CN102500629A - 一种测量传动系统转动惯量的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量传动系统转动惯量的方法，属于轧制过程自动控制技术领域，传动装置控制电机启动，电机带动卷取机工作；低速运转电机使传动机械设备处于热运转状态，所述的传动机械设备包括电机、减速机和卷取机；计算传动机械设备的摩擦转矩：绘制转速-摩擦转矩曲线；设置输出转矩限幅M₀，测试传动机械设备的转动惯量；分别计算得到几组转动惯量，去掉其中的奇异点取剩下几组的平均值作为最终传动机械设备的转动惯量，本发明方法在大多传动调试环境下均能方便的实现，且不需要成本上的投入，精确得到了传动机械设备转动惯量后可以大幅度提高张力控制精度并提高轧制过程的稳定性，可以广泛推广到板带箔轧制厂中。

Description

一种测量传动系统转动惯量的方法

技术领域

本发明属于轧制过程自动控制技术领域，特别涉及一种测量传动系统转动惯量的方法。

背景技术

在带材轧制生产中一般都需要带张力轧制，张力不仅是保证轧制过程顺利进行的必要条件，还是影响成品质量的重要因素。张力控制在带材的轧制过程中主要有以下几方面重要作用：防止轧件跑偏、保持轧件平直度良好、降低轧制压力减少能耗和调节带材厚度等。

在张力控制方式下，一般通过控制传动系统的输出转矩来调节带材张力，张力控制中很重要的一个环节就是加减速过程中的动态转矩补偿，而动态转矩补偿量准确与否很大程度上取决于传动系统转动惯量的精确程度。传统上传动系统的转动惯量应该由机械制造厂家提供，但是由于测试不准确甚至某些厂家并不具有转动惯量的测试能力，再加上安装过程中对设备状态的改变等，都最终影响了整个传动系统转动惯量的精确度。

以某1850mm铝箔轧机为例，当轧制0.012*1200mm的铝箔时，其设定卷取单位张力为6kg/mm²，卷径为700mm时其设定张力矩应为296.65Nm；此时其转动惯量为311.12kgm²，卷取线加速度为0.899m/s²，其动态转矩为799.134Nm。这样，在转动惯量有5％的误差时，在加减速过程中就会造成设定张力13.47％的波动，远远达不到静态1％、动态2％的张力精度要求。

发明内容

针对现有方法存在的不足，本发明提出一种测量传动系统转动惯量的方法，克服张力控制和动态转矩补偿中存在的问题，以达到提高轧制过程中的张力控制精度的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种测量传动系统转动惯量的方法，包括以下步骤：

步骤1：设置传动装置的控制参数，所述的控制参数包括控制字、速度限幅、转矩限幅、状态字、实际速度和实际转矩，传动装置控制电机启动，电机带动卷取机工作；

步骤2：低速运转电机使传动机械设备处于热运转状态，所述的传动机械设备包括电机、减速机和卷取机；

低速运转电机30分钟，使传动机械设备达到热运转状态，确保测试时传动机械设备的摩擦状态与正常运转时状态一致；

步骤3：计算传动机械设备的摩擦转矩：

若电机的起始速度为0，最高转速为N，将0至N分为m段，使电机在

速度点处运转b分钟，记录下实际转速平均值

和实际转矩平均值然后升速至

速度点并记录下相应的转速平均值和实际转矩平均值

重复此过程，直至电机转速的最大值，最终得到m组不同速度点处的转速平均值和实际转矩平均值；

在速度升到最高点记录数据结束后，再按照升速段设定速度点分段降速，并同样记录下实际速度

和实际转矩

(l＝1，2，…m-1)，确定转速-摩擦转矩的对应关系为：

$(v_l,M_l)=\left\{\begin{array}{c}(\frac{\stackrel{\‾}{v_l}+{\stackrel{\‾}{v_l}}^{\′}}{2},\frac{\stackrel{\‾}{M_l}+{\stackrel{\‾}{M_l}}^{\′}}{2}),(l=\mathrm{1,2}\·\·\·m-1)\\ (\stackrel{\‾}{v_l},\stackrel{\‾}{M_l}),(l=m)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，(v_l，M_l)表示速度为v_l时的转矩为M；

步骤4：根据步骤3中的公式(1)以转速为横坐标、以摩擦转矩为纵坐标绘制转速-摩擦转矩曲线；并利用线性回归方法确定转速-摩擦转矩之间的关系式：

M＝f(n)

其中，f(n)是指用转速来表示的摩擦矩阵函数；

步骤5：设置输出转矩限幅M₀，测试传动机械设备的转动惯量；继续低速运转电机，保持传动机械设备在热运转状态，设置传动装置的输出转矩低于给定速度生速斜波的加减速转矩，同时控制电机从低速开始升速，直至传动装置输出转矩饱和至限幅值，并记录下升速过程中的实际速度和实际转矩；

取出转矩饱和至限幅值M₀段的实际速度数据，其起始和结束速度分别为v_s和v_e，得出升速时间t和速度增量Δv＝v_e-v_s，计算这个过程的传动机械设备的角加速度为

根据步骤4回归出的速度-转矩关系M＝f(n)，计算出从v_s到v_e的各个速度点对应的摩擦转矩，并求得其平均值为

则传动机械设备的转动惯量J的公式如下：

$J=\frac{M_0-\stackrel{\‾}{M}}{\mathrm{dw}/\mathrm{dt}}$

步骤6：设置不同的传动装置输出限幅M₀和电机升速斜坡，重复执行步骤5，分别计算得到几组转动惯量，去掉其中的奇异点取剩下几组的平均值作为最终传动机械设备的转动惯量，所述的奇异点是指转动惯量测试过程中产生的最高值和最低值。

本发明优点：本发明采用了易于操作的方式控制传动系统并记录实际输出转矩等数据，获得了基于电机转速的摩擦转矩曲线，并设置传动装置转矩输出限幅和给定速度升速斜坡，根据升速时间、速度增量和转速-摩擦转矩关系计算得到了转动惯量。本发明方法在大多传动调试环境下均能方便的实现，且不需要成本上的投入，精确得到了传动系统转动惯量后可以大幅度提高张力控制精度并提高轧制过程的稳定性，可以广泛推广到板带箔轧制厂中。

附图说明

图1为本发明一种测量传动系统转动惯量的方法轧制过程中卷取张力示意图；

图2为本发明一种测量传动系统转动惯量的方法转速-摩擦转矩曲线示意图；

图3为本发明一种测量传动系统转动惯量的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中，某铝箔轧机电气控制系统，其卷取机为直流电机，采用ABB公司DCS800直流传动装置，采用西门子S7-400PLC系统作为测试和数据记录工具，卷取电机最高转速1197rpm，额定输出转矩为3600Nm。

本实施例一种测量传动系统转动惯量的方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1：PLC系统通过PROFIBUS-DP网络与直流传动装置相连，设置直流传动装置DCS800里51组相应参数将电机实际转速、实际输出转矩读取到PLC系统，把每一周期的实际数据记录到PLC的数据模块当中保存；

步骤2：以30rpm的转速运转电机，使整个传动机械设备都达到正常运转的热状态，以保证测试过程中的传动机械设备和正常运转时状态相同；

步骤3：以50rpm为一段将电机整个速度进行分段：使电机在50rpm速度点运转2分钟，在PLC系统里记录下这段时间内的实际转速和实际转矩，并求出其平均值分别为

和

升速至100rpm速度点记下平均转速和平均转矩为

和

最终升速到最高点得到相应24组数据；

在速度升到最高点记录数据结束后，再按照升速段设定速度点分段降速，并同样记录下实际转速

和实际转矩

(l＝1，2，…23)，最终计算出速度-转矩对应关系为：

$(v_l,M_l)=\left\{\begin{array}{c}(\frac{\stackrel{\‾}{v_l}+{\stackrel{\‾}{v_l}}^{\′}}{2},\frac{\stackrel{\‾}{M_l}+{\stackrel{\‾}{M_l}}^{\′}}{2}),(l=\mathrm{1,2}\·\·\·23)\\ (\stackrel{\‾}{v_l},\stackrel{\‾}{M_l}),(l=24)\end{array}\right.$

步骤4：根据步骤3的数据，绘制出速度-转矩曲线，如图2所示，并回归出速度-摩擦转矩之间的关系为：

M_m＝-0.00000000109488n⁴+0.00000290344n³-0.00274n²+1.12448n+101.43639

步骤5：以20rpm转速运转电机，设置转矩输出限幅为25％，即最大输出转矩为900Nm，设置给定转速加速度为40r/min/s，控制电机以给定加速度升速至770rpm，同时将整个过程中电机的实际转速和实际转矩记录到PLC系统的数据块中；

在28.49rpm到760.27rpm之间传动装置输出转矩到限幅值900Nm，这个过程的升速时间为20.48s，从而得到角加速度为3.7419rad/s²，根据步骤4中得到的转速-摩擦转矩关系，计算出这个速度段各个速度点所对应的摩擦转矩，并求出其平均值为253.69Nm，最终计算出改传动机械设备的转动惯量为：

$J=\frac{M_0-\stackrel{\‾}{M}}{\mathrm{dw}/\mathrm{dt}}=\frac{900-253.69}{3.7419}=172.72{\mathrm{kgm}}^2$

步骤6：分别设置传动装置转矩输出限幅为22％和26％，重复步骤5，计算得到该传动机械设备的转动惯量分别为172.20kgm²和172.42kgm²，取三组平均值，最终传动机械设备的转动惯量为172.45kgm²。

Claims (1)

1.一种测量传动系统转动惯量的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：设置传动装置的控制参数，所述的控制参数包括控制字、速度限幅、转矩限幅、状态字、实际速度和实际转矩，传动装置控制电机启动，电机带动卷取机工作；

步骤2：低速运转电机使传动机械设备处于热运转状态，所述的传动机械设备包括电机、减速机和卷取机；

步骤3：计算传动机械设备的摩擦转矩：

若电机的起始速度为0，最高转速为N，将0至N分为m段，使电机在速度点处运转b分钟，记录下实际转速平均值

和实际转矩平均值

然后升速至

速度点并记录下相应的转速平均值

和实际转矩平均值

重复此过程，直至电机转速的最大值，最终得到m组不同速度点处的转速平均值和实际转矩平均值；

在速度升到最高点记录数据结束后，再按照升速段设定速度点分段降速，并同样记录下实际速度

和实际转矩

其中l＝1，2，…m-1，确定转速-摩擦转矩的对应关系为：

$(v_l,M_l)=\left\{\begin{array}{c}(\frac{\stackrel{\‾}{v_l}+{\stackrel{\‾}{v_l}}^{\′}}{2},\frac{\stackrel{\‾}{M_l}+{\stackrel{\‾}{M_l}}^{\′}}{2}),(l=\mathrm{1,2}\·\·\·m-1)\\ (\stackrel{\‾}{v_l},\stackrel{\‾}{M_l}),(l=m)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，(v_l，M_l)表示速度为v_l时的转矩为M；

步骤4：根据步骤3中的公式(1)以转速为横坐标、以摩擦转矩为纵坐标绘制转速-摩擦转矩曲线；

步骤5：设置输出转矩限幅M₀，测试传动机械设备的转动惯量；继续低速运转电机，保持传动机械设备在热运转状态，设置传动装置的输出转矩低于给定速度生速斜波的加减速转矩，同时控制电机从低速开始升速，直至传动装置输出转矩饱和至限幅值，并记录下升速过程中的实际速度和实际转矩；

取出转矩饱和至限幅值M₀段的实际速度数据，其起始和结束速度分别为v_s和v_e，得出升速时间t和速度增量Δv＝v_e-v_s，计算这个过程的传动机械设备的角加速度为

根据步骤4回归出的速度-转矩关系M＝f(n)，计算出从v_s到v_e的各个速度点对应的摩擦转矩，并求得其平均值为

则传动机械设备的转动惯量J的公式如下：

$J=\frac{M_0-\stackrel{\‾}{M}}{\mathrm{dw}/\mathrm{dt}}$

步骤6：设置不同的传动装置输出限幅M₀和电机升速斜坡，重复执行步骤5，分别计算得到几组转动惯量，去掉其中的奇异点取剩下几组的平均值作为最终传动机械设备的转动惯量，所述的奇异点是指转动惯量测试过程中产生的最高值和最低值。

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