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基于混合自适应扩展卡尔曼滤波的永磁同步直线电机等效机械参数辨识策略

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中国电机工程学报 2024年第3期44卷 1162-1172,I0026页

作者：张毅伟黄旭珍徐济安南京航空航天大学自动化学院江苏省南京市211100

针对机械参数辨识精度受推力系数波动影响而降低的问题,提出等效机械参数模型,将推力系数与待辨识参数相结合,并推导该模型在控制器调谐和前馈补偿上与传统模型的等效性。为了进一步实现等效机械参数在线辨识,构建基于混合自适应扩展卡... 详细信息

针对机械参数辨识精度受推力系数波动影响而降低的问题,提出等效机械参数模型,将推力系数与待辨识参数相结合,并推导该模型在控制器调谐和前馈补偿上与传统模型的等效性。为了进一步实现等效机械参数在线辨识,构建基于混合自适应扩展卡尔曼滤波的辨识器。混合自适应扩展卡尔曼滤波在系统噪声矩阵和渐消因子中加入自适应机制,能够估计系统噪声,并在负载突变时快速收敛。通过对系统可观性和矩阵正定性的推导,证明算法的稳定性。最后,在一台永磁同步直线电机上进行实验,验证所提算法的有效性及其在PWM周期为32 kHz和10 kHz时在线运行的可行性。

关键词：自适应扩展卡尔曼滤波机械参数辨识永磁同步直线电机位置伺服系统

基于三角函数正交性的永磁伺服系统机械参数辨识

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兵工学报 2023年第6期44卷 1820-1828页

作者：朱其新姜晨艳张国平朱永红苏州科技大学机械工程学院江苏苏州215009 苏州科技大学建筑智慧节能江苏省重点实验室江苏苏州215009 深圳市大族机器人有限公司广东深圳518058 景德镇陶瓷大学机电工程学院江西景德镇333001

为抑制永磁伺服系统机械参数不确定对系统控制性能的影响,提出一种利用三角函数正交性进行机械参数辨识的方法。给电机施加两个不同幅值、相同角频率的机械角速度指令,通过正弦、余弦函数在不同区间内的积分实现系统摩擦系数与转动惯量... 详细信息

为抑制永磁伺服系统机械参数不确定对系统控制性能的影响,提出一种利用三角函数正交性进行机械参数辨识的方法。给电机施加两个不同幅值、相同角频率的机械角速度指令,通过正弦、余弦函数在不同区间内的积分实现系统摩擦系数与转动惯量的解耦,在提高辨识精度的同时消除了不定负载转矩对黏滞摩擦系数、库仑摩擦系数和转动惯量辨识结果的影响。利用辨识得到的机械参数值对负载转矩进行观测,并针对系统的摩擦转矩、负载转矩进行对应的前馈补偿。仿真和实验结果均验证了该方法的有效性,机械参数辨识误差在1%左右,进行前馈补偿后转速环的控制性能得到一定的提升。

关键词：永磁伺服系统三角函数正交特性机械参数辨识不定负载转矩补偿

基于三角函数正交特性的永磁伺服系统机械参数辨识方法

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中国电机工程学报 2022年第4期42卷 1617-1624页

作者：吴春郑露华支恩浙江工业大学信息工程学院浙江省杭州市310023

针对永磁伺服系统机械参数辨识精度不高、应用场合受限等问题,提出一种基于三角函数正交特性的机械参数辨识方法,可辨识转动惯量、粘滞摩擦系数、库仑摩擦系数。该方法向电机施加2个幅值不同、角速度相同的速度指令,将正弦、余弦函数分... 详细信息

针对永磁伺服系统机械参数辨识精度不高、应用场合受限等问题,提出一种基于三角函数正交特性的机械参数辨识方法,可辨识转动惯量、粘滞摩擦系数、库仑摩擦系数。该方法向电机施加2个幅值不同、角速度相同的速度指令,将正弦、余弦函数分别与电磁转矩相乘并积分,利用三角函数正交特性分离出仅含有转动惯量的表达式和2个包含粘滞摩擦系数、库仑摩擦系数线性无关的方程,且都与常值负载转矩无关。该方法实现转动惯量与摩擦系数的解耦,提高辨识精度,同时消除常值负载转矩对辨识结果的影响,可用于塔吊、起重机等带载工况下机械参数的辨识。仿真和实验结果验证所提机械参数辨识方法的有效性,并分析影响辨识精度的因素。

关键词：伺服系统机械参数辨识三角函数正交性摩擦补偿

基于传动模型重构的永磁同步直线电机机械参数辨识

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中国电机工程学报 2023年

作者：鲍明堃周扬忠钟天云福建省新能源发电与电能变换重点实验室(福州大学)

针对永磁同步直线电机(permanent magnet synchronous linear motor，PMSLM)机械参数辨识中存在模型不准确、辨识参数耦合、辨识精度低等问题，该文提出了一种基于传动模型重构的机械参数辨识算法。首先，根据重构模型建立扩张状态观测... 详细信息

针对永磁同步直线电机(permanent magnet synchronous linear motor，PMSLM)机械参数辨识中存在模型不准确、辨识参数耦合、辨识精度低等问题，该文提出了一种基于传动模型重构的机械参数辨识算法。首先，根据重构模型建立扩张状态观测器得到动子质量和摩擦力、电磁推力、质量辨识初值的耦合信息。其次，为了消除这种耦合，提出一种两级式的动子质量解耦辨识策略。再次，根据PMSLM的摩擦特性，构造了一种综合考虑速度和加速度影响的摩擦力模型，更精确地描述了真实摩擦力。最后，搭建了基于机械参数辨识算法的控制系统，通过仿真和实验验证，证明该文所提辨识算法的有效性。

关键词：永磁同步直线电机机械参数辨识扩张状态观测拓展卡尔曼滤波解耦摩擦力模型

永磁同步电机双惯量伺服驱动系统控制策略研究

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永磁同步电机双惯量伺服驱动系统控制策略研究

作者：张越湖南大学

学位级别：硕士

现如今,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous,PMSM)伺服驱动系统凭借其较高的功率密度、简易的控制策略以及优异的调速性能等优点,已经成为了数控机床、工业机器人以及高精度复合磨削中心等智能制造装备的首选驱动方案。同时,为... 详细信息

现如今,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous,PMSM)伺服驱动系统凭借其较高的功率密度、简易的控制策略以及优异的调速性能等优点,已经成为了数控机床、工业机器人以及高精度复合磨削中心等智能制造装备的首选驱动方案。同时,为提高系统的负载能力,满足远距离传动的要求,PMSM通常采用齿轮、皮带、传动轴、联轴器等弹性耦合装置与末端执行机构连接,从而构成双惯量伺服驱动(Two-Inertia Servo Drive,TISD)系统并以间接驱动方式运行。此类系统虽然具有成本低、结构灵活等特点,然而弹性耦合装置在系统运行过程中产生的弹性形变将会引发机械谐振并严重影响系统的控制性能。此外,在位置环控制下,弹性耦合装置产生的形变还会导致系统负载侧位置的滞后偏差,严重降低了位置控制精度。针对PMSM-TISD系统的上述两个问题,本文对其进行了建模分析,并提出了相应的机械谐振抑制技术与负载侧位置控制策略。其中开展的主要研究工作如下:(1)针对TISD系统的建模分析问题,通过将弹性耦合装置等效为一段柔性长轴来建立TISD系统的数学模型。在此基础上,分析总结出了系统中机械谐振和负载侧位置滞后偏差的产生机理以及它们各自的主要影响因素。(2)针对TISD系统在运行过程产生机械谐振的问题,提出了一种用于谐振频率在线辨识的中心频率搜索法。在此基础上,结合辨识结果进一步提出了一种基于自适应双二阶滤波器的谐振抑制技术。实验结果证明,所提方法不仅能快速有效地实现对机械谐振的抑制,还保留了系统良好的动态性能与抗干扰能力。(3)针对TISD系统中负载侧位置存在滞后偏差的问题,提出了一种负载侧位置鲁棒抗干扰控制策略。该方法由线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)和反步位置控制器(Back-stepping Position Controller,BPC)构成。其中,系统的状态量和集总扰动通过LESO进行观测估计,并将其估计值引入BPC中进行控制和补偿。实验结果证明,所提方法能够实现对负载侧位置的高精度跟踪控制,同时也具备优异的抗干扰性和鲁棒性。(4)针对TISD系统中负载侧通常缺少位置编码器的问题,提出了一种负载侧位置动态补偿控制策略。该方法首先通过对系统中的驱动电机转动惯量和柔性长轴扭转刚度等机械参数进行辨识,并将辨识结果用于设计动态位置反馈补偿器(Dynamic Position Feedback Compensator,DPFC),最终实现了负载侧位置的精确计算。实验结果证明,所提方法在负载侧未安装位置编码器的情况下,也能实现对负载侧位置的高精度闭环控制。

关键词：永磁同步电机双惯量伺服驱动系统谐振频率辨识机械谐振抑制负载侧位置控制线性扩张状态观测器反步位置控制器机械参数辨识动态补偿控制

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永磁同步电机参数辨识及自适应控制研究

永磁同步电机参数辨识及自适应控制研究

作者：廖忠湖南科技大学

学位级别：硕士

永磁同步电机(PMSM)凭借其各种优点,被越来越多地应用于国防、航空航天、电动汽车驱动等领域。随着科技和社会水平的发展,电机控制系统的高可靠性和高稳定性成为众多领域的关注焦点。但当电机在长时运作、温度变化、负载变化等多种复杂... 详细信息

永磁同步电机(PMSM)凭借其各种优点,被越来越多地应用于国防、航空航天、电动汽车驱动等领域。随着科技和社会水平的发展,电机控制系统的高可靠性和高稳定性成为众多领域的关注焦点。但当电机在长时运作、温度变化、负载变化等多种复杂多变的应用场景下运行时,电机的相关参数则会发生变化,这也将导致控制器性能产生一定程度的劣化。因此,本文针对PMSM参数辨识及自适应控制系统中存在的问题,主要进行了以下研究:(1)在机械参数辨识过程中,传统滑模观测器(SMO)存在抖振和响应慢等问题,且需要额外滤波器来获得更准确的辨识结果,这可能导致辨识结果的时延和幅值衰减。针对以上问题,首先提出了一种扩展滑模观测器(ESMO)来实现黏性摩擦系数和转动惯量的辨识,其等效低通滤波环节可以避免由于使用额外滤波器而产生的抖振、相位滞后和幅值衰减问题,从而提高辨识结果精度、减小参数敏感性。然后设计Luenberger观测器对负载转矩进行单独辨识,以减小参数耦合的影响并根据所观测的扰动对其进行精确补偿。(2)在电气参数辨识过程中,模型参考自适应辨识方法(MRAS)的运用存在着欠秩的问题,且该观测器只能在一定速度范围内稳定工作。针对以上问题,首先,设计梯度下降法率先辨识电感。对隐极式永磁同步电机而言,交直轴电感可认为相同。且当电机在稳定运行时,电感和转速的大小均可认为恒定,为此电流方程将得到极大的简化,此时运用梯度下降法能够在较低误差的情况下辨识出电感值并为后续参数的辨识奠定基础。然后,设计了一种切换PI自适应机制的MRAS观测器对定子电阻和磁链进行辨识。通过研究分析MRAS观测器的结构,将电流误差变量的幅值作为分段阈值,使MRAS观测器能够根据电流误差选择合适的PI增益,从而提高在不同转速情况下MRAS观测器辨识结果的准确性。(3)针对双闭环控制策略中PI控制器增益固定问题,提出基于机械参数和电气参数的PI自适应控制方案。考虑到电流环和速度环的特性差异,分别设计电流环和速度环的自适应增益。在速度环的整定中,为了获得较好的动态响应性能,以获得最大相角裕度为设计目标的同时,考虑系统响应的动态稳定性和快速性,引入三阶最佳法对系统进行校正,然后根据参数辨识结果自适应调整PI增益,从而提高PMSM在参数摄动情况下的控制性能。

关键词：自适应控制机械参数辨识永磁同步电机电气参数辨识观测器

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永磁同步电动机参数辨识与控制的研究

永磁同步电动机参数辨识与控制的研究

作者：陶丁兴杭州电子科技大学

学位级别：硕士

永磁同步电动机(PMSM)因为具备启动转矩大、功率密度高和调速范围广等优势,因此在电动汽车、机器人、航空航天等工业领域内得到广泛的运用。在PMSM控制系统中,像无位置传感器控制、弱磁控制和模型预测控制都必须掌握准确的PMSM参数,所... 详细信息

永磁同步电动机(PMSM)因为具备启动转矩大、功率密度高和调速范围广等优势,因此在电动汽车、机器人、航空航天等工业领域内得到广泛的运用。在PMSM控制系统中,像无位置传感器控制、弱磁控制和模型预测控制都必须掌握准确的PMSM参数,所以如果需要进行PMSM高性能控制系统设计,掌握精确的PMSM参数是必不可少的。针对此问题,本文通过大爆炸大收敛算法(BB-BC)、人工鱼群算法(AFS)、遗传算法(GA)和差分进化算法(DE)来辨识PMSM电气参数,采用将系统扰动作为扩展状态的扩展滑模机械参数观测器(ESMMPO)方法来辨识PMSM的机械参数。在参数辨识的基础上,为实现PMSM无位置传感器控制,本文通过滑模观测器(SMO)方法对PMSM进行无位置传感控制。以下将简单概述本文的主要研究内容。首先,对PMSM的基本理论进行简单的介绍。第一,阐述了两个主要的PMSM结构,即表贴式PMSM和内置式PMSM,并剖析了这两种结构的特点。第二,阐述了文中频繁采用的坐标系和坐标系之间的坐标转换,并分别在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系下构造PMSM的数学模型。第三,系统剖析了PMSM的矢量控制基本原理,并提供了PMSM矢量控制的理论模型框架。其次,分别采用BB-BC算法、AFS算法、GA算法和DE算法来辨识PMSM的电气参数,包括定子电阻、d轴电感、q轴电感和永磁磁链。第一,建立PMSM电气参数的辨识框架,选择积分时间平方误差(ITSE)作为辨识的优化指标。第二,分别介绍了四种进化算法辨识PMSM电气参数的流程。第三,在Simulink中使用这四种算法对PMSM电气参数进行辨识,并对这四种算法的辨识结果进行了对比分析,比较结果表明AFS算法和GA算法在辨识PMSM电气参数时收敛速度快,且辨识结果的精确度高。再次,采用扩展滑模观测器的方法来辨识PMSM系统的机械参数,包括粘滞摩擦系数、转动惯量和负载转矩。第一,介绍了将系统扰动作为扩展状态的ESMMPO方法,该方法将PMSM的系统扰动作为扩展状态并对其进行观测,由于系统扰动中包含了PMSM的机械参数信息,因此可以从观测结果中辨识出PMSM机械参数。第二,由于ESMMPO方法中需要调节的参数较多,选择不合适的ESMMPO参数会导致辨识结果不准确,因此使用布谷鸟算法调节ESMMPO方法中的参数。第三,在Simulink中搭建了ESMMPO方法的仿真模型,仿真结果表明:ESMMPO方法辨识出的PMSM机械参数结果较为准确,使用布谷鸟算法调节ESMMPO观测器参数的辨识结果更为精准。然后,为了实现PMSM无位置传感器控制,将辨识出的参数直接应用于PMSM控制系统中,本文使用SMO方法实现PMSM无位置传感器控制。第一,介绍了基于SMO方法的PMSM无位置传感器控制基本原理,该方法可以观测出PMSM在两相静止坐标系下的扩展反电动势值。第二,利用观测出的反电动势以及使用反正切函数,可以估算出PMSM的转子位置和转速。第三,在Simulink中建立了基于SMO的PMSM无位置传感器控制仿真模型,仿真结果表明该方法可以在不同的转速条件下,都能够精准的预估转子位置,且在不同情况下都可以很好的跟踪上给定转速。最后,搭建了一套用于进行PMSM基于SMO观测器的无位置传感器控制的物理实验平台。第一,介绍实验平台的硬件电路设计原理。第二,介绍MATLAB代码自动生成功能及其实现过程。第三,在搭建的实验平台中进行实验,实验结果表明该控制平台和基于SMO观测器的PMSM无位置传感器控制是有效的。

关键词：永磁同步电动机电气参数辨识机械参数辨识无位置传感器控制

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下肢助行外骨骼关节伺服控制研究

下肢助行外骨骼关节伺服控制研究

作者：韩宜峰电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,用于辅助行动不便者正常行走的下肢助行外骨骼(以下简称外骨骼)逐渐成为医疗康复领域的研究热点。本文针对外骨骼关节负载时变引起的伺服跟随性及稳定性下降问题,采用自校正控制算法提高外骨骼关节负载自适应能力,并完成伺服驱... 详细信息

近年来,用于辅助行动不便者正常行走的下肢助行外骨骼(以下简称外骨骼)逐渐成为医疗康复领域的研究热点。本文针对外骨骼关节负载时变引起的伺服跟随性及稳定性下降问题,采用自校正控制算法提高外骨骼关节负载自适应能力,并完成伺服驱动器软硬件设计及相关算法实现。主要研究内容如下:基于外骨骼关节负载理论分析确定关节伺服控制方案。在建立永磁同步电机数学模型的基础上,分析了矢量控制基本原理及空间电压矢量脉宽调制的数字实现方法;对外骨骼关节负载进行理论分析,搭建Simulink仿真平台,评估了负载变化对关节伺服性能的影响;最后,提出外骨骼关节自校正伺服控制方案。针对惯量和负载转矩时变问题,提出外骨骼关节伺服系统机械参数在线辨识方案。针对惯量时变问题,仿真对比了基于朗道离散时间递推的惯量辨识和遗忘因子递推最小二乘(FFRLS)惯量辨识的定惯量和变惯量辨识性能,结果证明后者拥有更快的收敛速度和更高的辨识精度。针对负载转矩时变问题,搭建了降阶Luenberger扰动转矩观测器,简化了参数设计。最后将FFRLS和降阶Luenberger扰动转矩观测器结合起来形成机械参数辨识方案,仿真验证了该方案的有效性。设计三环伺服系统控制器,推导扰动转矩前馈补偿传函,对外骨骼关节伺服进行仿真。采用零极对消策略推导出电流控制器PI参数解析式;仿真对比基于最小峰值M准则和基于阻尼比的速度环自整定方法,结果表明后者更优且不影响电流环带宽;采用PVT插补算法生成参考轨迹以提高伺服柔顺度。为了补偿负载扰动,推导了扰动前馈补偿传函。最后结合外骨骼工况,仿真验证了自校正控制的有效性。实现外骨骼关节伺服系统软硬件设计,搭建对拖实验平台对算法进行实验验证。在硬件方面,主要设计了主控电路、功率驱动电路、级联型电源电路、传感电路及保护电路。对系统软件进行分层和模块化设计,并基于有限状态机实现主程序及中断程序设计,实现解耦。最后基于自制驱动器搭建了对拖实验平台,模拟外骨骼实际工况,验证了外骨骼关节自校正控制算法的有效性及可行性。本文所提自校正控制算法提高了外骨骼关节负载自适应能力,保证了伺服的跟随性及稳定性,适用于外骨骼关节变负载工况伺服。

关键词：外骨骼关节伺服机械参数辨识在线自整定扰动前馈补偿