[发明专利]基于轴转矩的预测控制双惯量伺服系统齿隙振荡抑制方法

说明书

本发明公开了基于轴转矩的预测控制双惯量伺服系统齿隙振荡抑制方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：在d‑q坐标系下，建立永磁同步电机数学模型，得到电磁转矩表达式；步骤2：以转速和位置为状态变量建立伺服传动系统动力学数学模型；步骤3：建立齿隙的死区模型，描述了轴转矩与角度之差的输入输出关系；步骤4：建立滑模观测器，通过滑模观测器对轴转矩进行观测；步骤5：根据步骤1得到的电磁转矩表达式、步骤2得到的伺服传动系统动力学数学模型和步骤3得到的齿隙模型，建立系统没有进入齿隙和系统在齿隙中两种情况下，模型预测控制中的预测模型和代价函数。本发明解决了齿隙引起的齿隙振荡问题，提高了系统的稳定性、鲁棒性和定位精度。

技术领域

本发明属于高精度交流伺服控制系统技术领域，涉及基于轴转矩的预测控制双惯量伺服系统齿隙振荡抑制方法。

背景技术

随着我国人民经济的不断发展和工业自动化水平的不断提高，对高性能伺服驱动控制系统的需求也日趋增大。特别是在运动控制方面，由于伺服驱动控制系统具有快速响应好、控制精度高、稳定性强等优点，能够方便、灵活、准确、快速地跟随外部指令动作，在高端医疗设备、工业机器人、数控机床、新能源、航空航天等众多领域得到了广泛应用。

伺服驱动产品需要控制和执行系统有足够的“冗余度”，即较强的“柔性”，才能更好地应付突发事件，满足不同状况的需要。例如，工业机器人的关节驱动离不开伺服系统，关节越多，机器人的柔性和精准度越高，所需要使用的传动机构的数量就越多，从而适应不同的状况的要求。当传动装置中存在齿轮、滚珠丝杠、减速箱等部件时，必然会为系统引入齿隙，齿隙非线性因素会严重影响伺服系统的稳态性能和动态性能，甚至可能导致系统不稳定，主动轮与从动轮反复碰撞导致震荡和噪声，严重时会损坏设备。因此，为了进一步提高伺服驱动系统的控制精度，系统必须具备处理齿隙非线性的能力，从而使系统在运行过程中实现速度控制和高精度定位。

目前，PID控制是伺服系统最常用的控制器，但PID控制对含齿隙双惯量伺服系统的齿隙振荡现象抑制能力有限。而模型预测控制(MPC)能够充分利用模型信息，且可以对多输入多输出系统进行滚动优化控制，能有效处理约束问题，因此基于模型预测控制的方法越来越多的被应用于永磁同步电机的控制之中。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于轴转矩的预测控制双惯量伺服系统齿隙振荡抑制方法，解决了现有伺服系统由于齿隙引起振荡的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于轴转矩的预测控制双惯量伺服系统齿隙振荡抑制方法，具体包括如下步骤：

步骤1，在d-q坐标系下，建立永磁同步电机数学模型，得到电磁转矩表达式；

步骤2，以转速和位置为状态变量建立伺服传动系统动力学数学模型；

步骤3，建立齿隙的死区模型，得到轴转矩与角度之差的输入输出关系；

步骤4，建立滑模观测器，通过滑模观测器对轴转矩进行观测；

步骤5，根据步骤1得到的电磁转矩表达式、步骤2得到的伺服传动系统动力学数学模型和步骤3得到的齿隙模型，建立系统没有进入齿隙和系统在齿隙中两种情况下，模型预测控制中的预测模型和代价函数；再通过步骤4得到的轴转矩是否为0，选择两种不同的预测模型和代价函数。

本发明的特点还在于：

步骤1中，d-q坐标系下，电磁转矩表达式如下式：

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)；