一种冗余驱动伺服系统的抗干扰无间断容错控制方法与流程

本发明属于交流伺服系统控制领域。

背景技术：

交流伺服系统在现代工业、交通运输以及军事装备领域获得广泛应用。某些应用场合对交流伺服系统的控制性能要求很高，并且不允许出现中断运行的现象，例如在国防、纺织、印染、冶炼等领域，若伺服系统控制性能降低或者中断运行则可能造成重大财产损失甚至严重的人身伤害，因此亟需研究一些方法同时保证伺服系统的控制性能和可靠性。

为提高伺服系统的抗扰性能，许多研究人员对伺服系统的控制方法展开研究，例如基于状态观测器的补偿方法、神经网络控制法、自适应鲁棒控制法、基于特征模型的黄金分割自适应法等，上述控制方法为提高伺服系统的抗扰性做出了贡献，但是无法实现伺服系统的容错运行。为提高伺服系统的可靠性，研究人员对交流伺服驱动器、伺服电机的故障诊断及容错控制问题展开研究：如基于傅里叶变换或小波变换的故障诊断法，能实现电机或驱动器部分故障的早期预警；又如基于神经网络的数据融合技术，能在驱动设备部分传感器失效的情况下重构出所需的信息以实现容错控制。但上述故障诊断及容错控制的方法一般较为复杂，工程实现具有较高的难度，并且某些方法只能适用于特定的场合特定的故障，很难具有较高的通用性。综上，目前常见的交流伺服系统控制方法，在抗扰动控制和高可靠性控制两点上难以兼顾。

技术实现要素：

本发明提出了一种冗余驱动伺服系统的抗干扰无间断容错控制方法，提出利用主控单元获取的各驱动设备的状态信息进行失效诊断并设计了力矩动态分配策略，以实现交流伺服系统的高性能不间断运行。

本发明的技术方案是：伺服系统采用m(m>1)套驱动设备(一套驱动设备包括一台驱动器和一台电机)共同驱动负载，m台驱动器由同一块主控板控制。伺服系统的速度环解算由主控板完成，主控板采用滑模控制法实时计算出系统运行所需总力矩，并根据运行状态动态分配各驱动器的力矩指令。m台伺服驱动器均工作在力矩环模式，控制电机输出所需的力矩。运行过程中，控制板首先由通讯接口实时获取各个驱动器的速度、电流反馈，再计算出总的力矩指令，同时运用辨识算法在线辨识驱动设备的失效系数，结合获取的故障信息综合判定驱动设备状态，最终实施力矩动态分配策略：若单台驱动器的增益减小，则控制板增加相应驱动器的力矩指令，用以抵消损失的增益；若n(n<m)套驱动设备故障，则控制板重新分配其余m-n套驱动设备的力矩指令，保证系统的总输出力矩不变，维持系统正常运行。

本发明的总体硬件框图如图1所示，系统由上位机、主控制板、m台伺服驱动器、m台电机、减速传动机构以及轴角反馈装置组成。上位机给主控制板发送位置指令，主控制板根据指令和接收的轴角反馈信息进行解算，按照(1)式形成总的力矩指令(滑模控制律)：

其中θ、ω、b、j分别为伺服系统的负载位置、转速、粘滞摩擦系数和转动惯量，是基于观测器法对负载实时力矩的估计，sgn(·)为符号函数，γ、k、ρ为大于零的可调参数，调节这三个参数可以改变跟踪误差的收敛速度。主控板根据(1)的计算结果动态调节各个驱动器的力矩指令。

主控制板还通过通讯接口接收伺服驱动器反馈的速度、电流信息以及故障信息，作为故障状态时力矩指令调节的依据。主控制板根据驱动器反馈的速度、电流信息，通过带遗忘因子的递推最小二乘算法在线辨识驱动器的失效系数。电机的电枢离散方程表示为：

其中，l为电枢电感，i(k)、ω(k)为k时刻驱动器反馈的电流、转速，ts为采样时间，λ(k)为k时刻驱动器的失效系数，gc为驱动器力矩环的闭环增益，u(k)为主控制板在k时刻发送的力矩指令，np、ψ、r分别为电机的极对数、转子磁链以及绕组电阻。为了便于进一步运算，(2)式转换为：

令δx(k)＝i(k+1)-i(k)(4)

η(k)＝[λ(k)-r-npψ]^t(6)

按如下所示带遗忘因子的递推最小二乘算法(frls)公式进行递推计算：

γrls为遗忘因子，主控制板在线递推计算可得驱动器当前时刻失效系数的估计

本发明的力矩动态分配策略实施流程如图2所示，主控制板在每一个定时器周期内根据(1)计算出伺服系统运行所需的总的扭矩tl，因为有m台驱动设备共同驱动负载，为了保持力矩均衡，则正常状态下每台驱动器的力矩指令设置为：

接着主控制板通过通讯接口查询当前m台伺服驱动器的故障信息以及转速、电流等状态信息，再通过上述辨识算法在线计算出每台驱动器的失效系数

主控制板根据故障信息并结合失效系数综合判定故障类型并采取相应的措施：若第i台驱动器没有报故障但表明该驱动器的力矩环增益减小了，为了抵消增益损失，主控制板将该伺服驱动器的力矩环指令ti调整为：

若n台驱动器报故障或者失效系数则表明有n套驱动设备失效，主控制板则关断故障驱动器的使能信号，调整其余的m-n台驱动器的力矩指令为：

其中，α为力矩补偿系数α＞1，用以补偿n台驱动器失效时传动系统的效率损失。发送力矩指令前主控制板先校核力矩指令ti，若计算结果大于电机的额定扭矩，则发送额定力矩指令，同时发送输出力矩不足，控制性能会下降的报警信号。

本发明的有益效果是，采取上述方法后，伺服系统将得到较高的控制性能，并且在部分驱动设备故障的情况下，整个伺服系统不受影响，依旧可以稳定运行，伺服系统的可靠性也将得到提高。本发明适用于对伺服系统控制性能要求高，同时需要长时间不间断运行的场合。

附图说明

图1是本发明的系统实施硬件框图。

图2是力矩动态分配策略流程图。

具体实施方式

设一套伺服系统由两台电机共同驱动，两台伺服驱动器挂载在同一条can总线上，由同一块控制板控制。两个驱动器均工作在力矩环模式，力矩指令由控制板发送。

伺服系统的负载为50n.m，折算到电机侧的粘滞摩擦系数为0.001n.m.s/rad，转动惯量为2.5×10^-3kg·m²，控制参数选择为k＝10，r＝5，ρ＝10，则可按公式(1)计算出总的力矩指令为：

tl＝-10s+0.0005ω+50-10sgn(s)(13)

电机电感为5mh，控制周期为1ms，驱动器力矩环增益为1，电机电阻为0.5ω，极对数为4，磁链为0.25v.s/rad，则电机电枢离散方程按公式(2)可以表示为：

i(k+1)-i(k)＝0.2λ(k)u(k)-0.1i(k)-0.2ω(k)(14)

选取遗忘因子为0.95，按照公式(5)～(9)可以辨识得到两个驱动器的实效系数和

若两个驱动器都没有报故障且则每个驱动器的力矩指令设计为

若两个驱动器都没有报故障且则驱动器1的力矩指令不变调整驱动器2的力矩指令为

若一个驱动器没有报故障且另一个驱动器报故障或则关闭电机2的使能，同时调整t1＝αtl(α＞1)，按照经验α可设为1.1用以补偿另一台驱动器故障时的效率损失。

采取上述措施后，在一台驱动器或电机故障的情况下，伺服系统依旧可以运行。伺服系统的任务可靠性得到提高。