伺服驅動系統機械諧振抑制技術研究

《伺服驅動系統機械諧振抑制技術研究》是依託哈爾濱工業大學，由楊明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：伺服驅動系統機械諧振抑制技術研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊明

項目摘要

項目將全面深入地研究伺服驅動系統機械諧振抑制技術。一方面，基於傳統的被動方式抑制策略，通過研究自適應零相角滯後陷波濾波器系統，實現線上跟蹤諧波、自動濾波器參數整定，保證系統閉環性能同時消除諧振影響。另一方面，提出新穎的主動方式抑制策略，研究結合分數階擾動觀測器技術的模型預測狀態反饋控制系統，利用三者相互獨立的設計特點以充分發揮各自優勢。採用模型預測控制技術消除系統延時不良影響；套用FO-DOB技術降低觀測器的設計難度，並提高模型預測控制系統對模型擾動的魯棒性。所研究的彈性負載模型包括傳動間隙以及傳動軸矩安全限幅等非線性因素，有效抑制機械諧振的同時兼顧系統的魯棒性及可靠性。研究均基於僅在電機端安裝一個位置感測器的通用伺服驅動結構，不額外增加系統硬體。搭建可準確預置諧振特徵以及傳動間隙的實物平台，解決傳統諧振抑制算法缺乏實物驗證手段的問題，並完善平台使其成為評測諧振抑制性能的標準化工具。

結題摘要

研究帶彈性負載的雙慣量系統機械諧振的模型與機理。速度開環，系統諧振頻率為NTF；進入閉環，諧振頻率為ARF。離散化後，若控制系統剛度過大，系統會以NTF持續振盪。傳動間隙的存在等效降低傳動系統彈性係數，加劇機械諧振的影響。在位置環控制中，降低半閉環伺服系統的控制精度，為全閉環系統引入極限環振盪。通過PRBS或Chirp信號的功率譜分析法獲取諧振系統Bode圖。辨識過程快速、準確，可用於離線預判是否存在潛在的諧振危害。 實現雙T型陷波濾波器的設計；提取交軸電流諧波成分，進行FFT蝶形算法，根據頻率辨識結果線上整定陷波濾波器參數，可自動消除機械諧振。分析小數階濾波器的結構並利用折線逼近法實現，通過實驗分析其魯棒性，並得出針對不同系統需要同時調節濾波器階次及時間常數，達到最優控制效果。針對位置環定位末端抖振問題，提出一種最小相角滯後的陷波濾波方案。而零相角滯後濾波器是基於非因果系統的理論設計，實踐效果受到限制。 實現三種極點配置策略使速度環PI控制參數得到最佳化，提高系統動態回響。但PI控制器參數有限使得系統零極點自由度受限，因此控制效果一般。研究了Luenberger觀測器基本結構及存在條件，為狀態觀測器配置合適極點，實現了雙慣量彈性系統中負載轉速、轉矩和軸矩狀態量的觀測。針對軸系限幅安全問題，研究MPC算法，轉化為EMPC查表得出當前最優控制率，解決線上實現問題。理論推導及實驗驗證軸矩限幅控制的制約條件。為了將算法實現於存儲空間有限的嵌入式系統，提出EMPC-PI切換控制策略，更接近工業套用。針對含間隙的諧振抑制問題，常規陷波濾波措施失效。提出基於軸矩擾動觀測器方案，等效增加電機的視在慣量，進而消除諧振，實現軸矩限幅控制。針對位置環極限環振盪，提出狀態反饋控制，通過對閉環系統極點的配置獲得反饋係數，進而消除極限環振盪，提高位置控制精度。 通過項目研究，建立了多套實物平台：可預置諧振特徵的雙慣量彈性負載平台、可預置傳動間隙的諧振平台以及軸矩限幅測試平台。