伺服驱动系统机械谐振抑制技术研究

The project will comprehensively research on the technology of mechanical resonant suppression for servo drive system. On one hand, studying on the traditional passive strategy, by means of the study of adaptive zero-phase-lag notch filter system, realize the online tracking harmonic characters, automatic filter parameters setting, ensure the closed-loop performance meanwhile eliminate the influence of resonance. On the other hand, put forward a new active strategy, the research is combined with the Fractional Order disturbance observer technology(FO-DOB) model predicted state feedback control system, with the three independent design characteristics in order to give full display their respective advantages, using model predictive control(MPC) technology to reduce the influence of system delay; Appling FO-DOB design to reduce the difficulty of the observer design, and also improve the robustness of MPC. Considering transmission backlash and ensuring the safety of shaft torque limit, in the meantime the system mechanical resonant suppressing technology is realized. Based on the traditional servo drive structure - only one position sensor with servo motor, the research strategies do not increase the cost of system hardware. Constructing the physical platform for accurately pre-setting the resonance characteristics and the transmission backlash, solve traditional resonance suppression that lack of actual results to verify the algorithm validity, and letting the platform to be a standardized testing tool for resonance suppression strategy.

项目将全面深入地研究伺服驱动系统机械谐振抑制技术。一方面，基于传统的被动方式抑制策略，通过研究自适应零相角滞后陷波滤波器系统，实现在线跟踪谐波、自动滤波器参数整定，保证系统闭环性能同时消除谐振影响。另一方面，提出新颖的主动方式抑制策略，研究结合分数阶扰动观测器技术的模型预测状态反馈控制系统，利用三者相互独立的设计特点以充分发挥各自优势。采用模型预测控制技术消除系统延时不良影响；应用FO-DOB技术降低观测器的设计难度，并提高模型预测控制系统对模型扰动的鲁棒性。所研究的弹性负载模型包括传动间隙以及传动轴矩安全限幅等非线性因素，有效抑制机械谐振的同时兼顾系统的鲁棒性及可靠性。研究均基于仅在电机端安装一个位置传感器的通用伺服驱动结构，不额外增加系统硬件。搭建可准确预置谐振特征以及传动间隙的实物平台，解决传统谐振抑制算法缺乏实物验证手段的问题，并完善平台使其成为评测谐振抑制性能的标准化工具。

研究带弹性负载的双惯量系统机械谐振的模型与机理。速度开环，系统谐振频率为NTF；进入闭环，谐振频率为ARF。离散化后，若控制系统刚度过大，系统会以NTF持续振荡。传动间隙的存在等效降低传动系统弹性系数，加剧机械谐振的影响。在位置环控制中，降低半闭环伺服系统的控制精度，为全闭环系统引入极限环振荡。通过PRBS或Chirp信号的功率谱分析法获取谐振系统Bode图。辨识过程快速、准确，可用于离线预判是否存在潜在的谐振危害。.实现双T型陷波滤波器的设计；提取交轴电流谐波成分，进行FFT蝶形算法，根据频率辨识结果在线整定陷波滤波器参数，可自动消除机械谐振。分析小数阶滤波器的结构并利用折线逼近法实现，通过实验分析其鲁棒性，并得出针对不同系统需要同时调节滤波器阶次及时间常数，达到最优控制效果。针对位置环定位末端抖振问题，提出一种最小相角滞后的陷波滤波方案。而零相角滞后滤波器是基于非因果系统的理论设计，实践效果受到限制。.实现三种极点配置策略使速度环PI控制参数得到优化，提高系统动态响应。但PI控制器参数有限使得系统零极点自由度受限，因此控制效果一般。研究了Luenberger观测器基本结构及存在条件，为状态观测器配置合适极点，实现了双惯量弹性系统中负载转速、转矩和轴矩状态量的观测。针对轴系限幅安全问题，研究MPC算法，转化为EMPC查表得出当前最优控制率，解决在线实现问题。理论推导及实验验证轴矩限幅控制的制约条件。为了将算法实现于存储空间有限的嵌入式系统，提出EMPC-PI切换控制策略，更接近工业应用。针对含间隙的谐振抑制问题，常规陷波滤波措施失效。提出基于轴矩扰动观测器方案，等效增加电机的视在惯量，进而消除谐振，实现轴矩限幅控制。针对位置环极限环振荡，提出状态反馈控制，通过对闭环系统极点的配置获得反馈系数，进而消除极限环振荡，提高位置控制精度。.通过项目研究，建立了多套实物平台：可预置谐振特征的双惯量弹性负载平台、可预置传动间隙的谐振平台以及轴矩限幅测试平台。