磨削机器人关节永磁电机无传感器控制研究_柳刚.pdf

磨削机器人关节永磁电机无传感器控制研究柳刚（博众精工科技股份有限公司，江苏 苏州 ）摘要：针对磨削机器人关节永磁电机的控制问题，提出一种基于新型滑模观测器的无传感器控制策略。为增加观测器的鲁棒性及减小传统滑模观测器的抖振，该新型滑模观测器采用锁相环技术取代传统的反正切函数估算，引入 函数取代传统的 函数。该方案可以有效改善机械式传感器测量结果易受环境影响的问题，为了验证方案的有效性，基于不易受负载影响的永磁电机两相旋转坐标系，建立永磁同步电机的数学模型进行仿真分析。结果表明，设计的新型观测器能够准确实现驱动电机的转速及位置估算，且有较好的控制动态响应性能及观测精度。关键词：磨削机器人；永磁同步电机；滑模观测器；无位置传感器控制中图分类号：（，）：，：；收稿日期：作者简介：柳刚（），硕士研究生，研究方向为机器人运动控制及电机控制。引言近年来，随着“中国制造 ”战略的提出，高速高效的抛磨加工已经成为机械领域最重要的发展方向之一，国内打磨行业已经完成了从人工打磨到机器人打磨的过渡，大大提高了生产效率，改善了工人的劳作现状。为了适应磨削机器人的工作环境，开展磨削机器人高效控制对磨削机器人智能化发展具有重要意义。永磁电机作为磨削机器人重要的关节电机，其控制性能的好坏直接决定磨削机器人的磨削稳定性及磨削精度。在永磁电机驱动系统中，要实现对永磁同步电机的闭环控制，首先需要知道电机转子的位置信息。传统的定位方法是采用霍尔位置传感器、旋转编码器等机械式传感器，但引入机械式传感器后加大了永磁同步电机的尺寸和体积，同时还增加了外围硬件线路的连接，使系统易受干扰和不稳定，另一方面也增加了成本，并且磨削机器人永磁同步截割电机所处的高粉尘、强冲击的环境工况会直接影响机械传感器的性能，因此永磁同步电机的无传感器控制技术在磨削机器人中的应用就显得尤为重要。目前，在无传感器控制策略中，扩展卡尔曼滤波器观测法是一种常用的无传感器观测技术。另外，基于有效反电动势的全阶滑模观测器也可以实现对永磁同步电机转子位置和转速的估计。考虑到磨削机器人的永磁电机启停频繁，负载不断变化，本文设计一种基于新型滑模观测器的无位置传感器控制策略。该新型滑模观测器采用锁相环技术取代传统的反正切函数估算，引入 函数取代传统的 函数。通过李雅普诺夫稳定性条件得到稳定的滑模增益，可以有效解决抖振问题。磨削机器人及无位置传感器控制策略介绍磨削机器人结构如图所示，主要由机器人本体和磨削砂轮组成。其中，所有关节的转向主要采用永磁电机驱电工技术人工智能与传感技术 动，实现末端磨削机构的运动。图磨削机器人平面示意图为了实现机器人的高精度运动，需要每台永磁转向电机有反馈，但是加装传感器会增大机器人本身体积和重量，所以提出基于新型滑模状态观测器的无传感器控制，通过观测的电机电流值得到永磁电机的转子转速和位置信息，从而实现无传感器控制。旋转坐标系下永磁电机新型滑模观测器设计永磁同步电机在 旋转坐标下的数学模型为：（）式中，、分别为轴和轴电压；、分别为轴和轴电流；、分别为轴和轴电感；为电机的电角速度；为定子电阻；为微分算子；为磁链。定子电流的动态系统方程可以表示为：（）式中，可 看 作 坐 标 下 的 感 应 电动势。滑模观测器设计及稳定性条件分析为了获得式（）中感应电动势的值，可以设计为：（）（）（）式中，、分别为定子轴和轴的电流观测值；为滑模增益；为符号函数。式（）和式（）相减，可得到电流误差系统的状态方程为：（）（）（）式中，为电流观测误差。将电流误差观测方程（）改写成向量形式：（）（）采用 对电流进行估计，其滑模面函数定义为：（）根据李雅普诺夫定理，满足条件时，进入滑动模态，误差方程进入稳定状态，而且滑模面增益足够大时，可以定义等效控制：（）（）（）根据式（），可以定义等价控制量，即：（）（）（）根据滑模到达条件可以计算出滑模增益的表达式为：（）（），（）（）（）基于锁相环的转子位置估计本文设计 的目的是获得 轴感应电动势的估计值，由式（）可以看出，轴的感应电动势包含转子速度信息，即，从而根据式（）得到轴的估计值，可以获得转子速度为：（）为了得到更好的动态性能，采用 技术。由于电机的绕组是对称的，假设电机的三相定子绕组的机端电压为：（）（）（）式中，为机端电压幅值；令，且 ，为电机极对数；为电机的机械转速。根据同步旋转坐标的变换理论，将三相电压变换为 坐标系的变换矩阵为：（）（）（）（）（）（）式中，为采用 技术输出的估计相角，且。定义，为 的估计误差，只要通过适当人工智能与传感技术电工技术调节，就可以使转子位置的估计值收敛到转子位置的实际值。将变换矩阵（）代入式（），考虑中性点隔离，一般不包含零序分量，因而可得 坐标下的方程为：（）（）（）基于新型开关函数的滑模观测器优化由于上述设计的滑模观测器中采用的是理想的开关函数，因此在切换过程中这种不连续的开环特性会造成观测器中状态估计值存在较大的抖动，而同时为了增加观测器的抗干扰性，保证滑模运动的产生，滑模开关增益通常选取得过大，但这会进一步增加状态估计值中的抖振噪声。为此，对理想开关函数进行改进及采取智能控制方法，根据滑模到达的条件对开关切换增益进行有效估计，可以有效降低系统中的抖振噪声。首先改进上述设计的滑模观测器中的理想开关函数，根据滑模到达条件对开关切换增益进行有效估计，新型 函数为：（）（）式（）中，为可调参数，大于零，当取不同值时，边界层内函数的曲线是不同的。值越大，边界层变化率增加，曲线变陡，接近理想的开关函数，由于 函数具有连续的开关特性，因此可以在一定程度上抑制抖振。本文取，因此滑模观测器可以写为：（）（）（）仿真分析为验证本文所设计的新型滑模观测器的观测效果及鲁棒性，同时验证无传感器控制策略的有效性，采用离散化方法搭建仿真模型。需要对连续时间系统进行离散化，采用反向差分变换法对电流观测方程式进行离散化，可得：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）其中，（），（），（），（）。永磁电机仿真的主要参数为：绕组电阻 ，直轴电感 ，交轴电感 ，永磁体磁链 ，额定电压为 ，极对数，转动惯量为 。根据图所示的基于 的无传感器控制框图，利用 调节器估计转子的位置信息，在 环境下搭建仿真模型。速度环 控制中比例系数 ，积分系数；直轴电流环 控制中比例系数 ，积分系数 ；交轴电流环 控制中比例系数，积分系数 。图基于滑模观测器的无传感控制框图通过 搭建仿真模型，速度设置为 ，分别得到不加载和加载的永磁电机转子速度和位置曲线如图、图所示。图 无负载下电机转子速度和位置图从图可以看出，当电机加速到 时，转速基本维持在 左右波动，估计值和实际值之间的差值低于 ；转子位置估计值和实际值差较小，平稳工况下位置估计误差在 以内。这说明所搭建的观测器具有较好的观测效果。从图可以看出，电机加速到 时，转速基本维持在 左右波动，当在 加入负载后，速度随之有较大波动，但速度估计值和实际值之间的差值仍低于 ；转子位置估计值和实际值差较小，电工技术人工智能与传感技术 图突变工况下电机转子速度和位置图加载瞬间小于 ，平稳工况下位置估计误差在 以内。这说明所搭建的观测器即使有负载突变仍具有较好的观测效果，适合于磨削机器人使用。结语本文针对磨削机器人关节永磁驱动电机提出了一种基于新型滑模观测器估算永磁同步电机的转子速度和位置实现无位置传感器控制的策略。为了减小抖振，新型滑模观测器中通过锁相环技术取代反正切函数估算，通过 函数取代 函数。建立永磁电机的数学模型，通过改变永磁电机末端负载验证了新型滑模观测器具有很好的动态响应效果及无传感器控制策略的有效性。参考文献 丁国龙，沈观成，王贵勇，等基于无瞬心包络法的砂轮磨削圆弧直槽的研究 组合机床与自动化加工技术，（）：，；，陆华才，徐月同 基于 的永磁直线同步电机速度和位置估计算法中国电机工程学报，（）：张兴，郭磊磊，杨淑英，等永磁同步发电机无速度传感器控制 中国电机工程学报，（）：陆婋泉，林鹤云，冯奕，等永磁同步电机无传感器控制的软开关滑模观测器电工技术学报，（）：，（）：肖飞，袁雷，王令辉，等大功率永磁低速同步电机的无传感器控制电力电子技术，（）：（上接第 页）概率分布储能容量优化配置电气自动化，（）：孙阔，张雪菲，迟福建，等光伏电站复合储能电压波动抑制双层优化控制方法可再生能源，（）：辛月杰，周云海，贾倩，等考虑储能装置容量安全差值的日前优化调度科学技术与工程，（）：林达，钱平，张雪松，等考虑储能寿命特性的综合能源系统经济灵活多目标优化运行策略 浙江电力，（）：育飞，叶俊斌，薛花，等基于改进雨流计数法的梯次利用电池储能系统优化控制电力系统自动化，（）：李英量，蔡鹤鸣，王康，等 改善不平衡配电网电压质量的分布式储能序次优化配置方法 电力建设，（）：张超，康慨，卢胜，等兼顾储能系统热管理与电池寿命的可再生能源储能电站经济调度储能科学与技术，（）：刘志宏，赵杰行，薛鹏飞，等面向偏远地区供电可靠性提升的配网储能电站机会约束规划方法电网与清洁能源，（）：张德隆，蒋思宇，等基于概率潮流的光伏电站中储能系统的优化配置方法储能科学与技术，（）：潘乐真，赵璞，郑思源，等基于信息间隙决策理论的储能电站鲁棒优化配置电力工程技术，（）：人工智能与传感技术电工技术