1. 前言

伺服系统是以被驱动机械物体的位置、方位、姿态为被控制量，使之能根据输入目标（或给定信号）的任意变化进行自动地、连续地、精确地跟踪自动控制系统。“服从”和“追踪”就是伺服的基本特征。所以，伺服系统可认为是随动系统，它既可以是转速的随动控制，也可以是位置的随动控制^[1]。

1. 研究背景及意义

在科技高速发展的新时代，数控机床以自动化程度高、柔韧性好、加工精度高等优点，在现代制造业特别是复杂零件加工中得到广泛应用，并得到迅速的发展和普及。随着经济全球化，国内、国际市场竞争日趋激烈，用户对产品的安全、可靠、优质、功能多样化、结构精细化等的要求越来越严格，制造业向着精度更高、品种更多、批量更小、成本更低以及周期更短的生产方式发展已经成为一种必然选择，数控技术是制造业适应这种发展趋势的重要保障技术。数控机床的加工精度是衡量数控机床工作性能的重要指标，体现着机械制造业的制造能力和发展水平。同时，迅速发展的现代科学技术与机械制造科学技术的结合，也为机械制造业适应这种发展趋势提供了重要的理论和实现的技术基础^[2]、[3]。永磁同步电机结构紧凑、机电转化效率高、控制简单而且工作可靠，在伺服系统的应用中，变化的电机转动惯量会对系统的性能造成较大的影响，特别是高精密数控机床、高性能机器人等对动、静态性能要求苛刻的场合^[3]-[7]。伺服系统负载转动惯量发生变化时会影响伺服系统的控制性能，可以通过转动惯量在线辨识提高伺服系统性能，并在线自整定伺服控制器参数。

1. 国内外发展概况

现代高性能的交流伺服系统不仅对其系统性能的快速性、稳定性有要求，而且在伺服系统快速发展的今天，对其系统的抗扰性、鲁棒性，提出了更高的要求。无人化、规模化生产对加工设备提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流伺服系统具有高相应、免维护、高可靠性的特点，正好适应这一需求。在外部负载变化的情况下，伺服系统的性能会发生比较大的变化^[2]、[8]。

电机参数辨识是近年来运动控制领域比较热门的研究方向，国内外对伺服系统的转动惯量都做了大量的研究，转动惯量的辨识方法大致可以分为离线惯量辨识和在线惯性辨识两大类^[10]。转动惯量的直接计算法是在精确的电机模型基础上根据转子半径和转子密度通过计算来获得转动惯量^[11]。

国外交流伺服系统起步比国内要早，美、德、日等国的公司在1984年前后将交流伺服系统付诸实用，国内直到二十世纪八十年代末才有产品问世^[12]。伺服系统按其发展历程可以分为步进电机伺服系统、直流电机伺服系统、交流电机伺服系统。按其采用的执行元件来分，主要有感应电动机交流伺服系统、无刷直流电机交流伺服系统和三相永磁同步电动机伺服系统三种形式^[13]。而随着电机永磁材料制造工艺的快速发展，及其性能价格比的日益提高，永磁同步电机的交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，且动态特性和效率均得到提高，适合高性能的伺服驱动要求，目前已经成为伺服系统的主流^[14]。转动惯量对电机控制的准确性有着重要影响。永磁同步电动机伺服系统的控制性能受许多因素影响，如外部负载转矩突变、电机内部机械参数非线性变化以及其他不可预测扰动^[15]、[16]。

常用的转动惯量辨识方法有：人工轨迹法^[1]、模型参考自适应法^[9]、[20]、状态观测法^[17]、[21]、梯度校正法^[18]、加减速法^[22]、拓展卡尔曼滤波法^[8]、[23]。其中加减速法和人工轨迹法属于离线辨识方法，其余属于在线辨识方法^[8、24]。

四、研究方法

伺服系统转动惯量辨识方法研究以伺服系统及其负载动力学模型为基础，采用线性系统理论和系统辨识理论研究转动惯量的在线辨识算法，并采用动态仿真方法对所研究的辨识算法进行验证和分析。

主要研究规划如下：