[发明专利]一种用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器

说明书

本发明涉及一种用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器，包括PID控制器的三环控制系统，三环控制系统由内向外依次包括电流环、位置环以及速度环；还包括在三环控制系统中增加的前馈控制环节和反馈控制环节，所述前馈控制环节包括速度前馈、加速度前馈以及通过LuGre摩擦模型得到的摩擦补偿，所述速度前馈为对位置环输入的一节微分环节，所述加速度反馈为对速度环输入的二阶微分环节；所述反馈控制环节包括微分负反馈；通过粒子群优化算法整定所述前馈控制环节中的三个参数：速度前馈增益K_a，加速度前馈增益K_b，以及摩擦补偿增益K_f。本发明解决了传统PID控制的跟踪滞后问题，还解决了由摩擦带来的速度过零时的位置“平顶现象”和速度“死区现象”。

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器。

背景技术

永磁同步电机及其伺服系统是现代化工业的重要组成部分，广泛应用于数控机床、军工生产、工业机器人等众多领域。随着科学技术的进步，对伺服控制技术的要求也日益提高，不仅要求响应速度块，还要求运动控制做到高精度、无超调、无误差，以提高整体效率。

传统的伺服系统主要采用PID控制策略，其优势在于方法可靠好用、结构简单、容易实现。但是，PID控制也存在一些弊端，例如响应速度慢、超调量大以及动态跟踪滞后等。所以，针对高性能的伺服控制，对传统的PID控制进行优化是非常必要的。

由于在实际工程中，电机运行中的摩擦是不可避免的，因此实现摩擦补偿是优化的重点之一。为了解决摩擦给系统带来的影响，实现更好的控制效果，大量的文献提出了多种摩擦模型，用于优化摩擦补偿的效果。但是现有方法多为在采用摩擦补偿前馈时，将摩擦模型的输出直接补偿到系统中，无法解决传统PID控制的跟踪滞后问题，以及由摩擦带来的速度过零时的位置“平顶现象”和速度“死区现象”，故而无法达到最优的控制性能。

发明内容

本发明提供一种用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器，以解决上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于伺服系统的摩擦补偿前馈控制器，包括PID控制器的三环控制系统，所述三环控制系统由内向外依次包括电流环、位置环以及速度环；

还包括在所述三环控制系统中增加的前馈控制环节和反馈控制环节，所述前馈控制环节包括速度前馈、加速度前馈以及通过LuGre摩擦模型得到的摩擦补偿，所述速度前馈为对位置环输入的一节微分环节，所述加速度反馈为对速度环输入的二阶微分环节；所述反馈控制环节包括微分负反馈；

通过粒子群优化算法整定所述前馈控制环节中的三个参数：速度前馈增益K_a，加速度前馈增益K_b，以及摩擦补偿增益K_f。

较佳地，所述速度前馈和加速度前馈的传递函数分别为：

其中，K_t为转矩系数，J为转动惯量。

较佳地，通过调节所述微分负反馈中的微分负反馈系数τ_D调节所述伺服系统的阻尼比ξ。

较佳地，所述伺服系统的阻尼比ξ为：0.8＜ξ＜0.9。

较佳地，所述LuGre摩擦模型的数学模型为：

其中，z为鬃毛的平均变形量，ω为转速，σ₀为刚度系数，g(ω)为非线性函数，用于体现不同条件下的摩擦效应，F_f为总摩擦力矩，σ₁为阻尼系数，σ₂为粘滞系数，F_c为库仑摩擦力矩，ω_s为Stribeck速度。