双电机同步消隙伺服系统的鲁棒滑模控制策略

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2022.02.014

摘要/Abstract

摘要：

针对常见的双电机同步消隙伺服系统电流环、速度环、位置环控制结构，提出一种鲁棒性更强、响应速度更快的简化控制策略。利用反步递推理论设计了伺服系统的位置控制器，由经指令滤波处理后的参考位置指令直接计算出力矩信号传递至电流环，简化了系统的控制结构；在反步控制器设计过程中引入积分非奇异终端滑模面，克服了线性滑模的抖动问题，并使得系统在有限时间内到达平衡状态；采用扩张状态观测器对总扰动进行补偿，使得系统对内部结构参数变化及外在扰动均具有较强的鲁棒性。在Matlab/Simulink与Adams中进行了联合仿真实验，仿真结果表明，所研究的新型双电机同步消隙控制方法比传统方案具有更佳的跟踪性能，比普通的扰动补偿方法有更好的抗扰能力。

关键词: 双电机同步消隙, 指令滤波, 反步法, 积分非奇异终端滑模面, 扩张状态观测器

Abstract:

Aiming at the common current loop， speed loop and position loop control structure of dual-motor synchronous anti-backlash servo system， a simplified control strategy with stronger robustness and faster response speed is proposed. The positon controller of the servo system is designed based on the backstepping theory and the torque reference command is directly calculated and transmitted to the current loop from the reference position command after command-filter processing, which simplifies the control structure. The integral nonsingular terminal sliding surface is introduced in the backstepping controller design process which overcomes the chattering problem of the linear sliding mode control and makes the system reach the equilibrium state in finite time. The extended state observer （ESO） is adopted to compensate the external disturbance which makes the servo system more robust to the changes of the internal structure parameters and external disturbance torque. The co-simulation experiment is carried out in Matlab/Simulink and Adams and the results show that the proposed new dual-motor synchronous anti-backlash method has better tracking performance than tradition scheme and better anti-disturbance ability than the ordinary disturbance compensation method.

Key words: dual-motor synchronous anti-backlash, command-filter, backstepping method, integral nonsingular terminal sliding surface, extended state observer

中图分类号:

TM921.2

李方俊, 王生捷. 双电机同步消隙伺服系统的鲁棒滑模控制策略[J]. 现代防御技术, 2022, 50(2): 104-112.

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图/表 12

图1 双电机驱动系统

Fig.1 Dual-motor driving system

图2 变偏置电流原理图

Fig.2 Variable bias current schematic diagram

图3 系统传动部分控制框图

Fig.3 Control block diagram of the system transmission part

图4 新型双电机同步消隙伺服系统控制框图

Fig.4 Control block diagram of the new dual-motor synchronous anti-backlash servo system

表1 仿真所用电机及传动结构参数

Table 1 Parameters of the PMSM and transmission structure used in simulation

参数	数值
定子电感L/mH	4.25
定子电阻R/Ω	0.26
力矩系数K_t /（N·m·A^-1）	1.066
反电势系数C_e /（V·rad^-1·s^-1）	0.8
减速器减速比i	10
齿轮结构传动比 $i G$	5
负载转动惯量 $J m$ /（kg·m²）	22.776
摩擦系数 $B m$ /（N·m·rad^-1·s^-1）	0.01

表1 仿真所用电机及传动结构参数

Table 1 Parameters of the PMSM and transmission structure used in simulation

参数	数值
定子电感L/mH	4.25
定子电阻R/Ω	0.26
力矩系数K_t /（N·m·A^-1）	1.066
反电势系数C_e /（V·rad^-1·s^-1）	0.8
减速器减速比i	10
齿轮结构传动比 $i G$	5
负载转动惯量 $J m$ /（kg·m²）	22.776
摩擦系数 $B m$ /（N·m·rad^-1·s^-1）	0.01

表2 控制器设计参数

Table 2 Controller design parameters

参数	数值
电流环比例系数	0.212
电流环积分系数	13
速度环比例系数	4.92
速度环积分系数	0.1
位置环比例系数	10
ESO系数b₁	12
ESO系数b₂	800
BINTSM系数 $β$	1
BINTSM系数p/q	5/3
BINTSM系数c₁	3.5
BINTSM系数D	1 000
BINTSM系数 $K s$	1 000

表2 控制器设计参数

Table 2 Controller design parameters

参数	数值
电流环比例系数	0.212
电流环积分系数	13
速度环比例系数	4.92
速度环积分系数	0.1
位置环比例系数	10
ESO系数b₁	12
ESO系数b₂	800
BINTSM系数 $β$	1
BINTSM系数p/q	5/3
BINTSM系数c₁	3.5
BINTSM系数D	1 000
BINTSM系数 $K s$	1 000

图5 空载阶跃位置指令响应曲线

Fig.5 Response of the step position command with no load

图6 空载阶跃位置指令电流响应曲线

Fig.6 Current response of the step position command with no load

图7 空载正弦位置指令响应曲线

Fig.7 Response of the sinusoidal position command with no load

图8 空载正弦位置指令电流响应曲线

Fig.8 Current response of the sinusoidal position command with no load

图9 正弦扰动力矩作用下位置速度响应曲线

Fig.9 Position and velocity response curve under sinusoidal disturbance torque

图10 正弦扰动力矩作用下电流响应曲线

Fig.10 Current response curve under sinusoidal disturbance torque

参考文献 17

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