一种伺服电机机械参数辨识方法及装置与流程

1.本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种伺服电机机械参数辨识方法及装置。


背景技术：

2.伺服电机及其机械系统的机械参数主要有转动惯量、粘滞摩擦系数、负载转矩和库仑摩擦，为保证伺服系统良好的控制性能，需对伺服系统控制参数进行自整定，转动惯量、粘滞摩擦等机械参数在参数自整定过程中有着重要的影响，为此对转动惯量等电机及其机械系统的机械参数的精确辨识十分必要。
3.现有的电机机械参数辨识方法往往忽略了粘滞摩擦系数、负载转矩和库仑摩擦，只辨识转动惯量，大大限制了参数辨识的使用场景。
4.常用的机械参数辨识方法可分为离线辨识和在线辨识两类。离线辨识有加减速法、直接计算法等，需要电机按规划的路径运行，使用范围窄。在线辨识有最小二乘法、模型参考法、卡尔曼滤波法等，基于此类算法在辨识建模过程中，存在电机机械运动方程不准确的问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种伺服电机机械参数辨识方法及装置，可以同时在线辨识出转动惯量、粘滞摩擦系数、负载转矩和库仑摩擦，实现了电机机械运动方程中除静摩擦力外的各机械参数的完全解耦，并且在系统出现偶然扰动和参数突变的情况下，可以保证辨识结果的稳定性、准确性和快速性，不仅能够应用于永磁同步电机，在异步电机中同样适用。
6.具体的，本发明的技术方案如下：
7.本发明提供一种伺服电机机械参数辨识方法，包括：
8.根据电机转速构建电机机械运动方程；
9.根据所述电机机械运动方程，结合递推最小二乘法，计算电机机械参数的辨识值，所述电机机械参数包括转动惯量、粘滞摩擦系数、负载转矩和库仑摩擦；
10.加入偶然扰动或参数突变处理机制，对所述电机机械参数的辨识值进行优化。
11.本发明根据电机转速构建电机机械运动方程，并利用最小二乘法递推得到电机各机械参数的辨识值，引入偶然扰动或参数突变处理机制，使电机机械参数的辨识值趋于稳定，提高了辨识结果的准确性和稳定性。
12.在一些实施方式中，所述根据电机转速构建电机机械运动方程，包括：
13.根据电机转速的方向，分别构建正、负电机机械运动方程；
14.所述的计算电机机械参数的辨识值，包括：
15.根据正电机机械运动方程和最小二乘法，计算获得正向电机机械参数，所述正向电机机械参数包括速度正向系统总惯量、速度正向粘滞摩擦系数和速度正向复合扰动转
矩；
16.根据负电机机械运动方程和最小二乘法，计算获得负向电机机械参数，所述负向电机机械参数包括速度负向系统总惯量、速度负向粘滞摩擦系数和速度负向复合扰动转矩；
17.通过所述正向电机机械参数和所述负向电机机械参数，计算得到所述电机机械参数的辨识值。
18.本发明根据正、负向电机转速，分别构建正、负电机机械运动方程，通过最小二乘法递推，辨识出电机的正、负向机械参数，再根据二者的关系，得到最终辨识结果。
19.在一些实施方式中，所述的加入偶然扰动或参数突变处理机制，对所述电机机械参数的辨识值进行优化，包括瞬时突变处理，
20.所述瞬时突变处理包括；
21.计算第一差值绝对值，所述第一差值绝对值为当前所述转动惯量的辨识值与上一次所述转动惯量的辨识值之间的差值绝对值；
22.当所述第一差值绝对值大于第一预设转动惯量变化阈值时，判断系统存在偶然扰动或参数突变；
23.对最小二乘法中的协方差矩阵进行复位，重新计算所述电机机械参数的辨识值。
24.本发明通过对电机机械参数的辨识值进行瞬时突变处理，在系统出现偶然扰动或参数突变时，通过协方差矩阵复位，重新开始辨识，提高系统抵抗外部偶然扰动的能力，同时可加快参数突变时的辨识响应速度。
25.在一些实施方式中，还包括长期缓变处理，
26.所述长期缓变处理包括：
27.当所述第一差值绝对值小于第一预设转动惯量变化阈值时，获取转动惯量稳定辨识值；
28.计算第二差值绝对值，所述第二差值绝对值为当前所述转动惯量的辨识值与所述转动惯量稳定辨识值之间的差值绝对值；
29.当所述第二差值绝对值大于第二预设转动惯量变化阈值时，对最小二乘法中的协方差矩阵进行复位，重新计算所述电机机械参数的辨识值。
30.本发明通过对电机机械参数的辨识值进行长期缓变处理，弥补瞬时突变处理不起作用的空缺，防止辨识结果发散，提高辨识结果的稳定性。
31.在一些实施方式中，所述的加入偶然扰动或参数突变处理机制，对所述电机机械参数的辨识值进行优化，包括限制电机匀速运行阶段的辨识过程，
32.所述限制电机匀速运行阶段的辨识过程包括：
33.计算电机的指令加速度；
34.将所述加速度与预设的加速度阈值进行比较，当所述加速度小于所述加速度阈值时，不进行参数辨识。
35.本发明通过计算指令加速度，并设置加速度阈值来限制匀速阶段的辨识过程，以排除匀速阶段出现偶然扰动的影响，提高匀速阶段的辨识结果的稳定性和准确性。
36.在一些实施方式中，所述计算指令加速度包括：
37.当系统以位置环运行时，根据位置指令速度计算指令加速度；
38.当系统以非位置环运行时，根据速度环参考速度计算指令加速度。
39.本发明还提供一种伺服电机机械参数辨识装置，包括：
40.建立模块，用于根据电机转速构建电机机械运动方程；
41.计算模块，用于根据所述电机机械运动方程，结合递推最小二乘法，计算电机机械参数的辨识值，所述电机机械参数包括转动惯量、粘滞摩擦系数、负载转矩和库仑摩擦；
42.优化模块，用于加入偶然扰动或参数突变处理机制，对所述电机机械参数的辨识值进行优化。
43.在一些实施方式中，所述优化模块包括：
44.第一计算单元，用于计算第一差值绝对值，所述第一差值绝对值为当前转动惯量辨识值与上一次转动惯量辨识值之间的差值绝对值；
45.判断单元，用于当所述第一差值绝对值大于第一预设转动惯量变化阈值时，判断系统存在偶然扰动或参数突变；
46.第一复位单元，用于对最小二乘法中的协方差矩阵进行复位，重新计算所述电机机械参数的辨识值。
47.在一些实施方式中，所述优化模块还包括：
48.获取单元，用于当所述第一差值绝对值小于第一预设转动惯量变化阈值时，获取转动惯量稳定辨识值；
49.第二计算单元，用于计算第二差值绝对值，所述第二差值绝对值为当前所述转动惯量的辨识值与所述转动惯量稳定辨识值之间的差值绝对值；
50.第二复位单元，当所述第二差值绝对值大于第二预设转动惯量变化阈值时，对最小二乘法中的协方差矩阵进行复位，重新计算所述电机机械参数的辨识值。
51.在一些实施方式中，所述优化模块包括：
52.第三计算单元，用于计算电机的指令加速度；
53.比较单元，用于将所述指令加速度与预设的加速度阈值进行比较，当所述指令加速度小于所述加速度阈值时，不进行参数辨识。
54.与现有技术相比，本发明至少具有以下一项有益效果：
55.(1)本发明根据电机转速构建准确的电机机械运动方程，实现了对转动惯量、粘滞摩擦系数、负载转矩和库仑摩擦的完全解耦，通过最小二乘法可在线同时辨识出电机及其机械系统的转动惯量、粘滞摩擦系数、负载转矩和库仑摩擦。
56.(2)本发明由于实现了对电机机械运动方程的完全解耦，在低加速度时也能准确的辨识出转动惯量等电机机械参数。
57.(3)本发明通过加入偶然扰动与参数突变处理处理机制，对电机机械参数进行优化，提高了辨识响应速度，使系统的抗扰性增加，有效防止辨识结果发散，增加了辨识结果的可靠性。
58.(4)本发明提供的一种伺服电机机械参数辨识方法为在线辨识方法，无需规划路径，可在设备正常工作时进行辨识，可适用范围广。
附图说明
59.下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明的上述特性、技
术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
60.图1是本发明的伺服电机机械参数辨识方法的一个实施例的流程图；
61.图2是本发明一实施例中机械参数辨识结果仿真图；
62.图3是本发明一实施例中负载突变时施加的负载转矩指令图；
63.图4是本发明一实施例中负载突变时的负载转矩辨识结果图；
64.图5是本发明一实施例中负载突变时的转动惯量辨识结果图；
65.图6是本发明的伺服电机机械参数辨识装置的一个实施例的框图。
66.附图标号说明：
67.建立模块10，计算模块20，优化模块30。
具体实施方式
68.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本技术。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
69.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。
70.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
71.还应当进一步理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
72.另外，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
73.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
74.本发明所讨论的偶然扰动是指：在电机运行过程中，由于外部机构偶然碰撞等导致电机转速和电磁转矩出现波动，短暂偏离正常控制值。
75.本发明所讨论的参数突变是指：在电机运行过程中，自身系统的负载转矩或转动惯量或库仑摩擦或粘滞摩擦发生突变。
76.在本发明的一个实施例中，如图1所示，一种伺服电机机械参数辨识方法，包括：
77.s110根据电机转速构建电机机械运动方程；
78.s120根据电机机械运动方程，结合递推最小二乘法，计算电机机械参数的辨识值，具体包括转动惯量、粘滞摩擦系数、负载转矩和库仑摩擦；
79.s130加入偶然扰动或参数突变处理机制，对电机机械参数的辨识值进行优化。
80.本实施例，根据电机转速构建电机机械运动方程，并利用最小二乘法递推得到电机各机械参数的辨识值，引入偶然扰动或参数突变处理机制，对辨识结果进行优化，使电机机械参数的辨识值趋于稳定，提高了辨识结果的准确性。
81.在一个实施例中，在上述实施例的基础上，根据电机转速构建电机机械运动方程，根据电机机械运动方程，结合递推最小二乘法，计算电机机械参数的辨识值，包括：
82.s210根据电机转速的方向，分别构建正、负电机机械运动方程；
83.具体的，电机机械运动方程为：
84.te＝j
·
a+b
·
ω+tl+sign(ω)
·
tc (1)
85.式中，te为电磁转矩，j为转动惯量，a为加速度，b为粘滞摩擦系数，ω为转速，tl为负载转矩，tc为库仑摩擦，sign为符号函数；
86.当转速ω大于零时，根据式(1)建立正向电机机械运动方程：
87.te＝jp
·
a+bp
·
ω+tdp (2)
88.式中，jp为速度正向系统总惯量，bp为速度正向粘滞摩擦系数，tdp为速度正向复合扰动转矩；
89.其中，tdp＝tl+tc(3)
90.当转速ω小于零时，根据式(1)建立负向电机机械运动方程：
91.te＝jn
·
a+bn
·
ω+tdn (4)
92.式中，jn为速度负向系统总惯量，bn为速度负向粘滞摩擦系数，tdn为速度负向复合扰动转矩；
93.其中，tdn＝tl-tc(5)
94.s220根据正向电机机械运动方程和最小二乘法，计算获得正向电机机械参数，正向电机机械参数包括速度正向系统总惯量、速度正向粘滞摩擦系数和速度正向复合扰动转矩；
95.具体的，在k时刻，转速ω大于零时，正向电机机械运动方程可写为式(6)：
[0096][0097]
式中，ts为辨识周期，ω(k-1)为k-1时刻的转速；
[0098]
由式(6)可得式(7)：
[0099][0100]
将式(7)写成矩阵形式，如式(8)：
[0101][0102]
递推最小二乘法辨识适用的数学模型如式(9)：
[0103][0104]
式中，y为输出，为输入数据向量，θ为待辨识参数；
[0105]
递推最小二乘法辨识迭代公式如式(10)：
[0106][0107]
式中，k为增益矩阵，p为协方差矩阵，λ为遗忘因子；
[0108]
将式(8)代入递推最小二乘法辨识数学模型式(9)中，得到对应关系如式(11)：
[0109][0110]
将式(11)代入式(10)进行迭代计算，便可得到辨识矩阵θ，进而根据辨识矩阵θ内的三个数组元素，得到速度正向系统总惯量jp，速度正向粘滞摩擦系数bp，速度正向复合扰动转矩tdp。
[0111]
s230根据负向电机机械运动方程和最小二乘法，计算获得负向电机机械参数，负向电机机械参数包括速度负向系统总惯量、速度负向粘滞摩擦系数和速度负向复合扰动转矩；
[0112]
具体的，当转速ω小于零时，同理，重复上述计算过程，可得到速度负向系统总惯量jn，速度负向粘滞摩擦系数bn，速度负向复合扰动转矩tdn。
[0113]
s240通过正向电机机械参数和负向电机机械参数，计算得到电机机械参数的辨识值。
[0114]
具体的，结合式(3)和式(5)，转动惯量j、粘滞摩擦系数b、负载转矩tl和库仑摩擦tc的辨识结果如式(12)：
[0115]
[0116]
本实施例，根据正、负向电机转速，分别构建正、负电机机械运动方程，并代入递推最小二乘法辨识适用的数学模型中，得到离散化后的正、负电机机械运动方程，再将这两个方程代入递推最小二乘法迭代公式中，得到正、负向电机机械参数，通过计算最终得到电机及其机械系统的转动惯量、粘滞摩擦系统、负载转矩和库仑摩擦的辨识值。
[0117]
将本实施例中的辨识方法在matlab/simulink中进行仿真验证，仿真中设定转速指令为幅值为500r/min、加减速时间为100ms的正反向梯形波，辨识周期设定为0.001s，设定电机及其机械系统的转动惯量为0.006kg
·
m2、粘滞摩擦系数为0.02nm
·
s/rad、负载转矩为4nm、库仑摩擦为0.8nm。辨识结果如图2(a)-(d)所示，电机各机械参数均在1个转速指令周期内收敛稳定，电机及其机械系统的转动惯量辨识误差为0.1％，粘滞摩擦系数辨识误差为3.5％，负载转矩辨识误差为0.3％，库仑摩擦辨识误差为4.3％。可见，本发明提出的电机机械参数辨识方法的辨识时间短且辨识精度高。
[0118]
在一个实施例中，在上述实施例的基础上，加入偶然扰动或参数突变处理机制，对电机机械参数的辨识值进行优化，包括瞬时突变处理，具体包括：
[0119]
计算第一差值绝对值，第一差值绝对值为当前转动惯量的辨识值与上一次转动惯量的辨识值之间的差值绝对值；
[0120]
当第一差值绝对值大于第一预设转动惯量变化阈值时，判断系统存在偶然扰动或参数突变；
[0121]
对最小二乘法中的协方差矩阵进行复位，重新计算电机机械参数的辨识值。
[0122]
当偶然扰动导致转动惯量突变时，协方差矩阵复位重新辨识可滤除此时偶然扰动导致的突变，从而获得正确的辨识结果；当参数突变导致转动惯量突变时，协方差矩阵复位重新辨识可去除此前最小二乘累计迭代计算数据的影响，提高辨识响应速度。
[0123]
仿真中设定转速指令为幅值为500r/min、加减速时间为100ms的正反向梯形波，辨识周期设定为0.001s，电机及其机械系统的总转动惯量为0.006kg
·
m2，以图3中所示的波形对电机及其机械系统进行负载转矩的突加突卸，初始负载转矩为4nm，在1s时突加为8nm，在3s时突卸为0nm。
[0124]
采用上述瞬时突变处理的方法对负载转矩的辨识结果进行优化，图4(a)为未优化的负载转矩辨识结果，图4(b)为优化后的负载转矩辨识结果，可见在负载突变时，未采用瞬时突变处理的辨识算法的辨识响应慢，负载转矩辨识值未能收敛到负载转矩指令值；采用瞬时突变处理的辨识算法的辨识响应快，负载转矩辨识值能够在负载突变后的1个转速指令周期内收敛稳定。
[0125]
本实施例，通过瞬时突变处理，在系统出现偶然扰动或参数突变时，通过对最小二乘法中的协方差矩阵进行复位，重新开始辨识，对辨识结果进行修正，避免辨识结果发散，提高了系统抵抗外部偶然扰动的能力，同时加快了参数突变时的辨识响应速度。
[0126]
在一个实施例中，在上述实施例的基础上，还包括长期缓变处理，具体包括：
[0127]
当所述第一差值绝对值小于第一预设转动惯量变化阈值时，获取转动惯量稳定辨识值；
[0128]
计算第二差值绝对值，所述第二差值绝对值为当前所述转动惯量的辨识值与所述转动惯量稳定辨识值之间的差值绝对值；
[0129]
当所述第二差值绝对值大于第二预设转动惯量变化阈值时，对最小二乘法中的协
方差矩阵进行复位，重新计算所述电机机械参数的辨识值。
[0130]
具体的，区别于瞬时突变，当电机的转速和电磁转矩发生波动或电机机械参数发生波动，但其导致的瞬时转动惯量变化量未达到第一预设转动惯量变化阈值，而转动惯量变化量可能仍在不断累积，为了避免辨识结果发散，当第二差值绝对值大于第二预设转动惯量变化阈值时，对最小二乘法中的协方差矩阵进行复位，重新开始辨识，并且当结果稳定时，刷新转动惯量稳定辨识值。
[0131]
采用上述长期缓变处理的方法对转动惯量的辨识结果进行优化，图5(a)为未优化的转动惯量辨识结果，图5(b)为优化后的转动惯量辨识结果。图中可以看出，在负载突变时，未应用长期缓变处理的辨识算法的辨识响应慢，转动惯量辨识值未能收敛到转动惯量实际值，且辨识结果有发散的趋势；应用了长期缓变处理的辨识算法的辨识响应快，转动惯量辨识值能够在负载突变后的1个转速指令周期内收敛稳定。
[0132]
本实施例，通过长期缓变处理，弥补瞬时突变不起作用的空缺，防止辨识结果发散，提高辨识结果的稳定性。
[0133]
在一个实施例中，在上述实施例的基础上，加入偶然扰动或参数突变处理机制，对所述电机机械参数的辨识值进行优化，包括限制电机匀速运行阶段的辨识过程，具体包括：
[0134]
计算电机的指令加速度；
[0135]
具体的，在电机匀速运行阶段，机械参数辨识算法的输入信号的信噪比低，因此设置最小加速度阈值以暂停匀速阶段的辨识过程，避免匀速阶段进行辨识而降低辨识精度的问题。
[0136]
伺服系统又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服电机伺服系统通常为包含电流环、速度环和位置环的三环控制系统，能够根据不同的指令值对输出量进行控制。
[0137]
为了获得稳定的指令加速度值，可以通过以下方法进行计算：
[0138]
当系统以位置环运行时，取位置指令速度计算指令加速度，由于位置指令速度在匀速阶段为恒定值，没有受到反馈值的影响，计算得到的加速度不受外部扰动的影响；当系统以非位置环运行时，取速度环参考速度计算指令加速度，此时速度环参考速度在匀速阶段为恒定值，计算得到的加速度不受外部扰动的影响。
[0139]
将所述指令加速度与预设的加速度阈值进行比较，当所述指令加速度小于所述加速度阈值时，不进行参数辨识。
[0140]
具体的，加速度阈值设置过大会限制辨识算法应用场景；加速度阈值设置过小当系统存在扰动时，实际加速度很容易超过加速度阈值，所以将加速度阈值设定在一定的范围内。当指令加速度小于该加速度阈值时，电机处于匀速运行阶段，此时不进行参数辨识；若指令加速度大于该加速度阈值，则按照前述实施例中的电机机械参数辨识方法进行辨识。
[0141]
本实施例，通过选取合适的速度信号作为指令加速度计算来源，设置加速度阈值限制匀速阶段的辨识过程，以排除匀速阶段出现偶然扰动的影响，提高匀速阶段的辨识结果的稳定性和准确性。
[0142]
在本发明的一个实施例中，如图6所示，一种伺服电机机械参数辨识装置，包括建立模块10、计算模块20、优化模块30，其中：
[0143]
建立模块10，用于根据电机转速构建电机机械运动方程；
[0144]
计算模块20，用于根据电机机械运动方程，结合递推最小二乘法，计算电机机械参数的辨识值，电机机械参数包括转动惯量、粘滞摩擦系数、负载转矩和库仑摩擦；
[0145]
优化模块30，用于加入偶然扰动或参数突变处理机制，对电机机械参数的辨识值进行优化。
[0146]
在一个实施例中，优化模块30包括第一计算单元、判断单元、第一复位，单元，其中：
[0147]
第一计算单元，用于计算第一差值绝对值，第一差值绝对值为当前转动惯量辨识值与上一次转动惯量辨识值之间的差值绝对值；
[0148]
判断单元，用于当第一差值绝对值大于第一预设转动惯量变化阈值时，判断系统存在偶然扰动或参数突变；
[0149]
第一复位单元，用于对最小二乘法中的协方差矩阵进行复位，重新计算电机机械参数的辨识值。
[0150]
在一个实施例中，优化模块30包括获取单元、第二计算单元、第二复位单元，其中：
[0151]
获取单元，用于当辨识值稳定时，获取转动惯量稳定辨识值；
[0152]
第二计算单元，用于计算第二差值绝对值，第二差值绝对值为当前转动惯量的辨识值与转动惯量稳定辨识值之间的差值绝对值；
[0153]
第二复位单元，当第二差值绝对值大于第二预设转动惯量变化阈值时，对最小二乘法中的协方差矩阵进行复位，重新计算电机机械参数的辨识值。
[0154]
在一个实施例中，优化模块30包括第三计算单元、比较单元，其中：
[0155]
第三计算单元，用于计算电机的指令加速度；
[0156]
比较单元，用于将指令加速度与预设的加速度阈值进行比较，当指令加速度小于该加速度阈值时，不进行参数辨识。
[0157]
需要说明的是，本发明提供的伺服电机机械参数辨识装置的实施例与前述提供的伺服电机机械参数辨识方法的实施例均基于同一发明构思，能够取得相同的技术效果，因而，伺服电机机械参数辨识装置的实施例的其它具体内容可以参照前述伺服电机机械参数辨识方法的实施例内容的记载。
[0158]
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。