交流伺服系统变负载下参数自适应调整方法研究
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摘要
数控机床特别是高档数控机床，其最基础的、最关键的支撑技术就是高性能
的交流驱动技术。对于交流伺服系统这样的非线性系统，一般使用传统 PID 参数
调整的方法调整驱动器参数，进而控制伺服系统的精度和速度。这种方法主要有
以下缺点：只能一次调整参数使系统性能最优，而对于不同的应用、不同的工况
下，系统的负载转动惯量各不相同或者系统转动惯量是未知的情况下，参数就不
能很好的依据负载变化而确定，从而电机的控制效果比较差。
由于驱动器参数和负载转动惯量不能很好的匹配，一般会导致数控机床在使
用过程中往往会出现运行不平稳,响应慢,振动,出现尖叫声及振动噪音等现象，大大
影响了加工效率。基于以上原因，我们提出了在线自适应调整参数的算法以适应
负载的变化。
外部出现扰动或负载发生变化时，首先辨识出对伺服系统影响较大的负载转
动惯量和负载转矩这两个变量，本论文提出了最小二乘辨识算法、加减速离线辨
识算法辨识出负载转动惯量，并设计负载转矩的辨识和补偿方法。
搭建了变负载参数自整定的试验台，在辨识出不同的负载转动惯量的情况下，
通过和代表世界最先进水平的驱动器的实验对比，调整国产驱动器参数，使其实
验结果逼近高水平的驱动器。保存不同负载惯量值以及其所对应的驱动器参数值，
建立他们的数学关系，查表以达到参数自整定的目的。
在变负载的大量实验中发现，速度控制器体现出较强的抗负载扰动能力，速
度控制器算法的好坏决定了变负载情况下系统的精度和速度。因此，在除了实验
实现的参数自整定方法之外，通过研究模糊控制理论，运用模糊控制理论设计速
度控制器，并提出了自适应确定速度控制器 PID 参数的算法。
运用 Simulink 中Fuzzy Logic Toolbox 建立基于模糊 PID 控制的速度控制器的
模型，给出了算法的程序，以仿真图的形式验证了模糊 PID 控制算法确定速度控
制器参数的正确性。
关键词：交流伺服系统 变负载 辨识 模糊控制 自适应 驱动器参数
交流伺服系统变负载下参数自适应调整方法研究
ABSTRACT
As we all know, the most critical technology of the high-end CNC machine
especially for the numerical control machine, is the exchange of high-performance drive
technology. Generally we use the conventional PID parameter adjustment method of
adjusting the drive parameters, and then control the accuracy and speed of the a
non-linear servo system. But this method has the following disadvantages: You can only
adjust the parameters once as an optimal system performance, but for different
applications, different operating conditions, the system moment of inertia of the load
varies, or moment of inertia of the system is unknown circumstances, the parameters not
be able to get a good basis for determining the load changes, thus the motor control
effects are relatively poor.
As the drive parameters and load moment of inertia can not match well, in general
it would lead the process of CNC machine run unsmoothly, response to slow, vibration,
noise and other phenomena which greatly affects the processing inefficiency. For these
reasons, we propose an online adaptive algorithm for adjusting parameters to adapt to
load changes.
When there is an external disturbance or load change occurs, firstly, we identify a
greater impact on the servo system load moment of inertia and load torque of these two
variables. This paper presents a least-squares identification algorithm, acceleration and
deceleration off-line identification algorithms to identify the load moment of inertia, and
design load torque identification and compensation.
In this research, a variable load parameters self-tuning test system has been set up.
in the identification of different moment of inertia of the load cases, the adoption and on
behalf of the world's most advanced drives experimental contrast, adjustment of
domestic drive parameters to experimental results close to a high level of drive .
Different loads are used to save money, as well as its corresponding drive parameter
value, build their mathematical relationship, look-up table in order to achieve the
purpose of self-tuning parameters.
In this paper, by changing a large number of experiments we found that speed
controller demonstrated strong anti-disturbance capacity of the load. The quality of
speed control algorithm determines the variable load conditions the system accuracy
and speed. Thus, in addition to the parameters of experimental realization of self-tuning
methods, by studying the fuzzy control theory, the use of fuzzy control theory and
design speed controller, and proposed an adaptive speed controller PID parameters to
determine the algorithm.
The Simulink has been used in this research. Fuzzy Logic Toolbox is used to
establish control based on fuzzy PID speed controller model. The algorithm is given
procedures to verify the simulation diagram in the form of fuzzy PID control algorithm
to determine the accuracy of the speed controller parameters.
Keywords: AC Servo System, Identification of Fuzzy Control, Adaptive,
Variable load, drive parameters
目 录
摘要
ABSTRACT
目 录 .................................................................................................................I
第一章 绪 论 .......................................................................................................... 1
§1.1 课题的背景及意义 .................................................................................... 1
§1.2 交流伺服系统参数自调整国内外研究现状 ............................................ 2
§1.3 本文研究的主要内容 ............................................................................... 3
第二章 变负载参数自调整实验台的搭建和原理 ................................................ 5
§2.1 实验台的搭建 ........................................................................................... 5
§2.1.1 搭建实验台的主要思想 .................................................................5
§2.1.2 实验台的控制系统介绍 ..................................................................5
§2.1.3 交流伺服驱动器主控回路 ..............................................................6
§2.2 实验的目的 ............................................................................................... 7
§2.3 实验台的基本特点 ................................................................................... 7
§2.3.1 半闭环伺服系统 ..............................................................................7
§2.3.2 位置控制形式 ..................................................................................8
§2.4 实验台的基本组成及其原理 ................................................................... 9
§2.4.1 永磁同步电机的数学模型 .............................................................9
§2.4.2 光电编码器 ...................................................................................11
§2.4.3 矢量控制方法 ...............................................................................12
§2.4.4 位置、速度、电流三环结构 .......................................................13
§2.5 交流伺服系统基本要求 ......................................................................... 13
§2.6 本章小结 ................................................................................................. 14
第三章 负载的辨识和控制器控制策略研究 ...................................................... 15
§3.1 负载转动惯量辨识的必要性 ................................................................. 15
§3.2 辨识的基本原理 ..................................................................................... 15
§3.3 交流伺服系统转动惯量的辨识算法研究 ............................................. 16
§3.3.1 最小二乘法 ...................................................................................16
§3.3.2 离线式加减速法 ...........................................................................18
§3.4 交流伺服控制器的结构及控制策略 ...................................................... 20
交流伺服系统变负载下参数自适应调整方法研究
§3.4.1 交流伺服驱动器的结构 ...............................................................20
§3.4.2 永磁交流伺服系统电流控制器 ...................................................20
§3.4.3 永磁交流伺服系统速度控制器 ...................................................22
§3.4.4 永磁交流伺服系统位置控制器 ...................................................24
§3.5 负载转矩辨识与速度补偿原理 .............................................................. 24
§3.5.1 负载转矩的辨识 ...........................................................................24
§3.5.2 速度补偿原理 ...............................................................................25
§3.6 本章小结 ................................................................................................. 27
第四章 速度控制器参数自适应调整方法研究 .................................................. 29
§4.1 PID 参数的模糊自整定方法研究 ...........................................................29
§4.1.1 PID 参数的模糊自整定的基本原理 ............................................ 29
§4.1.2 模糊控制系统的基本原理 ...........................................................30
§4.1.3 模糊控制系统的设计 ...................................................................31
§4.2 参数自整定的速度控制器设计 .............................................................. 37
§4.2.1 速度控制器结构 ............................................................................37
§4.2.2 控制器参数初值的确定 ...............................................................38
§4.2.3 速度控制器的设计 .......................................................................38
§4.3 速度控制器的仿真分析 ......................................................................... 41
§4.3.1 MATLAB /S imulink 简介 ............................................................ 41
§4.3.2 速度环参数自适应调整的仿真实验 ............................................42
§4.3.3 仿真结果说明 ...............................................................................47
§4.4 本章小结 ................................................................................................. 47
第五章 变负载参数自调整实验 ........................................................................ 48
§5.1 变负载参数自调整实验台 ..................................................................... 48
§5.2 参数调整的方法 ..................................................................................... 49
§5.2.1 参数调整的基本原理 ...................................................................49
§5.2.2 负载和电机惯量比的调整 ...........................................................50
§5.2.3 位置环增益的调整 .......................................................................51
§5.2.4 速度环增益的调整 .......................................................................53
§5.2.5 速度环积分时间常数的调整 .......................................................54
§5.3 实验对比 ................................................................................................. 55
§5.4 参数调整的步骤 ..................................................................................... 56
§5.5 参数调整的结果 ..................................................................................... 56
§5.6 负载转动惯量的辨识结果 ..................................................................... 57
§5.7 负载惯量和主要参数的数学关系 .......................................................... 58
§5.8 本章小结 ................................................................................................. 60
第六章 结论与展望 .............................................................................................. 61
§6.1 总结 ......................................................................................................... 61
§6.2 展望 ......................................................................................................... 62
参考文献 ................................................................................................................ 63
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................................... 66
致谢 ........................................................................................................................ 67
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的背景及意义
20 世纪 70 年代以来，随着电力电子技术、微电子技术、现代控制理论以及电
机理论和技术的长足发展，使得交流驱动的技术得到了飞速发展。交流伺服技术
正以迅速的速度在绝大多数工业应用领域取代了原有直流伺服的地位，其应用范
围几乎涵盖了所有的工业应用领域，主要应用场合有：电动注塑机、冶金机械、
石油机械、重型制造装备（例如数控机床、锻压机械、大型包装机、矿山机械）、
大型包装机械、舰船、武器装备（火炮、雷达、舰载武器）、电动汽车、磁悬浮列
车等[1]。以数控机床为例，我国所需数控机床年增长率 30%以上，2010 年将超过
10 万台，80%以上需要使用交流驱动系统。而高性能的交流驱动中许多关键技术如
高速高精驱动、高性能的动态控制技术主要是掌握在少数一些工业发达国家手中，
这些技术是不会公开的，因此研究高速、高精、高动态性能的交流伺服驱动系统
具有重大的现实意义。
仍以数控行业来说，数控机床特别是高档数控机床，其最基础的、最关键的
支撑技术就是高性能的交流驱动技术。交流伺服驱动系统的精度、速度以及动态
性能直接影响到数控机床的使用性能以及加工效率。目前，一般使用 PID 参数调
整的方法调整驱动器参数，进而控制伺服系统的精度和速度。尽管这种调节方法
可以调整一次参数使其最优，但是受到很多因素的制约，特别是对于不同的应用、
不同的工况下，系统的负载转动惯量各不相同或者系统转动惯量是未知的情况下，
比如加工其他零件（负载发生变化）时，前一次调整的参数已经不再合适，电机
的控制效果变差，从而导致数控机床在使用过程中往往出现运行不平稳，响应慢，
振动，出现尖叫声及振动噪音，大大影响了加工效率，因此，需要在线自适应调
整参数以适应负载的变化，国内目前还没有出现具有参数自调整功能的驱动器产
品，在这样的背景下，我们和上海开通数控有限公司合作，共同研究“变负载下
驱动器参数自整定”这一课题。
以加工指令脉冲为输入量，以机床移动部件的位置为输出量的伺服系统称之
为位置伺服系统，数控机床的伺服系统就是典型的位置伺服系统。经位置控制的
变负载交流伺服系统实验证明，在驱动器参数调整前辨识出负载惯量显得特别重
要。在负载惯量辨识的基础上，提出了自调整驱动器参数的方法，大大提高了参
数调整的速度，实现了参数自整定。交流伺服系统电流、速度、位置三环中的速
交流伺服系统变负载下参数自适应调整方法研究
2
度环，其性能的好坏直接影响到位置控制的定位精度，并且有较强的抗负载扰动
能力，因此，高性能的控制策略对速度控制器来将意义重大。
§1.2 交流伺服系统参数自调整国内外研究现状
自20世纪80年代以来随着现代工业的快速发展，对作为工业设备重要驱动源
之一的伺服系统提出了越来越高的要求，研究和发展高性能交流伺服驱动器己成
为国内外同仁的共识。
从控制策略的角度，采用基于现代控制理论为基础的具有强鲁棒性的滑模控
制策略以提高系统对参数扰动的自适应能力[2,3]；在传统 PID 控制基础上进入非线
性和自适应设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力；基于智能
控制的电机参数和模型识别，以及负载惯量和负载转矩的识别等。
早期的交流伺服驱动器，多以模拟器件或模拟器件与数字电路混合式为主，
存在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面的不足，不能完全满足运动
控制的要求。二十世纪九十年代以来，发达国家开始以高性能的全数字交流驱动
系统取代模拟式交流驱动系统，在交流伺服系统中引入智能控制算法，为提高系
统可靠性与柔性提供了一个强有力的手段。日本凭借其在数控技术方面的优势，
在世界范围内占领了绝对的市场份额。典型生产厂家日本松下、三菱及安川等公
司[4,5]。
以三菱公司为例，三菱 MR.2 系列[6]采用变增益 PI 调节器，动态性能较高，
并用其专利的方法抑制停止时的振动，增益自调整较准确。三菱 MR.C 系列以其
低价的特点，可以取代步进电机驱动系统。有脉冲接口，采用单片机控制和模型
自适应算法，成本低。用于速度位置检测的光电编码器的分辨率：
131072 脉冲/转，
有绝对、增量两种方式，17 位解码器。伺服电机的功率范围 0.05～7.0kW，额定
转矩范围 0.16～33. 4N·m，最大转矩范围 0.48～100N·m，重量 0.4～38kg，最大电
流可以达到 84A，转速最高可达 4500r/min，重量 0.7～11kg。
国外著名厂家推出的高速主轴驱动单元转速高达 15000—100000r/min、高速进
给驱动单元（快速移动 60～120m/min，切削进给速度高达 60m/min）。车削和铣削
速度已达到 5000～8000m/min 以上，工作台的进给速度在分辨率为 lum 时，达到
了100m/min。由此可见，发达国家在数控机床的驱动技术方面显示出强劲的优势。
目前，我国对高性能的交流驱动系统的研究给予了很大的支持，其中包括 863 计
划和地方科技计划。国内从事这方面研究的主要单位有：华中数控、兰州电机、
和时利电机、广州数控、南京苏强电机、深圳雷赛电机等[7]。
摘要：
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摘要数控机床特别是高档数控机床，其最基础的、最关键的支撑技术就是高性能的交流驱动技术。对于交流伺服系统这样的非线性系统，一般使用传统PID参数调整的方法调整驱动器参数，进而控制伺服系统的精度和速度。这种方法主要有以下缺点：只能一次调整参数使系统性能最优，而对于不同的应用、不同的工况下，系统的负载转动惯量各不相同或者系统转动惯量是未知的情况下，参数就不能很好的依据负载变化而确定，从而电机的控制效果比较差。由于驱动器参数和负载转动惯量不能很好的匹配，一般会导致数控机床在使用过程中往往会出现运行不平稳,响应慢,振动,出现尖叫声及振动噪音等现象，大大影响了加工效率。基于以上原因，我们提出了在线自适应调...
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作者：牛悦
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：71 页
大小：4.47MB
格式：PDF
时间：2024-11-19
