟踪误差在瞬态及稳态时的范围，首先选择一个严格正定递减光滑的预设性能函数，该预设性能函数为： [0075] μ(t)＝(μ0‑μ∞)exp(‑lt)+μ∞ (9) [0076] 式中，μ(t)为t时刻的跟踪误差参考值，l＞0， μ0＞μ∞都是待定参数，μ0是μ(t)的初始值，μ∞是μ(t)的稳态值，l为收敛速度，exp为自然常数e为底的指数函数。 [0077] 根据预设性能函数，确定跟踪误差的约束范围为： [0078] [0079] 式中，ρ1和ρ2均为预设参数，ρ1＞0，ρ2＞0。显然，有‑ρ1μ0＜e(0)＜ρ2μ0成立。 [0080] 从式(9)和式(10)可知，位置的跟踪误差e被约束在以‑ρ1μ(t)和ρ2μ(t)为边界的区域内。ρ2μ0定义了最大超调的上界，‑ρ1μ0定义了最大欠调量的下界，l决定预设性能函数的收敛速度，ρ2μ∞和‑ρ1μ∞代表期望稳态跟踪误差的上界和下界。因此，可以通过调整参数ρ1，ρ2，l，μ0和μ∞来预先设计期望的系统瞬态和稳态性能。 [0081] 本实施例利用误差转换函数，将受约束的跟踪误差转换为等效的无约束的转换后误差，从而将跟踪误差受约束的原系统变为等效的误差无约束的新系统。 [0082] 定义转换后误差为ε，ε∈R，定义光滑严格递增函数ψ(ε)满足以下两个性质： [0083] (1) [0084] (2) 且 [0085] 根据ψ(ε)的性质，可知，式(10)可以转换为： [0086] e(t)＝μ(t)ψ(ε) (11) [0087] 其中，ψ(ε)为： [0088] [0089] 因为ψ(ε)严格单调递增，由(9)知μ(t)＞μ∞＞0，因此ψ(ε)的逆存在为： [0090] [0091] 式(13)为误差转换函数，式中，λ(t)＝e(t)/μ(t)。 [0092] 由e＝q‑qd，得 对(13)求导得： [0093] [0094] 其中，γ＝‑(ρ1+ρ2)/[2μ(λ+ρ1)(λ‑ρ2)]。 [0095] 定义虚拟控制量α为： [0096] [0097] 式中，k1＞0。 [0098] 结合超螺旋扩张状态观测器(6)，获得预设性能控制器为： [0099] [0100] 式中，τ为性能控制量，α为虚拟控制量， 为α的一阶导数，b0＝1/J0，J0为电机惯量的标称值，z2为电机角速度的估计值，z3为集总干扰的估计值，ε为转换后误差，γ＝‑(ρ1+ρ2)/[2μ(λ+ρ1)(λ‑ρ2)]，ρ1和ρ2均为预设参数，λ＝e/μ，e为跟踪误差，μ为跟踪误差参考值，k2为预设性能控制器的控制变量。 [0101] 本实施例将获取的位置信息代入式(8)中计算获得跟踪误差； [0102] 将跟踪误差代入式(13)中，计算获得转换后误差； [0103] 将跟踪误差和转换后误差代入式(15)中，计算获得虚拟控制量； [0104] 将跟踪误差代入式(6)中，计算获得速度估计值和集总干扰的估计值； [0105] 将速度估计值、集总干扰的估计值、虚拟控制量和转换后误差代入式(16)中，计算获得伺服电机驱动系统的性能控制量。 [0106] S3：根据性能控制量对电机驱动系统进行控制。 [0107] 利用S2计算获得的性能控制量对电机驱动系统进行控制，提高系统抗扰能力和控制精度，进而改善了喷涂着色一体机的整体性能。 [0108] 将本实施例公开的电机驱动系统性能控制方法与自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)算法和PID算法进行对比试验，来验证本实施例公开方法对电机驱动系统的控制效果。 [0109] 本实施例公开的电机驱动系统性能控制方法用PPC(Prescribed Performance Control)表示，其中的超螺旋扩张状态观测器为式(6)，虚拟控制量计算公式为式(15)，最终的预设性能控制器为式(16)。 [0110] 自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)算法中的扩张状态观测器(ESO)和控制器设计如下： [0111] [0112] [0113] 式中，zi(i＝1,2,3)为状态变量xi的估计值，kp,kd为控制参数，β1＝3ωo,ωo为观测器带宽。为避免峰值效应，ωo的设计也如公式(7)所示。 [0114] PID算法的控制器设计如下： [0115] [0116] 式中，kp,kd,ki为控制参数。 [0117] 各控制器参数如表1所示： [0118] 表1控制器参数 [0119] [0120] 图2为伺服电机驱动系统瞬态跟踪误差仿真对比结果图，虚线曲线代表预设的性能边界。通过图2可以看出，本实施例提出的方法具有较小的超调量和较快的收敛速度，并且可使跟踪误差约束在预先设计的区域内。图3为伺服电机驱动系统稳态跟踪误差仿真对比结果，从中可以看出，本实施例提出的方法具有很高的跟踪精度和很强的抗扰能力。t＝2.5s时，w由0突变至4N·m，用以模拟突加的负载力矩。此时，ADRC和PID算法下的跟踪误差都产生明显波动，但本实施例公开方法几乎不受影响，展现出很强的鲁棒性。图4和图5分别为伺服电机驱动系统瞬态阶段和稳态阶段的输入力矩。仿真初始跟踪误差较大时，ADRC和PID算法的力矩均达到了电机力矩输出极限值，并产生较大波动。本实施例提出的方法输出力矩则始终工作在安全工作范围内，波动较小。图6和图7分别为伺服电机驱动系统控瞬态阶段和稳态阶段扰动估计误差仿真对比结果。当电机摩擦效应明显和突加负载时，观测器的误差较大。但本实施例设计的超螺旋扩张状态观测器相比经典扩张状态观测器具有更快的收敛速度和更高的扰动估计精度，显著降低了内外干扰的影响。 [0121] 综上，由实例仿真结果可以看出，本实施例提出的一种电机驱动系统性能控制方法在喷涂着色一体机伺服电机驱动系统控制中能有效消除系统不确定项和负载干扰对一体机伺服电机驱动系统性能的影响，增强系统的鲁棒性，并使轨迹跟踪误差保持在由预设性能函数预先设定的边界内，并在规定的时间内收敛到预设的稳态控制精度，从而保证喷涂着色一体机良好的工作效果。 [0122] 本实施例公开的一种电机驱动系统性能控制方法，能够预先指定跟踪误差的暂态及稳态性能，所提出的超螺旋扩张状态观测器可以对系统建模误差、摩擦等不确定动态及外部扰动进行估计和补偿，最终完成高精度跟踪控制算法设计。 [0123] 实施例2 [0124] 在该实施例中，公开了一种电机驱动系统性能控制系统，包括： [0125] 数据获取模块，用于获取电机驱动系统的位置信息； [0126] 性能控制量确定模块，用于计算位置信息与参考位置的误差，获得跟踪误差；通过误差转换函数，对跟踪误差进行转换，获得转换后误差；根据跟踪误差和转换后误差，确定虚拟控制量；根据跟踪误差和超螺旋扩张状态观测器，确定速度估计值和集总干扰的估计值；根据虚拟控制量、速度估计值、集总干扰的估计值和预设性能控制器，确定性能控制量； [0127] 控制模块，用于根据性能控制量对电机驱动系统进行控制。 [0128] 实施例3 [0129] 在该实施例中，公开了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1公开的一种电机驱动系统性能控制方法所述的步骤。 [0130] 实施例4 [0131] 在该实施例中，公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1公开的一种电机驱动系统性能控制方法所述的步骤。 |
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