发明属于电机控制。它涉及一种伺服系统中抑制机械共振和干扰的方法。
背景技术：
1、在高精度和高动态性能的机床加工中，伺服系统的性能对生产效率和最终产品的质量具有至关重要的影响。伺服系统的传动装置由于其固有的弹性，容易引起机械共振。这种共振现象会导致机械系统在高速运行时出现扭转振荡，从而影响系统的控制性能和操作精度。特别是在高档数控机床和机器人系统等高精度设备中，长时间的机械共振不仅会降低效能，更可能对传动机构造成严重损害。
2、此外，工业生产中的摩擦和负载变化等外部干扰对系统性能的负面影响显著。这些因素可能导致速度振荡甚至机械共振。因此，抑制机械共振和干扰已成为提高伺服系统性能的关键。
技术实现思路
1、为了解决伺服双惯量系统中，由于存在柔性传动结构而容易在特定频率产生共振的问题，同时抑制由于负载变化、摩擦力变化等多种类型干扰对系统造成的影响问题，本发明采用的技术方案是：包括如下步骤：
2、将给定转速wref和电机实际转速wm之间的差值输入到转速环pi控制器；
3、将转速环pi控制器的输出信号输入到陷波滤波器中；
4、基于陷波滤波器的输出信号以及分数阶干扰观测器的补偿值ik，最后得到q轴电流的参考值iq*，并给定d轴电流参考值id*＝0；
5、将q轴电流的参考值iq*输入到电流环pi控制器中；
6、再将电流环pi控制器的输出信号，输入到电机模型的电磁特性gi(s)中，得到电机的三相定子电流is(k)；
7、基于电角度θ、电机的三相定子电流is(k)经过clark变换得到定子电流的αβ轴分量，分别为iα(k)和iβ(k)，再经过park变换得到定子电流dq轴分量，分别为id(k)和iq(k)，其中q轴分量iq(k)为q轴电流真实值iq，计算得到实际电磁转矩tm；
8、电机实际转速wm与电机的名义模型gn(s)相乘得到电磁转矩的观测值tm*，电磁转矩的观测值tm*与实际电磁转矩相减得到电磁转矩的补偿值tk；
9、电磁转矩的补偿值tk除以电机转矩常数kt，然后与分数阶滤波器q(s)和补偿增益k相乘，得到q轴电流的补偿值ik，将q轴电流的补偿值ik传送给电机，以此实现抑制伺服系统中的机械共振和干扰。
10、进一步地：所述转速环pi控制器的传递函数表达式gv(s)如下，:
11、
12、其中，kpv比例系数，kiv积分系数，转速环的开环截止频率为wv，期望带宽为fv，截止频率处点的相位裕度为
13、进一步地：所述陷波滤波器传递函数表达式g(s)为：
14、
15、其中，wn为陷波滤波器的中心频率，bw为陷波宽度，dp为陷波深度。
16、进一步地：所述clark变换将电机三相电流ia(k)、ib(k)、ic(k)变换得到定子电流的αβ轴分量，分别为定子电流的α轴分量iα(k)和定子电流的β轴分量iβ(k)；
17、
18、所述park变换得到定子电流dq轴分量，分别为定子电流的d轴分量id(k)和定子电流的q轴分量iq(k)，如下：
19、
20、q轴电流真实值iq经过如下电磁转速方程(6)得到电机的实际电磁转矩tm：
21、
22、其中，pn为电机磁对数，ψf为永磁同步伺服电机永磁体磁链，kt为电机转矩常数。
23、进一步地：所述伺服系统名义模型gn(s)的表达式如下：
24、gn(s)＝jms (7)
25、其中：电机的转动惯量为jm；
26、所述分数阶滤波器q(s)的表达式如下所示。
27、
28、其中，θ为分数阶，可以为分数或者整数，τ为时间常数，g为扰动观测器的截止频率。
29、本发明提供的一种伺服系统中抑制机械共振和干扰的方法，具有以下优点：
30、该方法在建立的伺服双惯量系统模型中，加入陷波滤波器和分数阶干扰观测器，该模型可以考虑外部干扰和基于lugre模型的摩擦力。本发明提出通过陷波滤波器和分数阶干扰观测器的共同作用，增强系统的抗干扰能力和稳定性。陷波滤波器能够对陷波频率、深度和宽度进行独立控制和调整，简化并加快了抑制共振频率的设置过程。分数阶干扰观测器提供了比整数阶干扰观测器更广泛的参数调节范围，适用于更多工作环境，在保证补偿精度的同时提高响应速度。
31、本发明采用陷波滤波器来抑制伺服系统的机械共振，并通过分数阶干扰观测器观测并补偿摩擦力和负载变化等外部干扰，从而增强伺服系统的抗干扰能力和鲁棒性。
32、本发明在提高机床的生产效率和最终产品质量方面具有重要的理论研究和实际应用价值。陷波滤波器能够有效控制和调整陷波频率、深度和宽度，快速设置以抑制共振频率。分数阶干扰观测器提供了广泛的参数调节范围，适用于更多的工作环境，在保证补偿精度的同时提高响应速度。这些改进显著提升了伺服系统的性能，使其更适用于高精度和高性能的应用场景。
33、我们首先在转速环pi控制器后加入陷波滤波器，从而对双惯量系统的固有频率进行精准的陷波处理。这种方法能够有效减少或消除系统自然谐振引起的振动和不稳定性，从而显著提高控制系统的性能和稳定性。
34、针对伺服双惯量系统的结构特性，本发明引入了分数阶干扰观测器，用于观测和有效补偿电磁转矩。分数阶干扰观测器能够增强系统抵抗外部扰动和内部参数变化的能力，保持稳定和精准的控制。这对于高精度和高性能的数控机床中的伺服系统尤为重要。与传统的整数阶干扰观测器相比，分数阶干扰观测器提供了更高的灵活性和适应性，尤其在处理复杂或非线性动态系统方面表现突出。通过结合使用陷波滤波器和分数阶干扰观测器，本发明显著增强了控制系统的性能，使其更加准确和鲁棒，本发明的方法显著提高了伺服系统的控制精度和稳定性，特别适用于高精度和高动态性能的应用场景。
35、本发明的创新之处在于：
36、精准的陷波滤波器设计：能够独立控制陷波频率、深度和宽度，快速设置抑制共振频率的陷波器，简化了调试过程。
37、高效的分数阶干扰观测器：提供广泛的参数调节范围，适用于多种工作环境，在保持高补偿精度的同时提高响应速度。
38、这些创新显著提升了伺服系统的抗干扰能力和控制精度，使其在高精度和高动态性能应用中表现优异。
1.一种伺服系统中抑制机械共振和干扰的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种伺服系统中抑制机械共振和干扰的方法，其特征在于：所述转速环pi控制器的传递函数表达式gv(s)如下，:
3.根据权利要求1所述的一种伺服系统中抑制机械共振和干扰的方法，其特征在于：所述陷波滤波器传递函数表达式g(s)为：
4.根据权利要求1所述的一种伺服系统中抑制机械共振和干扰的方法，其特征在于：所述clark变换将电机三相电流ia(k)、ib(k)、ic(k)变换得到定子电流的αβ轴分量，分别为定子电流的α轴分量iα(k)和定子电流的β轴分量iβ(k)；
5.根据权利要求1所述的一种伺服系统中抑制机械共振和干扰的方法，其特征在于：所述q轴电流真实值iq经过如下电磁转速方程(6)得到电机的实际电磁转矩tm：
6.根据权利要求1所述的一种伺服系统中抑制机械共振和干扰的方法，其特征在于：所述伺服系统名义模型gn(s)的表达式如下：
7.根据权利要求1所述的一种伺服系统中抑制机械共振和干扰的方法，其特征在于：
