(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.04.09
C N 103713516
A (21)申请号 201310695273.8
(22)申请日 2013.12.17
G05B 11/42(2006.01)
(71)申请人华中科技大学
地址430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路
1037号
(72)发明人宋宝 唐小琦 杨勇泉 郑世祺
陈天航 苏玲宏 代攀 唐玉枝
宛世源
(74)专利代理机构华中科技大学专利中心
42201
代理人
朱仁玲
(54)发明名称
自整定方法
(57)摘要
本发明公开了一种基于PDFF 的交流伺服驱
动器控制参数自整定方法，所述方法首先采集辨
其次，根据所采集的信号，辨识永磁同步电机交流
伺服驱动系统的速度环被控对象模型，辨识出模
型的参数；最后，根据模型的参数以及性能指标
对伺服驱动器的控制参数进行寻优整定，以获得
最优的控制参数。该自整定方法在伺服驱动器的
速度环利用PDFF 控制器取代传统的PI 控制器，并
自动地整定控制器的参数。该自整定方法利用递
推最小二乘法来辨识被控对象的模型，在根据可
行的性能指标，利用模式搜索算法对控制器参数
进行寻优，得到最优的控制参数，使得伺服驱动系
统具有良好的抗扰动能力、控制精度以及鲁棒性。
(51)Int.Cl.
权利要求书2页 说明书7页 附图2页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书7页 附图2页(10)申请公布号CN 103713516 A
1.一种基于PDFF的交流伺服驱动器控制参数自整定方法，其特征在于，所述方法包括：
（1）在每个采样时刻K从伺服驱动系统中采集电机转速ω(k)和电流值i
q
(k)，获得辨识交流伺服系统模型所需要的电流与速度信号；
（2）根据所采集的电流与速度信号，辨识交流伺服驱动系统的速度环被控对象模型，获
得模型的参数，其中速度环被控对象模型为i
q (k)=-m
1
i
q
(k-1)-m
2
i
q
(k-2)+n
1
ω(k-1)+n
2
ω(
k-2)，m
1，m
2
，n
1
，n
2
为待辨识速度环被控对象模型的参数；
（3）根据步骤（2）中获得的速度环被控对象模型的参数以及性能指标对伺服驱动器的
控制参数进行寻优整定，以获得最优的控制参数(K
vi ，K
vp
，K
vfr
)，速度环根据所述控制参数按
照公式I
cmd =(K
vi
*Vcmd-Vfbdt+KvfrVcmd-VfbKvp对电流环进行输入控制，其中Icmd表示速
度环的输出电流，V
cmd 表示速度环的指令速度，V
fb
为速度的前反馈，K
vi
为积分系数，K
vp
为比
例系数，K
vfr
为前馈增益系数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中伺服驱动系统的速度环被控对象模型的参数通过迭代计算获得，具体迭代计算公式为：
其中，k为迭代次数，其取值范围为[3,N]，N为采样次数，是参数估计量，
和是参数的估计值，
K(k)是方差矩阵，P(k)为观测矩阵，α是用来控制历史数据对辨识模型的影响的遗忘因子，α≥1；
具体迭代计算过程为，首先给辨识参数赋初值对协方差矩阵P赋初值P(0)，随
后用P(0)计算出P(1)，再用P(1)计算出K(1)，再由K(1)和计算出然后开始迭代，迭代过程从k=3依次迭代到k=N+1，由上述迭代公式迭代计算后最终得到辨识的参数
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）中采用单纯形加速法来进
行控制参数寻优，得到最优值（K
vi ，K
vp
，K
vfr
），其具体步骤如下：
（3-1）在参数范围内选取不在同一三维平面上的四个参数点x
0、x
1
、x
2
、x
3
构成的四面
体作为初始的单纯形，其中，
（3-2）计算x
0、x
1
、x
2
、x
3
各参数点所对应的目标函数值f
、f
1
、f
2
、f
3
；
（3-3）判断f
0、f
1
、f
2
、f
3
之间差值的最大值是否小于设定的精度值ε，如果是，则参数
寻优结束，取目标函数值f
0、f
1
、f
2
、f
3
中最小值所对应的参数点作为最优参数；否则继续下
一步；
（3-4）获取f 0、f 1、f 2、f 3中的最大值及最大值所对应的点x H ，并求取x H 相对于x 0、x 1、x 2三点所构成平面的对称点x R ；
（3-5）计算x R 所对应的目标函数值f R ，若f R >f H ，则跳到步骤（3-6）；否则跳到步骤（3-7）。
（3-6）在x H 与x R 延长线上重新取一点x F ，并计算f F ，若f F >f 3，则将x F 作为x R ，并继续在x H 与x R 延长线上重新取一点x F 并计算f F ，直到f F <f 3，然后取x F 及x 0、x 1、x 2、x 3中除x H 之外三参数点构成新的参数点x 0、x 1、x 2、x 3，并跳转到步骤（3-2）；
（3-7）在x 3与x R 的连线上重新取一点x S ，并计算f s ，若f s >f R ，则取x R 及x 0、x 1、x 2、x 3中除x H 之外三参数点构成新的参数点x 0、x 1、x 2、x 3，并跳转到步骤（3-2）；若f s <f R ，则取x S 及x 0、x 1、x 2、x 3中除x H 之外三参数点构成新的参数点x 0、x 1、x 2、x 3，并跳转到步骤（3-2）。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤（3-6）中在x H 与x R 延长线上重新
取一点x F ，具体为
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述步骤（3-7）中在x 3与x R 的连线上
重新取一点x S ，具体为6.如权利要求3至5任一项所述的方法，其特征在于，所述目标函数的方程为：
其中：J ISE 表示利用参数x k 计算出来的积分平方误差值，其中N 代表采样次数，o(i)取步骤（1）中获取的ω(i)，o res (i)根据以下被控对象的二阶模型公式o res (i)=-m 1o res (i-1)-m 2o res (i-2)+n 1o ′(i-1)+n 2o ′(i-2)计算得到，其中m 1，m 2，n 1，n 2四个参数为步骤（2）中获得的速度环被控对象模型的参数，
在上述公式中，当oresi 的变量i 小于等于0时，取
o res (i)=0。
7.如权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中采集电机转速ω(k)和电流值i q (k)采用的激励信号为，伪随机二进制序列。
一种基于PDFF的交流伺服驱动器控制参数自整定方法
技术领域
[0001] 本发明属于交流伺服系统控制技术领域，更具体地，涉及一种基于PDFF的交流伺服驱动器控制参数自整定方法。
背景技术
[0002] 装备制造业是国民经济和国防建设的基础产业，其发展水平决定了国民经济的发展水平。在现代科学技术飞速发展的影响下，制造业向着高性能、高精度、多品种、低成本等方向发展。由于目前高性能的数控系统一般都配置交流伺服系统，所以研究高性能的交流伺服系统，提升伺服控制系统对永磁同步电机的控制就成为了装备制造业快速发展的关键。
[0003] 交流伺服驱动器是交流伺服系统的控制核心，通常由位置环、速度环和电流环三个控制环组成。三环控制结构可以使伺服系统获得较好的动态跟随特性和抗干扰性能，一般而言内层控制环电流环的作用是提高系统的响应速度，及时抑制内部干扰，可以近似看作比例系数为1的比例环节。中间控制环速
度环的作用是增强系统抗负载扰动的能力，提高速度的稳定性，速度环的性能直接影响到整体伺服系统的性能。外层控制环位置环保证系统的动态跟踪性能和静态精度，保证伺服系统的稳定快速运行。
[0004] 传统的交流伺服系统一般采用PID（Proportion IntegrationDifferentiation，比例积分微分）调节器来完成控制过程，例如论文文献（仇国庆，罗宣林，王平，吴迪，杨志龙，PMSM伺服系统的PID控制器设计及仿真，重庆大学学报，2008,3（31））中对伺服系统的PID控制器做了详尽的描述，在其伺服系统速度控制策略中，速度调节器采用传统的PI控制器来实现。传统的交流伺服驱动器一般位置环采用P调节器，速度环采用PI调节器，电流环采用PI或P调节器。
[0005] 交流伺服系统的性能不仅取决于其采用的控制策略，而且取决于该伺服驱动器各控制环调节器中设置的控制参数。其控制参数的优劣直接影响伺服驱动器的性能。只有当交流伺服驱动器中设置的控制参数、采用的控制策略符合伺服驱动器当前的工况以及自身特性时，伺服驱动器才能发挥出最佳性能。
[0006] 但是，实际工作过程中，交流伺服系统的负载惯量、运动摩擦系数等因素常常会发生变化，会导致速度环的控制性能下降，因此常常需要工程调试人员对速度环的控制参数进行重新整定。但是由于实际工况的复杂性以及控制参数调试的繁琐，需要调试人员有较强的专业知识水平。
发明内容
[0007] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的是提供一种基于伪微分反馈与前馈(PDFF，Pseudo Derivative Feedback with Feedforward)的交流伺服系统速度环控制参数的自整定方法，伺服系统自整定方法是指根据伺服系统的固有特性以及工况自动优化伺服系统的控制参数，使其达到最优。该自整定方法在伺服驱动器的速度环利用PDFF
控制器取代传统的PI控制器，并自动地整定控制器的参数。该自整定方法利用递推最小二乘法来辨识被控对象的模型，在根据可行的性能指标，利用模式搜索算法对控制器参数进行寻优，得到最优的控制参数，使得伺服驱动系统具有良好的抗扰动能力、控制精度以及鲁棒性。
[0008] 本发明提出了一种基于PDFF的交流伺服驱动器控制参数自整定方法，所述方法包括：
[0009] （1）在每个采样时刻K从伺服驱动系统中采集电机转速ω(k)和电流值i q(k)，获得辨识交流伺服系统模型所需要的电流与速度信号；
[0010] （2）根据所采集的电流与速度信号，辨识交流伺服驱动系统的速度环被控对象模
型，获得模型的参数，其中速度环被控对象模型为i
q (k)=-m
1
i
q
(k-1)-m
2
i
q
(k-2)+n
1
ω(k-1)+
n 2ω(k-2)，m
1
，
m
2
，n
1
，n
2
为待辨识速度环被控对象模型的参数；
[0011] （3）根据步骤（2）中获得的速度环被控对象模型的参数以及性能指标对伺服驱动
器的控制参数进行寻优整定，以获得最优的控制参数(K
vi ，K
vp
，
K
vfr
)，速度环根据所述控制参
数按照公式I
cmd =(K
vi
*Vcmd-Vfbdt+KvfrVcmd-VfbKvp对电流环进行输入控制，其中Icmd表
示速度环的输出电流，V
cmd 表示速度环的指令速度，V
fb
为速度的前反馈，K
vi
为积分系数，K
vp
为比例系数，K
vfr
为前馈增益系数。
[0012] 作为本发明的进一步改进，所述步骤（2）中伺服驱动系统的速度环被控对象模型的参数通过迭代计算获得，具体迭代计算公式为：
[0013]
[0014] 其中，k为迭代次数，其取值范围为[3,N]，N为采样次数，是参数估计
量，和是参数的估计值，
K(k)是方差矩阵，P(k)为观测矩阵，α是用来控制历史数据对辨识模型的影响的遗忘因子，α≥1；
[0015] 具体迭代计算过程为，首先给辨识参数赋初值对协方差矩阵P赋初值P(0)，随后用P(0)计算出P(1)，再用P(1)计算出K(1)，再由K(1)和计算出然后开始迭代，迭代过程从k=3依次迭代到k=N+1，由上述迭代公式迭代计算后最终得到辨识的参数
[0016] 作为本发明的进一步改进，所述步骤（3）中采用单纯形加速法来进行控制参数寻
优，得到最优值（K
vi ，K
vp
，K
vfr
），其具体步骤如下：
[0017] （3-1）在参数范围内选取不在同一三维平面上的四个参数点x0、x1、x2、x3构成的
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