CN102355193A - 交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置及辨识方法 - Google Patents

Abstract

交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置及辨识方法，属于伺服电机控制技术领域。它解决了现有对电机的转动惯量辨识均是在离线状态下辨识负载机械系统转动惯量，无法根据系统当前状况实时调整系统控制参数的问题。本发明装置由位置控制器、速度控制器、转矩控制器、电机和负载单元、光电编码器、微分单元、正弦信号生成器和转动惯量辨识单元组成；方法为在电机系统的生产运行过程中，向位置环电机给定位置信号注入幅值较小的谐波指令，提取相应频率分量的电机位置角及转矩控制信号，实现对转动惯量的在线辨识。本发明适用于交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识。

Description

交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置及辨识方法

技术领域

本发明涉及一种交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置及辨识方法，属于伺服电机控制技术领域。

背景技术

近年来，交流永磁伺服系统越来越多的应用于要求高精度、高性能的中小功率伺服领域。由于其自身惯量小，控制精度高等特点，使负载机构转动惯量的改变在很大程度上影响了伺服系统的性能。当伺服系统在实际应用时出现电气和机械参数不匹配时，需要根据实际运行状况调节控制器的参数，以满足生产应用对伺服系统性能的要求。而这种参数调节往往要求有一定专业知识的技术人员进行操作，且当应用条件改变或负载惯量变化时，都需要重新进行参数调节，这对交流永磁伺服系统的应用产生了一定限制。特别是当实际生产应用中的负载机构转动惯量在系统生产运行过程中发生变化时，能否立刻根据当前运行状况调节控制器参数，对于系统性能的提高起到重要作用。为了使永磁交流伺服系统广泛应用于工业生产中，实时、快速、准确地辨识出系统的负载惯量，并自动调节响应的控制器参数，是对伺服系统的性能满足生产应用的要求。

中国专利《基于惯量辨识的交流伺服系统速度环控制参数自整定方法》，公开号为CN101989827A，公开日为20110323，主要提出了一种基于观测器的参数自整定方法，该专利的重点在于参数自整定的方法。而其惯量辨识方法是基于负载观测器的迭代方式进行负载惯量估计，观测器需要针对被控对象参数进行设计，使用较为复杂，观测器中含有的微分环节容易放大噪声，产生干扰，进而影响辨识准确性。

中国专利《交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法》，公开号为CN101699763A，公开日为20100428，该方法是在离线条件下，使电机按照给定的特殊速度轨迹运转，并对相应的电磁转矩进行积分来求得惯量。该方法存在一个假设：在辨识过程中，采用很短的辨识周期，并近似认为在辨识周期内负载转矩和负载惯量都是常值。但是，当实际系统中惯量较大时，电机转速可能无法在较短的辨识周期内达到转速给定值。如果调节器参数设置不够合理，在较低转速时，电机的反馈转速和转矩可能存在振荡，限制了辨识精度。此外，电机由静止转为运动时，摩擦阻力由静摩擦力转为动摩擦力且变化较大，而动摩擦力又与速度有关，该方法忽略了摩擦力变化以及粘滞阻力，这在一定程度上也影了响辨识精度。

中国专利《交流伺服系统的转动惯量辨识方法》，公开号为CN101231207A，公开日为20080730，该专利中解决转动惯量辨识的技术手段是：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。但是这个方法存在两点不足：第一，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的，或者说相差很大时，就会导致辨识结果远远偏离真实结果；第二，如果系统的转动惯量在加减速运行时发生变化，上述方法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。

以上三个专利中的惯量辨识方法均是在离线状态下辨识负载机械系统转动惯量，无法做到在系统生产运行过程中在线辨识负载机构转动惯量。因此，也无法根据系统当前状况实时调整系统控制参数，优化系统性能。

发明内容

本发明为了解决现有对电机的转动惯量辨识均是在离线状态下辨识负载机械系统转动惯量，无法根据系统当前状况实时调整系统控制参数的问题，提供一种交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置及辨识方法。

本发明所述交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置，它包括位置控制器、速度控制器、转矩控制器、电机和负载单元和光电编码器，它还包括微分单元、正弦信号生成器和转动惯量辨识单元，

正弦信号生成器输出的正弦波信号与电机给定位置信号叠加后生成控制信号输入给位置控制器的控制信号输入端，位置控制器的位置控制信号输出端连接速度控制器的速度控制信号输入端，速度控制器的转矩控制信号输出端连接转矩控制器的转矩控制信号输入端，转矩控制器的PWM电压信号输出端连接电机和负载单元的PWM电压信号输入端，电机和负载单元的电机转子位置信号输出端连接光电编码器的电机转子位置信号输入端，光电编码器用于采集电机和负载单元中电机的转子位置信号，光电编码器的转子位置信号输出端连接转动惯量辨识单元的转子位置信号输入端；

电机和负载单元的转矩反馈信号输出端连接转矩控制器的转矩反馈信号输入端；

转动惯量辨识单元的转矩信号输入端连接速度控制器的转矩控制信号输出端；

位置控制器的电机转子位置反馈信号输入端连接光电编码器的电机转子位置信号输出端；

光电编码器的电机转子位置反馈信号输出端连接微分单元的电机转子位置信号输入端，微分单元的电机转速信号输出端连接速度控制器的电机转速反馈信号输入端。

本发明所述基于上述交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置的辨识方法，

使电机工作在位置环闭环控制状态，由正弦信号生成器生成频率为ω幅值为A^*的正弦波信号A^*cos(ωt)，式中t表示时间，该正弦波信号的幅值A^*小于或等于2π/100rad；

该正弦波信号与电机给定位置信号叠加后生成控制信号发送给位置控制器，该位置控制器根据所述控制信号及光电编码器发送的电机转子位置信号计算获得当前的位置控制信号，

光电编码器输出的转子位置信号经微分单元微分获得当前电机转速信号，

速度控制器根据输入的当前的位置控制信号及当前电机转速信号计算获得转矩控制信号，转矩控制器根据输入的转矩控制信号和转矩反馈信号计算获得PWM电压信号，电机和负载单元的电机在该PWM电压信号的作用下带动负载旋转，安装在所述电机转轴上的光电编码器由电机的旋转获得电机转子位置信号，转动惯量辨识单元根据输入的电机转子位置信号及转矩控制信号根据下式计算获得转动惯量J：

$J=\frac{2\stackrel{\‾}{{\∫T}_{\mathrm{ref}0}\mathrm{dt}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}}{{\mathrm{\ω}}^2{A}^2},$

式中T_ref0表示速度控制器输出的转矩控制信号在频率ω下的分量，

t表示时间，

θ表示光电编码器输出的电机转子位置信号，

A表示电机转子位置信号在频率ω下的分量幅值。

所述转动惯量J的计算公式

的获得方法为：

假设电机和负载单元以周期T_p作周期反复运动，则ω＝2π/T_p，电机和负载单元满足下式：

$J\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+D\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=T_{\mathrm{ref}}-T_L,$

式中D表示电机机械系统中粘滞摩擦系数，

T_ref表示速度控制器输出的转矩控制信号，

T_L表示常值转矩负载；

使用快速傅里叶变换从式

中提取转矩控制信号在频率ω下的分量，此时常值转矩负载T_L在频率ω下的分量为0，于是得到：

$J{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_0+D{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_0=T_{\mathrm{ref}0},$

式中θ₀表示光电编码器输出的电机转子位置信号的基波频率分量，电机转子位置信号的基波频率分量θ₀为：

θ₀＝Acos(ωt+φ)，

式中φ为电机转子位置信号的相位，设定φ值为0，上式简化成：

θ₀＝Acosωt，

由公式θ₀＝Acosωt与

获得：

T_ref0＝-ω²AJcosωt-ωADsinωt，

将上式做一阶时域积分得到：

∫T_ref0dt＝-ωAJsinωt+ADcosωt，

将上式与转速做积然后取平均值可得：

$\stackrel{\‾}{{\∫T}_{\mathrm{ref}0}\mathrm{dt}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}^2{A}^{2}J{\sin }^2\mathrm{\ωt}-\mathrm{\ω}{A}^{2}D\cos \mathrm{\ω}t\sin \mathrm{\ωt}}$

$=\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}^2{A}^{2}J\left(\frac{1-\cos 2\mathrm{\ωt}}{2}\right)+{\mathrm{\ωA}}^{2}D\frac{\sin 2\mathrm{\ωt}}{2}},$

$=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{A}^{2}J}{2}$

进而获得转动惯量J：

$J=\frac{2\stackrel{\‾}{{\∫T}_{\mathrm{ref}0}\mathrm{dt}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}}{{\mathrm{\ω}}^2{A}^2}.$

本发明的优点是：本发明采用基于谐波注入的方式进行在线转动惯量辨识，它是在电机系统的生产运行过程中，向位置环电机给定位置信号注入幅值较小的谐波指令，提取相应频率分量的电机位置角及转矩控制信号，可以实现对转动惯量的在线辨识。本发明方法的辨识结果不受负载转矩、负载惯量和粘滞摩擦力等因素的影响，可在实际生产过程中进行在线辨识，对系统响应过程没有特殊要求，例如系统在加减速、稳速阶段均可获取负载惯量信息。本发明装置及方法中，注入位置谐波的幅值较小，经系统惯量吸收后实际响应会更小，因此不会对正常的生产造成影响。

本发明针对目前没有明确的在线负载转动惯量辨识方法，提供了一种基于谐波注入方式的转动惯量辨识方法，该方法具有较高的辨识精度。本发明方法采用在线辨识，对电机系统的位置、速度轨迹没有特殊要求，极大的扩展了交流永磁伺服系统的应用范围。

针对现有技术中进行转动惯量辨识都将粘滞摩擦力忽略，而对辨识精度产生一定影响的问题，本发明所采用的辨识方法保证了粘滞摩擦力与最终的辨识结果无关，提高了辨识精度。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明装置的连接结构框图；

图3为本发明转动惯量辨识过程中的位置指令和反馈波形图，位置给定为在0至0.15s时间内转子位置由0rad定位到45rad，在0.3至0.45s时间内转子位置由45rad定位到0rad；图中P为位置给定，Q为位置反馈；

图4为本发明转动惯量辨识过程中图3在0.2至0.25s的局部放大图，图中P为位置给定，Q为位置反馈；

图5为本发明方法在0.2s至0.25s时间段提取出的特定频率下的位置指令和反馈波形图；

图6为本发明方法的辩识结果波形图；图中X为转动惯量实际值，Y为转动惯量辨识值。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置，它包括位置控制器1、速度控制器2、转矩控制器3、电机和负载单元4和光电编码器5，它还包括微分单元6、正弦信号生成器7和转动惯量辨识单元8，

正弦信号生成器7输出的正弦波信号与电机给定位置信号叠加后生成控制信号输入给位置控制器1的控制信号输入端，位置控制器1的位置控制信号输出端连接速度控制器2的速度控制信号输入端，速度控制器2的转矩控制信号输出端连接转矩控制器3的转矩控制信号输入端，转矩控制器3的PWM电压信号输出端连接电机和负载单元4的PWM电压信号输入端，电机和负载单元4的电机转子位置信号输出端连接光电编码器5的电机转子位置信号输入端，光电编码器5用于采集电机和负载单元4中电机的转子位置信号，光电编码器5的转子位置信号输出端连接转动惯量辨识单元8的转子位置信号输入端；

电机和负载单元4的转矩反馈信号输出端连接转矩控制器3的转矩反馈信号输入端；

转动惯量辨识单元8的转矩信号输入端连接速度控制器2的转矩控制信号输出端；

位置控制器1的电机转子位置反馈信号输入端连接光电编码器5的电机转子位置信号输出端；

光电编码器5的电机转子位置反馈信号输出端连接微分单元6的电机转子位置信号输入端，微分单元6的电机转速信号输出端连接速度控制器2的电机转速反馈信号输入端。

本实施方式中，当用户给定位置指令对电机进行伺服驱动时，正弦信号生成器7生成特定频率，且频率与位置指令不同的正弦波信号，将两者叠加作为伺服系统总的位置信号对电机进行伺服控制。然后由外环向内环依次经过位置控制器1、速度控制器2和转矩控制器3的调节最终得到应用于逆变器的驱动信号。其中位置和速度反馈信号需要有高精度光电编码器5提供。当电机按照预定位置指令进行伺服运动时，采集特定频率下的转矩指令和位置反馈信号，可以实时得到负载惯量的辨识结果。

本实施方式中，各部件的的功能：

1、正弦信号生成器7：产生特定频率下的正弦波信号，其频率较高且幅值较小，这样做的目的是为了减小对实际生产应用的影响。

2、位置控制器1：位置控制器根据位置指令信号与光电编码器5反馈的电机实际位置信号来计算出速度指令信号，实现位置闭环控制。

3、速度控制器2：速度控制器根据速度指令信号与光电编码器5反馈的电机实际位置信号的微分，即转速信息，来计算出转矩指令信号，实现速度闭环控制。

4、转矩控制器3：转矩控制器根据转矩指令与转矩反馈信号来计算出应用于逆变器的开关信号，进而直接驱动电机运动。

5、电机和负载单元4：伺服系统的能量转换和执行部件。

6、光电编码器5：安装在电机或负载侧，实时提供电机的位置信号，并通过位置信号的微分求得电机的转速信息。

7、转动惯量辨识单元8：本发明的核心部件，根据提取出的特定频率下的转矩和位置信息，计算出电机的转动惯量。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述转动惯量辨识单元8包括滤波器。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式二的进一步说明，本实施方式所述滤波器为双T网络陷波滤波器。

具体实施方式四：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述基于实施方式一所述交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置的辨识方法，

使电机工作在位置环闭环控制状态，由正弦信号生成器7生成频率为ω幅值为A^*的正弦波信号A^*cos(ωt)，式中t表示时间，该正弦波信号的幅值A^*小于或等于2π/100rad；

该正弦波信号与电机给定位置信号叠加后生成控制信号发送给位置控制器1，该位置控制器1根据所述控制信号及光电编码器5发送的电机转子位置信号计算获得当前的位置控制信号，

光电编码器5输出的转子位置信号经微分单元6微分获得当前电机转速信号，

速度控制器2根据输入的当前的位置控制信号及当前电机转速信号计算获得转矩控制信号，转矩控制器3根据输入的转矩控制信号和转矩反馈信号计算获得PWM电压信号，电机和负载单元4的电机在该PWM电压信号的作用下带动负载旋转，安装在所述电机转轴上的光电编码器5由电机的旋转获得电机转子位置信号，转动惯量辨识单元8根据输入的电机转子位置信号及转矩控制信号根据下式计算获得转动惯量J：

$J=\frac{2\stackrel{\‾}{{\∫T}_{\mathrm{ref}0}\mathrm{dt}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}}{{\mathrm{\ω}}^2{A}^2},$

式中T_ref0表示速度控制器2输出的转矩控制信号在频率ω下的分量，

t表示时间，

θ表示光电编码器5输出的电机转子位置信号，

A表示电机转子位置信号在频率ω下的分量幅值。

本实施方式中正弦波信号的幅值可设定为1％圈机械角度，即(2π/100)rad。

通常，频域下的角频率变量用ω表示，其单位是rad/s，而时域下的频率变量用f表示，其单位是Hz。他们之间的关系是：ω＝2πf。由于所述正弦波信号是与位置控制器1的电机给定位置信号叠加在一起的，因此正弦波信号的单位与电机给定位置信号的单位应该相同，即单位均为rad。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式四的进一步说明，本实施方式所述转动惯量J的计算公式

的获得方法为：

假设电机和负载单元4以周期T_p作周期反复运动，则ω＝2π/T_p，电机和负载单元4满足下式：

$J\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+D\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=T_{\mathrm{ref}}-T_L,$

式中D表示电机机械系统中粘滞摩擦系数，

T_ref表示速度控制器2输出的转矩控制信号，

T_L表示常值转矩负载；

使用快速傅里叶变换从式中提取转矩控制信号在频率ω下的分量，此时常值转矩负载T_L在频率ω下的分量为0，于是得到：

$J{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_0+D{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_0=T_{\mathrm{ref}0},$

式中θ₀表示光电编码器5输出的电机转子位置信号的基波频率分量，电机转子位置信号的基波频率分量θ₀为：

θ₀＝Acos(ωt+φ)，

式中φ为电机转子位置信号的相位，设定φ值为0，上式简化成：

θ₀＝Acosωt，

由公式θ₀＝Acosωt与

获得：

T_ref0＝-ω²AJcosωt-ωADsinωt，

将上式做一阶时域积分得到：

∫T_ref0dt＝-ωAJsinωt+ADcosωt，

将上式与转速

做积然后取平均值可得：

$\stackrel{\‾}{{\∫T}_{\mathrm{ref}0}\mathrm{dt}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}^2{A}^{2}J{\sin }^2\mathrm{\ωt}-\mathrm{\ω}{A}^{2}D\cos \mathrm{\ω}t\sin \mathrm{\ωt}}$

$=\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}^2{A}^{2}J\left(\frac{1-\cos 2\mathrm{\ωt}}{2}\right)+{\mathrm{\ωA}}^{2}D\frac{\sin 2\mathrm{\ωt}}{2}},$

$=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{A}^{2}J}{2}$

进而获得转动惯量J：

$J=\frac{2\stackrel{\‾}{{\∫T}_{\mathrm{ref}0}\mathrm{dt}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}}{{\mathrm{\ω}}^2{A}^2}.$

本发明方法中，获得的J是机械系统中电机与负载的总转动惯量之和。

上述的推导过程都是在电机和负载做周期为T_p＝2π/ω的往复运动假定前提下才成立的，但是即便是电机不做往复运动，而只是驱动器发送给电机的转矩指令中包含频率为ω的频率分量，上述的辨识算法也是适用的。只需要将给定频率成分从实际信号中提取出来即可，这就为在线实时辨识转动惯量提供了理论上的可能。

当电机处于运行过程中，只需在位置指令信号中注入频率为ω幅值较小的正弦波信号，并使用带通滤波器将转矩指令以及电机转速信号中频率为ω的分量提取出来，即可计算出机械系统的转动惯量J，实现转动惯量的在线辨识。

本发明方法基于谐波注入的方式的优越性：

(1)、转动惯量J的计算公式只需要转矩控制信号和电机转速，计算结果精度不明显的依赖于控制参数。因此这种方法可以通过任意的控制法则产生转矩指令输入来实现测量，使本方法具有广泛的适用性；

(2)、因为转动惯量J的计算是基于转矩指令输入和电机速度的测量频率成分ω，所以包括直流分量DC成分在内的其他频率成分不会影响测量结果，并且可以使用任意频率ω的周期性转矩指令输入或者包含频率ω成分的转矩指令来进行惯量测量；

(3)、与(2)同样的理由，使用本方法，噪声、恒定转矩负载、由于系统动力学特性的非线性和无法模型化所造成分谐波等不利因素，对测量结果造成的影响可以被有效地抑制；

(4)、与(2)同样的理由，瞬态响应中频率不等于ω的其他频率成分对测量结果没有影响，因此测量过程无需等待瞬态响应作用消失后再启动，也就是说在电机转速做阶跃运动或者斜坡运动时也可以使用本方法进行测量，也就是说可以实现转动惯量的在线实时辨识；

(5)、在允许的电机转动行程较小的情况下，由于光电编码器5的精度有限，电机位置的测量波形会变得粗糙，而且位置测量波形的幅值也会变得比实际幅值要小，但是通过FFT变换所获得的电机位置的检测频率ω成分波形会变得平滑并且接近实际位置波形。因此本方法可以应用在有最小行程限制的机械伺服系统；

(6)、由于转动惯量J是求完平均值的量，所以转矩指令输入和电机转速中所含有的噪声干扰等对惯量辨识结果的影响被有效的抑制；

(7)、由于转动惯量J的计算式中使用的只是电机位置幅值，所以电机位置波形的偏移量对惯量辨识结果没有影响；

(8)、在采样周期比较长的情况下，每个周期中转矩指令输入和电机位置的采样点的个数就会减少，于是转矩指令输入和电机转速这两个采样信号的检测频率ω成分波形与实际信号波形之间分别产生一个相位偏移。但是两者的相位偏移量是相同的，所以采样周期的长短对于测量结果的影响被有效抑制；

(9)、与(8)相同的理由，当采样周期比较长时，转矩指令输入和电机位置的检测频率ω成分波形的幅值会减小，但是这两个信号的幅值量缩小的比例是相同的，而且在转动惯量J的计算式中转矩控制信号在分子，电机位置幅值在分母，这样幅值缩小造成的影响就抵消了，于是采样周期对测量结果影响被有效抑制；

(10)、由于转动惯量J的计算式中使用的是转矩指令输入的积分值，所以本方法适用于转矩指令输入中含有量值比较大的噪声干扰的情况。

具体实施方式六：本实施方式为对实施方式五的进一步说明，本实施方式所述转矩控制信号的基波频率分量T_ref0由滤波器对速度控制器2输出的转矩控制信号进行提取获得；电机转子位置信号在频率ω下的分量幅值A由所述滤波器对光电编码器5输出的电机转子位置信号进行提取获得。

具体实施方式七：结合图3至图6说明本实施方式，本实施方式为对实施方式六的进一步说明，本实施方式所述滤波器为双T网络陷波滤波器，该双T网络陷波滤波器的传递函数H(s)为：

$H\left(s\right)=\frac{{\mathrm{as}}^2+\mathrm{cs}+1}{{\mathrm{as}}^2+\mathrm{bs}+1},$

式中

k₁为陷波带宽，k₂为陷波深度。

本实施方式所述传递函数H(s)中可以做如下取值，ω＝200πrad/s，陷波带宽k₁＝0.1，陷波深度k₂＝0.0001。

将速度控制器2输出的转矩控制信号和光电编码器5输出的转子位置信号经过上述滤波器滤除特定频率ω下的分量后，用原始信号与滤除特定频率的信号做差，即得到所需要的特定频率ω下的分量。其结果与带通滤波器类似，但带通滤波器存在一定增益，使得特定频率ω下的分量幅值发生变化，会使辨识结果存在一定偏差。而采用陷波的方式不会使原信号的复制发生变化，只是滤除特定频率分量，在经过与原信号做差就可求得原信号中叠加的特定频率信号。

本发明方法用于在线辨识时，正弦波信号与电机给定位置信号需要同时施加到电机的位置指令端，这样电机的位置、速度、转矩等响应中也是正弦波信号与脉冲阶梯信号的混合。然而，利用此辨识算法计算转动惯量只需要正弦波的响应分量，其他信号对于辨识计算都是不良干扰，甚至使辨识算法失效，所以必须从混合响应信号中提取出辨识频率成分下的位置幅值、辨识频率成分的转矩波形、转速波形，才能辨识出转动惯量值。

本发明中采用改进双T网络陷波滤波器将特定频率的系统响应提取出来。

由图3和图4所示可知，本发明方法的辨识过程中，虽然电机的位置指令叠加了一个100Hz频率下的分量的正弦波信号信息，但在位置反馈波形中，特定频率成分的分量几乎可以忽略不计，当给定幅值为0.0628rad时，反馈幅值为0.015rad。

图5和图6所示可知：本发明方法的辨识过程中，叠加在位置指令中的特定频率正弦给定分量，以及提取相应频率分量的位置反馈波形，正弦波信号信息幅值为2π/100rad，频率为100Hz。可以看出，在稳态过程中辨识正弦波信号幅值衰减为给定的23.8％(-12.5dB)，相角滞后约76.2°。其中在0.25s处，惯量值由8.53^-5kg·m²突变为3*8.53^-5kg·m²＝2.5590^-4kg·m²。可以看出在稳态过程中，辨识值与实际值之间几乎没有误差，辨识精度很高。而在动态过程中，虽然转速突变会对辨识结果造成扰动，但不会影响辨识过程的收敛以及精度。

本发明方法的工作过程：

1、交流永磁伺服系统工作于位置环控制模式，按照正常工作轨迹进行伺服驱动。

2、特定频率ω的正弦波位置信号和正常工作轨迹相叠加，对伺服电机进行驱动控制。ω的选择应该避开正常工作时的位置给定轨迹的频率范围以及机械系统的机械谐振频率，并尽可能的采用较高的频率，来避免影响实际生产工作。

3、采用陷波滤波器将位置和转矩中的特定频率ω分量信息滤除，然后由原信号减去滤除特定频率成分的信号，即得到特定频率ω下的位置和转矩分量。

4、通常由于工作轨迹含有较高的直流分量，而为了保证特定频率分量提取的快速性与准确性，本发明可采用两次频率提取，即重复步骤3。

5、对频率为ω的转矩控制信号的基波频率成分T_ref0进行积分，然后与转速

做积求得

6、对5中求得的结果在频率ω所对应的周期内求其平均值：

7、将步骤6的计算结果与特定频率ω²下的位置幅值A²的积做商，求得负载转动惯量 $J=\frac{2\stackrel{\‾}{{\∫T}_{\mathrm{ref}0}\mathrm{dt}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}}{{\mathrm{\ω}}^2{A}^2}.$

Claims (7)

1.一种交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置，它包括位置控制器(1)、速度控制器(2)、转矩控制器(3)、电机和负载单元(4)和光电编码器(5)，其特征在于：它还包括微分单元(6)、正弦信号生成器(7)和转动惯量辨识单元(8)，

正弦信号生成器(7)输出的正弦波信号与电机给定位置信号叠加后生成控制信号输入给位置控制器(1)的控制信号输入端，位置控制器(1)的位置控制信号输出端连接速度控制器(2)的速度控制信号输入端，速度控制器(2)的转矩控制信号输出端连接转矩控制器(3)的转矩控制信号输入端，转矩控制器(3)的PWM电压信号输出端连接电机和负载单元(4)的PWM电压信号输入端，电机和负载单元(4)的电机转子位置信号输出端连接光电编码器(5)的电机转子位置信号输入端，光电编码器(5)用于采集电机和负载单元(4)中电机的转子位置信号，光电编码器(5)的转子位置信号输出端连接转动惯量辨识单元(8)的转子位置信号输入端；

电机和负载单元(4)的转矩反馈信号输出端连接转矩控制器(3)的转矩反馈信号输入端；

转动惯量辨识单元(8)的转矩信号输入端连接速度控制器(2)的转矩控制信号输出端；

位置控制器(1)的电机转子位置反馈信号输入端连接光电编码器(5)的电机转子位置信号输出端；

光电编码器(5)的电机转子位置反馈信号输出端连接微分单元(6)的电机转子位置信号输入端，微分单元(6)的电机转速信号输出端连接速度控制器(2)的电机转速反馈信号输入端。

2.根据权利要求1所述的交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置，其特征在于：所述转动惯量辨识单元(8)包括滤波器。

3.根据权利要求2所述的交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置，其特征在于：所述滤波器为双T网络陷波滤波器。

4.一种基于权利要求1所述交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识装置的转动惯量辨识方法，其特征在于：

使电机工作在位置环闭环控制状态，由正弦信号生成器(7)生成频率为ω幅值为A^*的正弦波信号A^*cos(ωt)，式中t表示时间，该正弦波信号的幅值A^*小于或等于2π/100rad；

该正弦波信号与电机给定位置信号叠加后生成控制信号发送给位置控制器(1)，该位置控制器(1)根据所述控制信号及光电编码器(5)发送的电机转子位置信号计算获得当前的位置控制信号，

光电编码器(5)输出的转子位置信号经微分单元(6)微分获得当前电机转速信号，

速度控制器(2)根据输入的当前的位置控制信号及当前电机转速信号计算获得转矩控制信号，转矩控制器(3)根据输入的转矩控制信号和转矩反馈信号计算获得PWM电压信号，电机和负载单元(4)的电机在该PWM电压信号的作用下带动负载旋转，安装在所述电机转轴上的光电编码器(5)由电机的旋转获得电机转子位置信号，转动惯量辨识单元(8)根据输入的电机转子位置信号及转矩控制信号根据下式计算获得转动惯量J：

$J=\frac{2\stackrel{\‾}{{\∫T}_{\mathrm{ref}0}\mathrm{dt}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}}{{\mathrm{\ω}}^2{A}^2},$

式中T_ref0表示速度控制器(2)输出的转矩控制信号在频率ω下的分量，

t表示时间，

θ表示光电编码器(5)输出的电机转子位置信号，

A表示电机转子位置信号在频率ω下的分量幅值。

5.根据权利要求4所述的交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识方法，其特征在于：

所述转动惯量J的计算公式

的获得方法为：

假设电机和负载单元(4)以周期T_p作周期反复运动，则ω＝2π/T_p，电机和负载单元(4)满足下式：

$J\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+D\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=T_{\mathrm{ref}}-T_L,$

式中D表示电机机械系统中粘滞摩擦系数，

T_ref表示速度控制器(2)输出的转矩控制信号，

T_L表示常值转矩负载；

使用快速傅里叶变换从式

中提取转矩控制信号在频率ω下的分量，此时常值转矩负载T_L在频率ω下的分量为0，于是得到：

$J{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_0+D{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_0=T_{\mathrm{ref}0},$

式中θ₀表示光电编码器(5)输出的电机转子位置信号的基波频率分量，电机转子位置信号的基波频率分量θ₀为：

θ₀＝Acos(ωt+φ)，

式中φ为电机转子位置信号的相位，设定φ值为0，上式简化成：

θ₀＝Acosωt，

由公式θ₀＝Acosωt与

获得：

T_ref0＝-ω²AJcosωt-ωADsinωt，

将上式做一阶时域积分得到：

∫T_ref0dt＝-ωAJsinωt+ADcosωt，

将上式与转速

做积然后取平均值可得：

$\stackrel{\‾}{{\∫T}_{\mathrm{ref}0}\mathrm{dt}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}^2{A}^{2}J{\sin }^2\mathrm{\ωt}-\mathrm{\ω}{A}^{2}D\cos \mathrm{\ω}t\sin \mathrm{\ωt}}$

$=\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}^2{A}^{2}J\left(\frac{1-\cos 2\mathrm{\ωt}}{2}\right)+{\mathrm{\ωA}}^{2}D\frac{\sin 2\mathrm{\ωt}}{2}},$

$=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{A}^{2}J}{2}$

进而获得转动惯量J：

$J=\frac{2\stackrel{\‾}{{\∫T}_{\mathrm{ref}0}\mathrm{dt}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}}{{\mathrm{\ω}}^2{A}^2}.$

6.根据权利要求5所述的交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识方法，其特征在于：

所述转矩控制信号的基波频率分量T_ref0由滤波器对速度控制器(2)输出的转矩控制信号进行提取获得；电机转子位置信号在频率ω下的分量幅值A由所述滤波器对光电编码器(5)输出的电机转子位置信号进行提取获得。

7.根据权利要求6所述的交流永磁伺服系统的在线转动惯量辨识方法，其特征在于：

所述滤波器为双T网络陷波滤波器，该双T网络陷波滤波器的传递函数H(s)为：

$H\left(s\right)=\frac{{\mathrm{as}}^2+\mathrm{cs}+1}{{\mathrm{as}}^2+\mathrm{bs}+1},$

式中

k₁为陷波带宽，k₂为陷波深度。

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