伺服系统速度环控制器参数的自整定及优化

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2022.01.015

摘要/Abstract

摘要：

针对交流伺服系统速度环控制器参数自整定及优化的需求，为使工程技术人员避免繁琐的调参过程，提出了一种基于转动惯量辨识的速度环控制器参数自整定及优化方法。首先，采用频率法分析伺服系统速度环控制器参数的设计规则；随后，采用遗忘因子递推最小二乘法，对控制器参数设计所需的系统转动惯量进行辨识；最后，在此基础上利用设计的变步长迭代算法，完成控制器参数寻优过程。仿真结果表明，采用遗忘因子递推最小二乘法，能够有效辨识出电机轴端的转动惯量。提出算法进行整定及优化后，速度环控制器参数能使系统具有良好的动态响应和鲁棒性。

关键词: 交流伺服系统, 速度环, 转动惯量, 参数自整定, 遗忘因子递推最小二乘法, 参数优化

Abstract:

In order to avoid the tedious parameter tuning process， a self-tuning and optimization method for the speed loop controller parameters based on inertia identification is proposed. The design rules of the speed loop controller parameters are analyzed with the frequency method. The inertia is identified with recursive least square method with a forgetting factor. The controller parameters optimization is performed using the variable step iterative algorithm designed in this paper. Simulation results show that using the recursive least square method with a forgetting factor can effectively identify the moment of the inertia of a motor. Speed loop controller parameters， which are optimized by the method proposed， can provide the system good dynamic response and robustness.

Key words: ac servo system, speed loop, inertia, self-tuning, recursive least square method with a forgetting factor, parameters optimization

中图分类号:

TM921.2

李方俊, 王生捷. 伺服系统速度环控制器参数的自整定及优化[J]. 现代防御技术, 2022, 50(1): 102-108.

Fang⁃jun LI, Sheng⁃jie WANG. Research on Self⁃Tuning and Optimization of Speed Loop Controller Parameters in Servo System[J]. Modern Defense Technology, 2022, 50(1): 102-108.

图/表 12

图1 电流环传递函数框图

Fig.1 Block diagram of current loop transfer function

图2 速度环传递函数框图的

Fig.2 Block diagram of speed loop transfer function

图3 迭代寻优算法流程图

Fig.3 Procedural diagram of the iterative optimization algorithm

图4 参数优化过程

Fig.4 Parameters optimization process

图5 转动惯量辨识

Fig.5 Inertia identification

图6 变转动惯量辨识

Fig.6 Variable inertia identification

图7 比例系数初始标定

Fig.7 Proportion gain initial setting

图8 积分系数调整

Fig.8 Integral gain adjustment

表1 系统超调量变化

Table1 System overshoot

积分系数	超调量 $δ$ /%
0.000 20	1.5
0.000 25	3.3
0.000 30	5.2
0.000 35	6.8

表1 系统超调量变化

Table1 System overshoot

积分系数	超调量 $δ$ /%
0.000 20	1.5
0.000 25	3.3
0.000 30	5.2
0.000 35	6.8

图9 比例系数调整

Fig.9 Proportion gain adjustment

图10 系统加载测试

Fig.10 System load test

表2 系统转速波动

Table2 System speed fluctuation

比例系数	转速波动量/（rad·s^-1）
0.16	79.8
0.17	76.8
0.18	74.0
0.19	71.5
0.20	69.2

参考文献 16

1	王黎光，徐海波，杨永生，等. 改进加减速法转动惯量辨识的应用研究［J］. 机械设计与制造，2019（8）：45-48.
	WANG Li⁃guang， XU Hai⁃bo， YANG Yong⁃sheng， et al. Research on the Application of Improved Acceleration and Deceleration Method to the Identification of Inertia［J］. Machinery Design & Manufacture， 2019（8）：45-48.
2	李嘉诚，全力，左月飞，等. 考虑测量噪声的朗道自适应惯量辨识方法［J］. 电机与控制应用，2019， 46（2）：32-39.
	LI Jia⁃cheng， QUAN Li， ZUO Yue⁃fei， et al. Landau Adaptive Inertia Identification Method Considering Measurement Noise［J］. Electric Machines & Control Application，2019， 46（2）：32-39.
3	黄苏融，何栋林，王爽，等. 基于扩展Kalman滤波器的永磁同步电机转动惯量辨识研究［J］. 电机控制与应用，2015，42（12）：7-11.
	HUANG Su⁃rong， HE Dong⁃lin， WANG Shuang， et al. Research on Inertia Identification of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Extend Kalman Filter［J］. Electric Machines & Control Application，2015， 42（12）：7-11.
4	荀倩，王培良，李祖欣，等. 基于递推最小二乘的永磁伺服系统参数辨识［J］. 电工技术学报，2016， 31（17）：161-169.
	XUN Qian， WANG Pei⁃liang， LI Zu⁃xin， et al. PMSM Parameters Identification Based on Recursive Least Square Method［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2016， 31（17）：161-169.
5	LIU Feng‐yang， KANG Er‐liang， CUI Nai‐zheng. Single‐Loop Model Prediction Control of PMSM with Moment of Inertia Identification［J］. IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering， 2020， 15（4）： 577-583.
6	杨明，屈婉莹，陈扬洋，等. 基于变周期递推最小二乘法与卡尔曼观测器的伺服系统在线惯量辨识［J］. 电工技术学报，2018，33（2）：367-376.
	YANG Ming， QU Wan⁃ying， CHEN Yang⁃yang， et al. On⁃line Inertia Identification of Servo System Based on Variable Recursive Least Square and Kalman Observer［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2018，33（2）：367-376.
7	孙彦瑞，苏成志. 伺服系统转动惯量辨识及控制器PI参数优化［J］. 组合机床与自动化加工技术，2021，4（4）：96-99，104.
	SUN Yan⁃rui， SU Cheng⁃zhi. Servo System Inertia Identification and Controller PI Parameter Optimization［J］. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique， 2021， 4（4）：96-99，104.
8	王乐，蔺红. 减载风电机组协调控制策略及PI参数优化［J］.控制工程，2021，28（4）：744-750.
	WANG Le， LIN Hong. Coordinated Control Strategy and PI Parameter Optimization of Load Shedding Wind Turbine［J］. Control Engineering of China， 2021， 28（4）：744-750.
9	权力，杨晓君，赵万华. 基于LQR方法的交流伺服系统参数自整定方法［J］.组合机床与自动化加工技术，2020，6（6）：94-97.
	QUAN Li， YANG Xiao⁃jun， ZHAO Wan⁃hua. Auto⁃Tuning Method of AC Servo System Parameters on LQR Method［J］. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique， 2020， 6（6）：94-97.
10	黄烁，郭振超，吴东华，等.永磁同步电机伺服系统参数自整定策略［J］. 微电机，2021，54（1）：51-56.
	HUANG Shuo， GUO Zhen⁃chao， WU Dong⁃hua， et al. Parameter Self⁃Tuning Strategy of PMSM Servo System［J］. Micromotors， 2021， 54（1）：51-56.
11	雷阳，徐静，郝强，等. 基于带宽的永磁同步电机伺服控制器设计［J］. 南京理工大学学报， 2019，43（6）：677-683.
	LEI Yang， XU Jing， HAO Qiang， et al. Design of Permanent Magnet Synchronous Motor Servo Controller Based on Bandwidth［J］. Journal of Nanjing University of Science and Technology， 2019，43（6）：677-683.
12	侯利民，徐越，何佩宇，等. 辨识转动惯量扰动观测器的PMSM滑模控制［J］. 电机与控制学报，2020， 24（9）：165-172.
	HOU Li⁃min， XU Yue， HE Pei⁃yu， et al. Sliding Mode Control for PMSM Based on Disturbance Observer with Moment of Inertia Identification［J］. Electric Machines and Control， 2020， 24（9）：165-172.
13	金宁治，周凯，Herbert Ho-Ching IU. 带有自适应参数辨识的IPMSM MTPA控制［J］. 电机与控制学报，2020，24（7）：90-101.
	JIN Ning⁃zhi， ZHOU Kai， Herbert Ho⁃Ching IU. Model Reference Adaptive Identification Based MTPA Control Method for Interior PM Synchronous Motor［J］. Electric Machines and Control， 2020，24（7）：90-101.
14	潘子昊，卜飞飞，轩富强，等. 基于Smith预估器的永磁电机高动态响应电流环控制策略［J］. 电工技术学报，2020，35（9）：1921-1930.
	PAN Zi⁃hao， BU Fei⁃fei， XUAN Fu⁃qiang， et al. High⁃Dynamic⁃Response Current Loop Control Strategy of Permanent Magnet Motor Based on Smith Predictor［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2020，35（9）：1921-1930.
15	杨立永，张云龙，陈智刚，等. 基于参数辨识的PMSM电流环在线自适应控制方法［J］. 电工技术学报，2012，27（3）：86-91.
	YANG Li⁃yong， ZHANG Yun⁃long， CHEN Zhi-gang， et al. On⁃Line Adaptive Control of PMSM Current-Loop Based on Parameter Identification［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2012，27（3）：86-91.
16	GARRIDO R， CONCHA A. Inertia and Friction Estimation of a Velocity⁃Controlled Servo Using Position Measurements［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2014， 61（9）：4759-4770.