含有柔性负载的电驱动系统建模与控制策略

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.03.006

摘要/Abstract

摘要：

为了抑制伺服电机启动和运行过程中产生的转速波动和振动，提出了一种基于极点配置的PI控制策略.首先，根据基尔霍夫电压定律和拉格朗日原理建立了伺服电机与柔性负载的整体动力学模型，并通过拉普拉斯变换计算系统的传递函数.其次，通过设计控制器的参数，分析了采用相同幅值的极点配置方法对控制效果的影响.最后，通过与传统的Z-N方法和无控制方法进行对比，验证了该极点配置方法的优势.通过数值仿真和实验研究，实现了对伺服电机启动和运行过程中产生的角度误差的控制，有效抑制了电机转速的波动，保证了系统的稳定性.

关键词: 伺服电机, 柔性负载, 极点配置, PI控制器, 速度环

Abstract:

In order to suppress the speed fluctuations and vibrations generated during the startup and operation of servo motors， a PI control strategy based on pole configuration was proposed. Firstly， an overall dynamic model of servo motors and flexible load was established based on Kirchhoff’s voltage law and Lagrangian principle， and the transfer function of the system was calculated through Laplace transform. Secondly， by designing the parameters of the controller， the impact of using pole configuration methods with the same amplitude on the control effect was analyzed. Finally， the advantages of this pole configuration method were verified by comparing the traditional Z‐N methods and uncontrolled methods. Through numerical simulation and experimental research， the control of angle errors generated during the startup and operation of servo motors is achieved， effectively suppressing the fluctuations of motor speed and ensuring the stability of the system.

Key words: servo motor, flexible load, pole configuration, PI controller, speed loop

中图分类号:

TH 113.1

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图/表 11

图1 考虑伺服电机输出的柔性负载转动示意图

Fig.1 Schematic diagram of flexible load rotation considering servo motor output

图2 伺服电机驱动柔性负载速度环流程图

Fig.2 Flow chart of flexible load speed loop driven by servo motors

图3 伺服电机驱动刚性负载速度环流程图

Fig.3 Flow chart of rigid load speed loop driven by servo motors

图4 伺服电机驱动刚性、柔性负载的伯德图

Fig.4 Bode diagram of rigid and flexible loads driven by servo motor

图5 基于相同幅值下的极点配置示意图

Fig.5 Schematic diagram of pole configuration based on the same amplitude

图6 整体评价指标云图（a）—带宽；（b）—谐振峰值；（c）—谐振频率.

Fig.6 Cloud chart of overall evaluation index

表1 电机柔性负载整体系统参数表

Table 1 Parameter table of the overall system of motor flexible loads

系统	参数	数值
柔性负载端	抗弯刚度EI/（N·m²）	395
	柔性负载质量m/kg	1.404
	长度l/m	1.8
	体密度ρ/（kg·m^-3）	7 800
	负载转动惯量I/（kg·m^-2）	0.898 6
	一阶模态柔性耦合系数 $K a 1$ /（kg^1/2·m）	0.958 3
	一阶模态频率 $ω 1$ /Hz	40.147 2
电机端	定子电阻r/Ω	4.0
	直轴电感L_d /H	0.002 5
	交轴电感L_q /H	0.002 5
	转子磁通量φ_f/Wb	0.341
	极对数p	4

表1 电机柔性负载整体系统参数表

Table 1 Parameter table of the overall system of motor flexible loads

系统	参数	数值
柔性负载端	抗弯刚度EI/（N·m²）	395
	柔性负载质量m/kg	1.404
	长度l/m	1.8
	体密度ρ/（kg·m^-3）	7 800
	负载转动惯量I/（kg·m^-2）	0.898 6
	一阶模态柔性耦合系数 $K a 1$ /（kg^1/2·m）	0.958 3
	一阶模态频率 $ω 1$ /Hz	40.147 2
电机端	定子电阻r/Ω	4.0
	直轴电感L_d /H	0.002 5
	交轴电感L_q /H	0.002 5
	转子磁通量φ_f/Wb	0.341
	极对数p	4

图7 极点阻尼系数对电磁输出转速影响

Fig.7 Influence of pole damping coefficient on electromagnetic output speed

图8 不同方法参数整定对比图

Fig.8 Comparison chart of parameter tuning of different methods

图9 伺服电机驱动柔性负载控制实验平台[19]

Fig.9 Servo motor driven flexible load control experimental platform[19]

图10 柔性负载控制实验结果（a）—输入-输出关系；（b）—误差曲线.

Fig.10 Experimental results of flexible load control

参考文献 19

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