CN101699763B - 交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法，该转动惯量辨识方法采用速度指令生成器、电机和负载并包括以下步骤：交流永磁同步电机伺服系统产生使能，使能进行转动惯量辨识功能，用户设定转动惯量辨识持续的时间；速度指令生成器产生第一加速度的正向的匀加速指令，使电机加速到第一转速；速度指令生成器产生第二加速度的正向的匀加速指令，使电机加速到第二转速；速度指令生成器产生第三加速度的正向的匀减速指令，使电机减速到第一转速；速度指令生成器产生第四加速度的正向的匀减速指令，使电机减速到转速为零，至此一个正向转动惯量辨识循环完成。本发明在转动惯量辨识过程中保证较高的辨识精度。

Description

交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法

技术领域

本发明涉及一种交流永磁同步电机伺服系统，特别涉及一种交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法。

背景技术

在实际生产现场中，交流永磁同步电机伺服系统存在机械和电气相互配合的问题。当电机所带的负载转动惯量变化时，会对系统的伺服特性造成明显的影响。转动惯量加大会使系统响应变慢，容易造成系统不稳定，产生爬升现象；转动惯量减小虽然会使系统动态响应速度加快，但会使速度出现超调甚至震荡现象。为达到伺服系统高精度控制的良好动态和静态特性，需要辨识出转动惯量值及其变化量，再据此相应地调整控制器的参数。

申请号为CN200810018783.0的发明专利“交流伺服系统的转动惯量辨识方法”提供了一种转动惯量辨识方法，其采用的技术手段为：将负载惯量与电机的转子惯量看作一个整体惯量，伺服系统进行加减速运动，得出此段时间内的系统输出转矩和电机平均转速，由系统输出转矩得到伺服系统平均转矩，再根据电机平均转速、伺服系统平均转矩和系统加减速运行的总时间，得到所述整体惯量的值，即辨识出交流伺服系统的转动惯量。

但是，按照上述这个方法设计的转动惯量辨识器存在以下两点不足：

A、在辨识过程中交流伺服系统加减速运行时，如果其负载转矩是无规则实时变化的，也就是说当加速过程的负载转矩与减速过程的负载转矩是不对称时，或者是相差很大时，就会导致辨识结果远远偏离真实结果的现象；

B、如果系统的转动惯量在加减速运行时发生变化，上述转动惯量辨识器是无法辨识出这个转动惯量变化的，甚至会辨识出一个错误的结果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的缺陷，提供一种交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法，其在转动惯量辨识过程中，在负载转矩无规则变化条件下，保证转动惯量辨识的成功完成，并保证较高的辨识精度；而且还可以在转动惯量辨识过程中，在系统的转动惯量(即电机与负载的转动惯量之和)无规则变化的条件下，保证转动惯量辨识的成功完成，将转动惯量的变化量辨识出来并加以记录；另外，本发明使转动惯量辨识过程所必需的电机行程尽可能的小，以满足绝大多数的应用场合中机械行程限制的要求。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法，其特征在于，该转动惯量辨识方法采用速度指令生成器、电机和负载，该转动惯量辨识方法包括以下步骤：

S1、交流永磁同步电机伺服系统产生使能，使能进行转动惯量辨识功能，用户设定转动惯量辨识持续的时间；

S2、速度指令生成器产生第一加速度的正向的匀加速指令，使电机加速到第一转速；

S3、当电机加速到第一转速后，速度指令生成器产生第二加速度的正向的匀加速指令，使电机加速到第二转速；

S4、当电机加速到第二转速后，速度指令生成器产生第三加速度的正向的匀减速指令，使电机减速到第一转速；

S5、当电机减速到第一转速后，速度指令生成器产生第四加速度的正向的匀减速指令，使电机减速到转速为零，至此一个正向转动惯量辨识循环完成；

S6、当一个正向转动惯量辨识循环完成后，如果用户选择电机是以正反向交替旋转方式进行辨识，那么速度指令生成器生成一个与正向循环正好对称的反向转动惯量辨识循环指令，至此一个转动惯量辨识循环完成；

S7、判断此时转动惯量辨识的持续时间是否达到步骤S1中用户设定的时间，如果没有达到则重复上面从步骤S2到步骤S6的过程，继续转动惯量辨识直至达到用户设定的时间。

优选地，所述第二加速度大于第一加速度。

优选地，所述第三加速度与第二加速度为相反数。

优选地，所述第四加速度与第一加速度为相反数。

优选地，所述转动惯量辨识方法是通过一个转动惯量计算器计算出转动惯量，计算公式如下：

$J=[{\∫}_T^{2T}{T}_m\left(t\right)\·\mathrm{tdt}-{\∫}_0^T{T}_m\left(t\right)\·\mathrm{tdt}]/({\mathrm{\ω}}_2-2{\mathrm{\ω}}_1)$

其中：J为转动惯量，ω₁为第一转速，ω₂为第二转速，T_m(t)为随时间变化的系统输出转矩，T为第一加速阶段和第二加速阶段的指令时间，t为实际转动时间。

优选地，所述第一、第二、第三、第四加速度的正向的匀加速指令的时间是相同的。

优选地，所述时间为10毫秒。

优选地，所述用户根据使用的场合选择始终正向转动的转动惯量辨识过程或选择正反向转动交替进行的转动惯量辨识过程，正向转动与反向转动是完全对称的。

本发明的积极进步效果在于：本发明在转动惯量辨识过程中的加减速运行时，无论负载转矩是恒定的还是无规则变化的，只要负载转矩变化时间比转动惯量辨识过程的加速阶段的时间长，也就是说只要负载转矩变化时间长于20毫秒，本发明都可以成功辨识转动惯量，并且可以保证较高的辨识精度，由于工业实际应用中的负载转矩变化时间普遍长于20毫秒，于是本发明可以适合绝大多数的工业应用场合，减速阶段与加速阶段的原理是相同的。另外，本发明在转动惯量辨识过程中加速时间非常短暂，如果转动惯量变化的周期不快于20毫秒，也就是转动惯量变化的周期比转动惯量辨识过程的加速阶段的时间长，本发明就可以辨识出转动惯量的变化，并且可以辨识出转动惯量的变化量，而且不会因为转动惯量的变化而降低辨识值的精度。

附图说明

图1为本发明方法采用的交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器的结构框图。

图2为本发明交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法的流程图。

图3为本发明以正反方向交替旋转方式进行辨识转动惯量时的速度指令的示意图。

图4为本发明以一个方向旋转方式进行辨识转动惯量时的速度指令的示意图。

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

如图1所示，本发明方法采用的交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器包括以下七个部分：速度指令生成器、速度控制器、转矩控制器、转动惯量计算器、数字低通滤波器、存储显示器、电机和负载。转矩环是速度环的内环，速度指令生成器的一路输出作为速度控制器的输入，另一路输出作为转动惯量计算器的输入，速度控制器的输出作为转矩控制器的输入，转矩控制器的输出作为电机和负载的输入，电磁转矩克服负载转矩使电机带动负载旋转，转矩控制器每隔固定周期(电流环的采样周期)将电磁转矩的数值大小传输到转动惯量计算器，转动惯量计算器的输出作为数字低通滤波器的输入，数字低通滤波器的输出作为存储显示器的输入。其中，速度指令生成器、速度控制器、转矩控制器、电机和负载顺序连接，转矩控制器、速度指令生成器都还与转动惯量计算器连接，转动惯量计算器还与数字低通滤波器连接，数字低通滤波器还与存储显示器连接。

在转动惯量辨识过程中，速度指令生成器首先产生两段加速度不同的正向斜坡速度指令，分别称为第一加速阶段和第二加速阶段，在第一加速阶段时使电机转速由0rpm(rad per minute，转速单位)加速到20rpm，在第二加速阶段时使电机由20rpm加速到60rpm，其中第二加速阶段的加速度(也就是速度曲线的斜率)是第一加速阶段的加速度的两倍(其他倍率也可以，但绝对不能使两个加速度相同，这个倍率是出厂前设置好的无需用户设定，设计两个不同加速度的加速阶段是本发明的一个独有特点)，第一加速阶段和第二加速阶段的时间都是10毫秒(第一加速阶段和第二加速阶段的时间的一致性是实现本发明的一个基础，因为在转动惯量辨识过程中速度指令是由设计者规定的，用户是不可以更改的，所以这点是完全可以保证的)，再产生与第一加速阶段和第二加速阶段相对称的第一减速阶段和第二减速阶段的速度指令，其实这里加速阶段和减速阶段的速度指令即使不对称对转动惯量的辨识也没有影响。最后产生与正向速度指令相对称的反向速度指令，这样就完成一个速度指令的循环。本发明可以根据用户需要设置1到1000任意多个速度指令的循环，一个速度指令的循环就可以完成一个转动惯量辨识，测量多次的好处在于可以辨识出转动惯量的变化量。

速度控制器使整个交流永磁同步电机伺服系统可以实现速度闭环，使电机的实际转速可以很好地跟随速度指令，也就是说使电机的实际转速与速度指令是一致的。转矩控制器使整个交流永磁同步电机伺服系统可以实现闭环，使电机的实际转矩可以很好地跟随转矩指令，也就是说使电机的实际转矩与转矩指令是一致的，交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器还包括一个转矩指令生成器，转矩指令生成器产生转矩指令。转动惯量计算器每隔固定周期检测交流永磁同步电机伺服系统的速度指令和转矩指令，由此计算出该系统的转动惯量结果。数字低通滤波器对交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量结果做低通滤波，滤除掉高频的干扰和杂波，并将在不同速度指令的循环中辨识出的不同的转动惯量结果以序列的形式传送到存储显示器。存储显示器将辨识出的转动惯量结果与时间对应起来作为一个序列存储起来并显示。

根据动量定理，在忽略摩擦粘滞阻力影响的条件下，转动惯量×角速度变化量+负载转矩与时间之积的积分＝系统输出转矩与时间之积的积分，具体公式表达如公式(1)：

$J\·\mathrm{\Δ\ω}+{\∫}_{t_1}^{t_2}{T}_L\left(t\right)\·\mathrm{tdt}={\∫}_{t_1}^{t_2}{T}_m\left(t\right)\·\mathrm{tdt}---\left(1\right)$

其中：J为转动惯量，Δω为角速度变化量，T_L(t)为随时间变化的负载转矩，T_m(t)为随时间变化的系统输出转矩，t₂为终止时刻，t₁为起始时刻，t为实际转动时间。

以第一加速阶段和第二加速阶段为例讲解转动惯量辨识方法的理论推导，在减速阶段与加速阶段在原理上是相同的，在第一加速阶段时应用公式(1)得到公式(2)：

$J\·({\mathrm{\ω}}_1-0)+{\∫}_0^T{T}_L\left(t\right)\·\mathrm{tdt}={\∫}_0^T{T}_m\left(t\right)\·\mathrm{tdt}---\left(2\right)$

在第二加速阶段时应用公式(1)得到公式(3)：

$J\·({\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1)+{\∫}_T^{2T}{T}_L\left(t\right)\·\mathrm{tdt}={\∫}_T^{2T}{T}_m\left(t\right)\·\mathrm{tdt}---\left(3\right)$

其中，ω₁为第一加速度阶段的末速度(简称“第一转速”)，ω₂为第二加速度阶段的末速度(简称“第二转速”)，T为第一加速阶段和第二加速阶段的指令时间；

将第一加速阶段的公式(2)与第二加速阶段的公式(3)作差求得转动惯量J，因为在实际应用中转矩的变化一般不会快于20毫秒，也就是说可以近似认为第一加速阶段的∫₀ ^TT_L(t)·tdt项与第二加速阶段的∫_T ^2TT_L(t)·tdt项是相等的，于是得到公式(4)：

$J=\frac{{\∫}_T^{2T}{T}_m\left(t\right)\·\mathrm{tdt}-{\∫}_0^T{T}_m\left(t\right)\·\mathrm{tdt}}{({\mathrm{\ω}}_2-2{\mathrm{\ω}}_1)}---\left(4\right)$

本发明的第一加速阶段和第二加速阶段的加速时间分别都是10毫秒，正是由于加速时间这么短暂，本发明才可以做到：在转动惯量辨识过程中的加减速运行时，无论负载转矩是恒定的还是无规则变化的，只要负载转矩变化时间比转动惯量辨识过程的加速阶段的时间长，本发明都可以成功辨识转动惯量，并且可以保证较高的辨识精度，减速阶段与加速阶段的原理是相同的。也正是由于本发明在转动惯量辨识过程中加速时间非常短暂，如果转动惯量变化的周期不快于20毫秒，也就是转动惯量变化的周期比转动惯量辨识过程的加速阶段的时间长，本发明就可以辨识出转动惯量的变化，并且可以辨识出转动惯量的变化量，而且不会因为转动惯量的变化而降低辨识值的精度。

如图2所示，本发明交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法包括以下步骤：

S1、交流永磁同步电机伺服系统产生使能，使能进行转动惯量辨识功能，用户设定转动惯量辨识持续的时间。

S2、速度指令生成器产生第一加速度为a₁的正向的匀加速指令，持续T时间使电机加速到第一转速为ω₁，此为第一加速阶段。在本发明中时间T设置为10毫秒，设置T为非常短的时间为辨识出转动惯量的变化提供了基础，也就是说如果转动惯量变化的周期不快于20毫秒，那么本发明就可以准确的检测出转动惯量的变化量，而实际中由于机械系统的惯性存在，转动惯量的变化很少会快于20毫秒，所以可以适应绝大多数应用场合，这是一个很重要的特点。在此阶段中转动惯量计算器检测系统的输出转矩T_m的值，并与时间相乘后作T时间内的定积分得到∫₀ ^TT_m(t)·tdt。

S3、当电机加速到第一转速为ω₁后，速度指令生成器产生第二加速度为a₂的正向的匀加速指令，a₁＜a₂，持续时间T使电机加速到第二转速为ω₂，此为第二加速阶段。在此阶段中转动惯量计算器检测系统的输出转矩T_m的值，并与时间相乘后作T时间内的定积分得到∫_T ^2TT_m(t)·tdt，再将∫_T ^2TT_m(t)·tdt减去∫₀ ^TT_m(t)·tdt的差值除以ω₂与2ω₁的差值，就得到在这个加速过程进行时的转动惯量值。

S4、当电机加速到第二转速为ω₂后，速度指令生成器产生第三加速度为a₃的正向的匀减速指令，也就是说a₃＝-a₂，持续时间T使电机减速到第一转速为ω₁，此为第一减速阶段。在此阶段中转动惯量计算器检测系统的输出转矩T_m的值，并与时间相乘后作T时间内的定积分得到∫_2T ^3TT_m(t)·tdt。

S5、当电机减速到第一转速为ω₁后，速度指令生成器产生第四加速度为a₄的正向的匀减速指令，也就是说a₄＝-a₁，持续时间T使电机减速到转速为0，此为第二减速阶段，至此一个正向转动惯量辨识循环完成。在此阶段中转动惯量计算器检测系统的输出转矩T_m的值，并与时间相乘后作T时间内的定积分得到∫_3T ^4TT_m(t)·tdt，再将∫_3T ^4TT_m(t)·tdt减去∫_2T ^3TT_m(t)·tdt的差值除以ω₂与2ω₁的差值，就得到在这个减速过程进行时的转动惯量值。

S6、当一个正向转动惯量辨识循环完成后，如果用户选择电机是以正反向交替旋转方式进行辨识，那么速度指令生成器生成一个与正向循环正好对称的反向转动惯量辨识循环指令，也就是说除了转动方向相反外，其他都相同，如图3所示，至此一个转动惯量辨识循环完成。

这样的优势在于：当用户选择以正反向交替旋转方式进行辨识时，电机所需的最大行程为0.0125转，也就是说电机轴在一个很小的角度内以一个很快的频率正反摆动，此时特别适用于机械结构限制电机无法大角度旋转的应用场合。如果用户选择以一个方向旋转方式进行转动惯量辨识，那么速度指令生成器就继续生成一个与前面循环完全相同速度指令循环，如图4所示，这样可以在于某些机械应用场合下，随着电机的旋转的行程的不同，机械结构位置关系会发生变化，也就是说系统的转动惯量会随着电机行程不同而变化，这时就不应该选择电机以正反向交替旋转方式辨识转动惯量，而应选择以一个方向旋转方式进行辨识，于是随着辨识过程的持续，电机行程随之增加，这样就可以辨识出电机轴旋转在不同行程位置时所对应的不同转动惯量。但是此时用户需要注意选择正确的旋转行程，保证不会出现机械超程碰撞情况。这个可以根据用户使用场合的不同，来选择在转动惯量辨识过程中两种不同的电机旋转方式，是本发明特有的功能和优势。

S7、判断此时转动惯量辨识的持续时间是否达到步骤S1中用户设定的时间，如果没有达到则重复上面从步骤S2到步骤S6的过程，继续转动惯量辨识直至达到用户设定的时间。

其中，用户可以根据使用的场合选择始终正向转动的转动惯量辨识过程，也可以选择正反向转动交替进行的转动惯量辨识过程，其中正向转动与反向转动是完全对称的。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法，其特征在于，该转动惯量辨识方法采用速度指令生成器、转动惯量计算器、存储显示器、电机和负载，转动惯量计算器每隔固定周期检测交流永磁同步电机伺服系统的速度指令和转矩指令，由此计算出该系统的转动惯量结果，将在不同速度指令的循环中辨识出的不同的转动惯量结果以序列的形式传送到存储显示器；该转动惯量辨识方法包括以下步骤：

S1、交流永磁同步电机伺服系统产生使能，使能进行转动惯量辨识功能，用户设定转动惯量辨识持续的时间；

S2、速度指令生成器产生第一加速度的正向的匀加速指令，使电机加速到第一转速，在此阶段中转动惯量计算器检测系统的输出转矩T_m的值，并与时间相乘后作T时间内的定积分得到

S3、当电机加速到第一转速后，速度指令生成器产生第二加速度的正向的匀加速指令，使电机加速到第二转速，第一加速度和第二加速度不同，第一加速度和第二加速度的正向的匀加速指令的时间是相同的；在此阶段中转动惯量计算器检测系统的输出转矩T_m的值，并与时间相乘后作T时间内的定积分得到

再将

减去

的差值除以ω₂与2ω₁的差值，就得到在这个加速过程进行时的转动惯量值，具体公式如下：

$J=\frac{{\∫}_T^{2T}{T}_m\left(t\right)\·\mathrm{tdt}-{\∫}_0^T{T}_m\left(t\right)\·\mathrm{tdt}}{({\mathrm{\ω}}_2-{2\mathrm{\ω}}_1)}$

其中：J为转动惯量，T_m(t)为随时间变化的系统输出转矩，t为实际转动时间；ω₁为第一转速，ω₂为第二转速，T为第一加速阶段和第二加速阶段的指令时间；

S4、当电机加速到第二转速后，速度指令生成器产生第三加速度的正向的匀减速指令，使电机减速到第一转速，在此阶段中转动惯量计算器检测系统的输出转矩T_m的值，并与时间相乘后作T时间内的定积分得到

S5、当电机减速到第一转速后，速度指令生成器产生第四加速度的正向的匀减速指令，使电机减速到转速为零，至此一个正向转动惯量辨识循环完成，第三加速度和第四加速度不同，第三加速度和第四加速度的正向的匀减速指令的时间是相同的；在此阶段中转动惯量计算器检测系统的输出转矩T_m的值，并与时间相乘后作T时间内的定积分得到

再将减去

的差值除以ω₂与2ω₁的差值，就得到在这个减速过程进行时的转动惯量值；

S6、当一个正向转动惯量辨识循环完成后，如果用户选择电机是以正反向交替旋转方式进行辨识，那么速度指令生成器生成一个与正向循环正好对称的反向转动惯量辨识循环指令，至此一个转动惯量辨识循环完成；

S7、判断此时转动惯量辨识的持续时间是否达到步骤S1中用户设定的时间，如果没有达到则重复上面从步骤S2到步骤S6的过程，继续转动惯量辨识直至达到用户设定的时间。

2.如权利要求1所述的交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法，其特征在于，所述第二加速度大于第一加速度。

3.如权利要求1所述的交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法，其特征在于，所述第三加速度与第二加速度成相反数。

4.如权利要求1所述的交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法，其特征在于，所述第四加速度与第一加速度成相反数。

5.如权利要求1所述的交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法，其特征在于，所述转动惯量辨识方法是通过一个转动惯量计算器计算出转动惯量，计算公式如下：

$J=[{\∫}_T^{2T}{T}_m\left(t\right)\·\mathrm{tdt}-{\∫}_0^T{T}_m\left(t\right)\·\mathrm{tdt}]/({\mathrm{\ω}}_2-{2\mathrm{\ω}}_1)$

其中：J为转动惯量，ω₁为第一转速，ω₂为第二转速，T_m(t)为随时间变化的系统输出转矩，T为第一加速阶段和第二加速阶段的指令时间，t为实际转动时间。

6.如权利要求1所述的交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法，其特征在于，所述第一加速度和第二加速度的正向的匀加速指令、第三加速度和第四加速度的正向的匀减速指令的时间都为10毫秒。

7.如权利要求1所述的交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法，其特征在于，所述用户根据使用的场合选择始终正向转动的转动惯量辨识过程或选择正反向转动交替进行的转动惯量辨识过程，正向转动与反向转动是完全对称的。

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