基于参数辨识的交流伺服速度环参数自整定

　　随着科学技术的进步，交流电动机的控制理论日臻成熟，尤其是微电子、计算机和电力电子技术的发展使矢量控制及一些复杂的控制算法在工程应用上得以实现，使交流伺服系统在数控机床、机器人等领域得到广泛的应用。

　　交流伺服驱动器作为伺服系统的控制核心，大多都采用矢量控制加PID控制的控制结构。通常形成电流环、速度环和位置环的三环控制。交流伺服驱动的三环控制一般部使用PID控制，电流环与速度环使用PI控制，位置环使用P控制。其中电流环控制能够抑制电源波动的干扰，提高系统响应速度；速度环控制能够增强抗负载扰动的能力，抑制负载扰动引起的速度波动；位置环控制保证了定位精度和动态跟踪能力。

　　控制器参数自整定的方法可以分为两类：一类是基于对象模型设计方法，另一类足通过模拟人工调试的方法。前者是通过建立控制对象的数学模型，辨识模型中的参数，来}殳计控制器的参数；后者是在对象的阶跃响应、脉冲响应、频率响应等非参数模型基础上，应用适当的整定方法或计算公式求得控制器参数。

　　本文使用第一种方法，通过建立交流伺服系统速度环开环传递函数，并通过系统辨识的方法辨识相应参数。利用对称最优法整定速度环PI参数。

1 交流伺服速度环控制结构

　　交流伺服系统速度环结构如图1所示。速度环调节器为PI调节器，传递函数为K_p(T_iS+1)／T_iS，K_p为比例增益；T_i为积分时间；其中电流环的等效模型为1／(T_oS+1)，为一阶惯性系统；K_m为电动机转矩常数，J为电动机轴上转动惯量(包括转子惯量与负载转动惯量)。

2 系统参数辨识方法

　　在只使用P控制时的速度环结构如图2所示，闭环传递函数为

　　对于式(3)所示的离散模型中的参数使用测试信号进行测试，然后使用带有遗忘因子递推最小二乘法计算脉冲传递函数的参数。具体的做法是：用伪随机信号作为速度指令。进行速度控制，记录编码器的速度检测值，对记录的数据使用递推最小二乘法进行脉冲传递函数参数辨识。这其中要求伪随机信号的频带能够覆盖伺服驱动的速度环特征频带。

　　其中伪随机信号产生的示意图如图3所示。该方法是通过移位寄存器产生伪随机信号，伪随机信号的频谱特性近似于白噪声。通过设定移位寄存器的时钟周期和级数就可以设定伪随机信号包含的频带。递推最小二乘法辨识参数的方法是：记参数矩阵为

　　对已辨识出脉冲传递函数可以变换为连续传递函数，得到式(3)所示的传递函数。由于K_p已知，则可以求出K_p和T_o。这样就准确地计算出式(1)所示的速度环开环系统传递函数。

3 速度控制器PI参数自整定

　　存得到了系统开环传递函数后，可以采用对称最优法(Symmetrical Optimum Principle)对速度环PI参数进行整定。根据对称最优法的PID整定表，对于式

　　(1)所示的开环传递函数，PI参数为

　　这样就可以完成对交流伺服速度环的控制参数的自整定。其中主要足让速度环处在P控制下对伺服驱动系统进行参数辨识，在此基础上使用对称最优法对速度环PI参数进行整定。在进行系统的参数辨识时，可以适当增多用于计算初始值的数据量，这样可以加快收敛和辨识精度。

4 结语

　　本文提出了一种实用的、基于伺服系统速度环参数辨识的速度控制器PI参数在线调整方法，给出了参数辨识的理论根据和流程。根据对称最优法时速度环PI参数进行整定。