CN103227611A - 机械惯量辨识方法、装置及电机调速系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种机械惯量辨识方法、装置及电机调速系统。本发明机械惯量辨识方法，包括：机械惯量辨识装置在电机带载工作过程中的至少两个时间间隔内分别采集电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速，其中至少一个时间间隔中包括至少一个变速工作时间段；所述机械惯量辨识装置根据所述至少两个时间间隔内所述电机的转矩和转速计算得出所述机械惯量。本发明实施例，通过在至少两个时间间隔内采集电机的电气参数计算电机的转速和转矩，再利用电机的转速和转矩得出机械惯量，实现在较小的计算量下辨识机械惯量，解决机械惯量辨识困难的问题。

Description

机械惯量辨识方法、装置及电机调速系统

技术领域

本发明实施例涉及电气技术，尤其涉及一种机械惯量辨识方法、装置及电机调速系统。

背景技术

随着现代化工业的发展，电机调速系统得到了快速发展和广泛应用。与此同时，也对电机调速系统的速度响应和转矩响应提出了更高的要求。

机械惯量为负载和电机所连接的机械装置的转动惯量，是电机调速系统对速度控制的一个重要参考参数。由于机械惯量是一个无法直接测量的参数，所以如何辨识机械惯量就变得极其重要。目前存在多种机械惯量辨识方法，比如参考模型自适应法、卡尔曼滤波法及最小二乘法等，这些方法都能够很好地辨识出机械惯量，但巨大的计算量使其无法应用到现有的电机调速系统中。为了克服计算量大的问题，现有技术根据机械运动方程：

$J\frac{{\mathrm{d\ω}}_m}{\mathrm{dt}}=T---\left(1\right)$

其中，J为机械惯量，ω_m为转速，t为时间，T为系统外力矩，采用在恒转矩控制模式下对电机进行加减速控制，即T为固定值，ω_m、t可测，所以根据公式（1）可以在较小的计算量下辨识机械惯量。

但是，由于现有技术在恒转矩的模式下改变转速，控制难度大，实现困难，且转矩控制存在较大误差，转矩的突变，毛刺等干扰都会影响转矩控制的输出精度，从而导致机械惯量辨识困难。

发明内容

本发明实施例提供一种机械惯量辨识方法、装置及电机调速系统，以解决机械惯量辨识困难的问题，以实现在较小的计算量下辨识机械惯量。

第一方面，本发明实施例提供一种机械惯量辨识方法，包括：

机械惯量辨识装置在电机带载工作过程中的至少两个时间间隔内分别采集电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速，其中至少一个时间间隔中包括至少一个变速工作时间段；

所述机械惯量辨识装置根据所述至少两个时间间隔内所述电机的转矩和转速计算得出所述机械惯量。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述机械惯量辨识装置根据所述至少两个时间间隔内所述电机的转矩和转速计算得出所述机械惯量，包括：

所述机械惯量辨识装置对两个时间间隔内所述电机的转矩和转速根据公式进行计算，所述公式为：

$J=\frac{{\mathrm{nt}}_{\mathrm{cy}}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emx}}\left(i\right)t_{\mathrm{cx}}-{\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emy}}\left(j\right)t_{\mathrm{cy}}}{{\mathrm{nt}}_{\mathrm{cy}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xt}}-{\mathrm{\ω}}_{x0})-{\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{yt}}-{\mathrm{\ω}}_{y0})}$

其中，J为机械惯量，m、n为所述两个时间间隔中的第x个时间间隔和第y个时间间隔被划分为时隙的个数，t_cx、t_cy为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的时间间隙长度，i、j为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的时间间隙序号，T_emx(i)、T_emy(j)为所述第x个时间间隔和第y个时间间隔内第i、j时隙的电机转矩，ω_xt、ω_yt为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的电机转速的末速度，ω_x0、ω_y0为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的电机转速的初速度，且nt_cy(ω_xt-ω_x0)-mt_cx(ω_yt-ω_y0)不为零；

所述机械惯量辨识装置根据计算结果获取所述机械惯量。

根据第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述机械惯量辨识装置根据计算结果获取所述机械惯量包括：

所述机械惯量辨识装置从所述至少两个时间间隔中确定多组时间间隔组，每组时间间隔组包括任意两个时间间隔；

所述机械惯量辨识装置分别获取各组时间间隔组对应的计算结果，并将计算出的多个机械惯量值求平均值得出所述机械惯量。

根据第一方面的第一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述第x个时间间隔和/或所述第y个时间间隔内，初始工作过程与最终工作过程均为匀速工作过程。

根据第一方面的第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述第x个时间间隔内的工作过程为一个匀速工作过程。

根据第一方面、第一方面的第一种至第四种可能的实现方式的任意一种，在第五种可能的实现方式中，所述至少两个时间间隔为时间相同的间隔。

根据第一方面、第一方面的第一种至第四种可能的实现方式的任意一种，在第六种可能的实现方式中，机械惯量辨识装置在电机带载工作过程中的至少两个时间间隔内分别采集电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速，包括：

所述机械惯量辨识装置检测出所述电机带载工作处于第一转速达到第一设定时长时，控制所述电机的转速在第二设定时长内从第一转速变更为第二转速；

所述机械惯量辨识装置检测出所述电机带载工作处于第二转速达到第二设定时长时，控制所述电机的转速在第三设定时长内从第二转速变更为第三转速；

所述机械惯量辨识装置检测出所述电机带载工作处于第三转速达到第三设定时长时，控制所述电机的转速在第四设定时长内保持第三转速；

所述机械惯量辨识装置采集所述第二设定时长和所述第四设定时长内所述电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速。

第二方面，本发明实施例提供一种机械惯量辨识装置，包括：

采集处理模块，用于在电机带载工作过程中的至少两个时间间隔内分别采集电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速，其中至少一个时间间隔中包括至少一个变速工作时间段；

计算模块，用于根据所述至少两个时间间隔内所述电机的转矩和转速计算得出所述机械惯量。

在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述计算模块包括：

第一计算单元，用于对两个时间间隔内所述电机的转矩和转速根据公式进行计算，所述公式为：

$J=\frac{{\mathrm{nt}}_{\mathrm{cy}}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emx}}\left(i\right)t_{\mathrm{cx}}-{\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emy}}\left(j\right)t_{\mathrm{cy}}}{{\mathrm{nt}}_{\mathrm{cy}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xt}}-{\mathrm{\ω}}_{x0})-{\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{yt}}-{\mathrm{\ω}}_{y0})}$

其中，J为机械惯量，m、n为所述两个时间间隔中的第x个时间间隔和第y个时间间隔被划分为时隙的个数，t_cx、t_cy为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的时间间隙长度，i、j所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的时间间隙序号，T_emx(i)、T_emy(j)为所述第x个时间间隔和第y个时间间隔内第i、j时隙的电机转矩，ω_xt、ω_yt为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的电机转速的末速度，ω_x0、ω_y0为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的电机转速的初速度，且nt_cy(ω_xt-ω_x0)-mt_cx(ω_yt-ω_y0)不为零；

第二计算单元，用于根据计算结果获取所述机械惯量。

根据第二方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述第二计算单元包括：

选择子单元，用于从所述至少两个时间间隔中确定多组时间间隔组，每组时间间隔组包括任意两个时间间隔；

获取子单元，用于分别获取各组时间间隔组对应的计算结果，并将计算出的多个机械惯量值求平均值得出所述机械惯量。

根据第二方面的第一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述第x个时间间隔和/或所述第y个时间间隔内，初始工作过程与最终工作过程均为匀速工作过程。

根据第二方面的第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述第x个时间间隔内的工作过程为一个匀速工作过程。

根据第二方面、第二方面的第一种至第四种可能的实现方式的任意一种，在第五种可能的实现方式中，所述至少两个时间间隔为时间相同的间隔。

根据第二方面、第二方面的第一种至第四种可能的实现方式的任意一种，在第六种可能的实现方式中，所述采集处理模块包括：

第一检测控制单元，用于检测出所述电机带载工作处于第一转速达到第一设定时长时，控制所述电机的转速在第二设定时长内从第一转速变更为第二转速；

第二检测控制单元，用于检测出所述电机带载工作处于第二转速达到第二设定时长时，控制所述电机的转速在第三设定时长内从第二转速变更为第三转速；

第三检测控制单元，用于检测出所述电机带载工作处于第三转速达到第三设定时长时，控制所述电机的转速在第四设定时长内保持第三转速；

采集计算单元，用于采集所述第二设定时长和所述第四设定时长内所述电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速。

第三方面，本发明实施例提供一种电机调速系统，包括电机、负载、电源和控制器，其中，还包括本发明任意实施例所提供的机械惯量辨识装置；所述机械惯量辨识装置集成在所述控制器中。

本发明实施例机械惯量辨识方法、装置及电机调速系统，通过在至少两个时间间隔内采集电机的电气参数计算电机的转速和转矩，再利用电机的转速和转矩得出机械惯量，实现在在较小的计算量下辨识机械惯量，解决机械惯量辨识困难的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明机械惯量辨识方法实施例一的流程图；

图2为本发明机械惯量辨识方法实施例二的流程图；

图3为本发明机械惯量辨识方法实施例三的流程图；

图4为本发明机械惯量辨识方法实施例三的电机转速与转矩随时间变化的关系图；

图5为本发明机械惯量辨识装置实施例一的结构示意图；

图6为本发明机械惯量辨识装置实施例二的结构示意图；

图7为本发明机械惯量辨识装置实施例二的另一结构示意图；

图8为本发明机械惯量辨识装置实施例三的结构示意图；

图9为本发明电机调速系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为本发明机械惯量辨识方法实施例一的流程图，所述方法适用于各类电机调速系统的机械惯量辨识，如同步电机变频控制系统、通用变频器控制系统、伺服控制系统等系统中对机械惯量的辨识。所述方法可由机械惯量辨识装置实现，所述机械惯量辨识装置可以为一变频器或集成在变频器中，但不以此为限。如图1所示，所述方法可以包括：

S101、机械惯量辨识装置在电机带载工作过程中的至少两个时间间隔内分别采集电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速，其中至少一个时间间隔中包括至少一个变速工作时间段。

在电机调速系统中，尤其是高性能的电机调速系统，要产生很好的速度响应和转矩响应，就必须对机械惯量进行参考分析，机械惯量是电机调速系统中速度控制器设计时必须要考虑的问题，电机调速系统根据机械惯量自适应调节速度控制器，让系统获得良好的速度控制。

本实施例中，在电机带负载（即电机带载）工作过程中，机械惯量辨识装置对整个工作过程进行检测，选取至少两个时间间隔，对各个时间间隔内电机的电气参数进行采集。所述电气参数可以包括：电机极对数、电机互感、电机转子电感、转子磁通和转矩电流值等，也可包括：电机功率和电源的频率等，所述电气参数可以通过机械惯量辨识装置的各类传感器进行提取，但不以此为限。通过所述电气参数来计算电机的转矩和转速，对于电机的转速，可以通过公式（2）来计算：

${\mathrm{\ω}}_m=\frac{60f}{n_p}---\left(2\right)$

其中，ω_m为电机转速，f为电源频率，n_p为电机极对数。对于电机的转矩，可以由获取的电气参数决定使用不同的公式进行计算，如公式（3）或公式（4）：

$T_{\mathrm{em}}=\frac{9550P}{{\mathrm{\ω}}_m}---\left(3\right)$

其中，T_em为电机转矩，P为电机功率，ω_m为电机转速，n_p为电机极对数，L_m为电机互感，L_r为电机转子电感，

为转子磁通，i_ts为转矩电流值。

具体地，所述至少两个时间间隔中的至少一个时间间隔内包括至少一个变速工作时间段。如果所述至少两个时间间隔中均不包括变速工作时间段，则计算出电机的转矩和转速为一恒定值，将无法计算所述机械惯量。其中，所述至少两个时间间隔可以在电机同向转动工作过程中进行选取，也可以在电机的正反转工作过程中进行选取，此处不做限制。对电机转速的控制可由所述机械惯量辨识装置来完成，也可由电机调速系统中的控制器来完成，也可通过其他方式实现对电机转速的控制，此处也不做限制。

S102、所述机械惯量辨识装置根据所述至少两个时间间隔内所述电机的转矩和转速计算得出所述机械惯量。

具体地，由于所述机械惯量包括负载惯量和电机惯量在内的整个机械装置的系统转动惯量，所以对于整个机械装置，在忽略系统摩擦条件下，机械运动方程为：

$J\frac{{\mathrm{d\ω}}_m}{\mathrm{dt}}+T_L=T_{\mathrm{em}}---\left(5\right)$

其中，J为机械惯量，ω_m为电机转速，t为时间，T_L为负载转矩，T_em为电机转矩。在所述至少两个时间间隔内，所述机械惯量辨识装置根据所述电机的转矩和转速，得出所述机械惯量。例如，在实际工程应用中，可以近似认为T_L在整个工作过程中不变，则可将至少两个时间间隔内的电气参数代入公式（5）得出多个方程，如：

J△ω_m1+T_L=T_em1

J△ω_m2+T_L=T_em2

……

J△ω_mz+T_L=T_emz

其中，△ω_m1～△ω_mz为各时间间隔内的电机转速的变化值，T_em1～T_emz为各时间间隔内的电机转矩值，该些转矩值可以为该时间段内转矩的平均值，也可以为该时间段内的一个值，可根据实际情况进行选取，也可通过其他方式进行设定，本实施例对此不做限制。将任意两个方程等式两边相减，消去负载转矩T_L便可算出机械惯量值J，对多个机械惯量值J可以进行加和求平均值来最终求出所述机械惯量，如果所述至少两个时间间隔仅为两个时间间隔，则不需要进行加和求平均值。

本实施例，通过在至少两个时间间隔内采集电机的电气参数计算电机的转速和转矩，再利用电机的转速和转矩得出机械惯量，实现在较小的计算量下辨识机械惯量，解决机械惯量辨识困难的问题。

实施例二

图2为本发明机械惯量辨识方法实施例二的流程图，本实施例在上述实施例的基础上，所述机械惯量辨识装置根据所述至少两个时间间隔内所述电机的转矩和转速计算得出所述机械惯量，如图2所示，可以通过如下方法进行：

S201、所述机械惯量辨识装置对两个时间间隔内所述电机的转矩和转速根据公式进行计算。

具体地，所述公式为：

$J=\frac{{\mathrm{nt}}_{\mathrm{cy}}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emx}}\left(i\right)t_{\mathrm{cx}}-{\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emy}}\left(j\right)t_{\mathrm{cy}}}{{\mathrm{nt}}_{\mathrm{cy}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xt}}-{\mathrm{\ω}}_{x0})-{\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{yt}}-{\mathrm{\ω}}_{y0})}---\left(6\right)$

其中，J为机械惯量，m、n为所述两个时间间隔中的第x个时间间隔和第y个时间间隔被划分为时隙的个数，t_cx、t_cy为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的时间间隙长度，i、j为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的时间间隙序号，T_emx(i)、T_emy(j)为所述第x个时间间隔和第y个时间间隔内第i、j时隙的电机转矩，ω_xt、ω_yt为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的电机转速的末速度，ω_x0、ω_y0为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的电机转速的初速度，且nt_cy(ω_xt-ω_x0)-mt_cx(ω_yt-ω_y0)不为零。

其中，所述公式可由公式（5）推导出。具体地，为了消除负载转矩T_L的计算量，对公式（5）的等式两边进行积分，得出：

J(ω_t-ω₀)+∫T_L(t)dt=∫T_em(t)dt           （7）

其中，ω_t和ω₀为所在时间间隔内电机的末速度和初速度。再将公式（7）右边的积分转换为离散形式：

$J({\mathrm{\ω}}_t-{\mathrm{\ω}}_0)+\∫T_L\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{\Σ}{T}_{\mathrm{em}}\left(t\right)t_c---\left(8\right)$

其中，t_c为所在时间间隔的时间间隙长度。将两个时间间隔，即第x个时间间隔和第y个时间间隔分别带入公式（8）得到如下公式：

$J({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xt}}-{\mathrm{\ω}}_{x0})+\∫{T_L}^{\′}\left(t\right)\mathrm{dt}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emx}}\left(i\right)t_{\mathrm{cx}}---\left(9\right)$

$J=({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{yt}}-{\mathrm{\ω}}_{y0})+\∫{T_L}^{\′\′}\left(t\right)\mathrm{dt}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emy}}\left(j\right)t_{\mathrm{cy}}---\left(10\right)$

其中，∫T_L′(t)dt、∫T_L′′(t)dt为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的负载转矩的积分。在整个机械装置工作过程中，第x个时间间隔和第y个时间间隔内负载转矩的积分∫T_L′(t)dt、∫T_L″(t)dt在实际工程应用中，则可近似为：

$\frac{\∫{T_L}^{\′}\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}}=\frac{\∫{T_L}^{\′\′}\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\mathrm{nt}}_{\mathrm{cy}}}---\left(11\right)$

上述近似是将整个机械装置的转矩脉动和毛刺等系统干扰因素加入到所述负载转矩的积分中，利用变化的负载转矩积分，可以有效地消去整个机械装置的转矩脉动和毛刺等系统干扰，很好地提高了惯量辨识的精度。

由公式（9）、（10）和（11），消去∫T_L′(t)dt和∫T_L″(t)dt得所述公式（6）。

S202、所述机械惯量辨识装置根据计算结果获取所述机械惯量。

具体地，由于时间间隔至少为两个，任意两个时间间隔均可算出一个机械惯量值J，所以通过公式（6）可以算出一个或多个机械惯量值J。对于多个机械惯量值J，可以通过加和求平均值的方法得出所述机械惯量，也可以对多个机械惯量值J进行处理，即对与其它多个机械惯量值J偏差较大的值进行去除后再加和求平均值，还可以从多个机械惯量值中选取数个进行加和求平均值，但不以此为限。同时，上述机械惯量辨识方法的计算可通过在数字信号处理器（Digital Signal Processing，简称DSP）编写程序来完成，所述DSP可以设置在所述机械惯量辨识装置中。

本实施例，所述电机的转矩和转速采用公式（6）计算机械惯量，对负载惯量的近似更加精确，由于对时间间隔的时隙划分，电机调速系统对机械惯量精度的要求可以通过调整时隙的大小来控制，提高了机械惯量辨识的精度。同时，由于计算量小，所述机械惯量辨识方法的计算可以采用定点DSP编程，不会产生计算精度的丢失，提高了本发明机械惯量辨识方法的实用性。

优选地，在上述实施例的基础上，所述机械惯量辨识装置根据计算结果获取所述机械惯量可以包括：所述机械惯量辨识装置从所述至少两个时间间隔中确定多组时间间隔组，每组时间间隔组包括任意两个时间间隔；所述机械惯量辨识装置分别获取各组时间间隔组对应的计算结果，并将计算出的多个机械惯量值求平均值得出所述机械惯量。这样做的好处在于，可以进一步在小的计算量下提高机械惯量辨识的精度。

优选地，在上述实施例的基础上，所述第x个时间间隔和/或所述第y个时间间隔内，初始工作过程与最终工作过程均为匀速工作过程。这样做的好处在于，机械惯量辨识装置可以更加容易地获取到电机的转速，提高机械惯量的辨识效率。

优选地，在上述实施例的基础上，所述第x个时间间隔内的工作过程为一个匀速工作过程。这样做的好处在于，可以减少计算量，提高机械惯量的辨识效率，即公式（6）可以优化为：

$J=\frac{{\mathrm{nt}}_{\mathrm{cy}}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emx}}\left(i\right)t_{\mathrm{cx}}-{\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emy}}\left(j\right)t_{\mathrm{cy}}}{{-\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{yt}}-{\mathrm{\ω}}_{y0})}---\left(12\right)$

优选地，在上述实施例的基础上，所述至少两个时间间隔为时间相同的间隔。这样做的好处在于，可以进一步减小计算量，提高机械惯量的辨识效率。以公式（12）为例，nt_cy=mt_cx，则公式（12）可优化为：

$J=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emx}}\left(i\right)t_{\mathrm{cx}}-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emy}}\left(j\right)t_{\mathrm{cy}}}{{\mathrm{\ω}}_{y0}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{yt}}}---\left(13\right)$

实施例三

图3为本发明机械惯量辨识方法实施例三的流程图，本实施例在上述实施例的基础上，所述机械惯量辨识装置在电机带载工作过程中的至少两个时间间隔内分别采集电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速，包括：所述机械惯量辨识装置检测出所述电机带载工作处于第一转速达到第一设定时长时，控制所述电机的转速在第二设定时长内从第一转速变更为第二转速；所述机械惯量辨识装置检测出所述电机带载工作处于第二转速达到第二设定时长时，控制所述电机的转速在第三设定时长内从第二转速变更为第三转速；所述机械惯量辨识装置检测出所述电机带载工作处于第三转速达到第三设定时长时，控制所述电机的转速在第四设定时长内保持第三转速；所述机械惯量辨识装置采集所述第二设定时长和所述第四设定时长内所述电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速。如图3所示，本实施例中以机械惯量辨识装置为一变频器为例说明，所述方法可以按照如下流程进行：

S301、所述机械惯量辨识装置检测出所述电机带载工作处于第一转速达到第一设定时长时，控制所述电机的转速在第二设定时长内从第一转速变更为第二转速。

具体地，图4为本发明机械惯量辨识方法实施例三的电机转速与转矩随时间变化的关系图，如图4所示，第一设定时长t₁中，利用变频器的参数设置，设置为惯量辨识执行允许的条件下，在执行RUN电机起动惯量辨识命令之后，程序自动设置为电机转速为第一转速ω_m1，让电机转速在矢量控制速度闭环调节的情况下以较低的加速度运行到第一转速ω_m1，并且控制电机在第一转速ω_m1稳定运行一段时间，达到第一设定时长t₁。设置第一设定时长t₁有利于在下一时间段对电机电气参数的采集，可以有效避开电机在刚开机过程中电机的突跳、毛刺等干扰对电气参数采集的影响。之后，变频器程序给定电机转速自动设置为第二转速ω_m5，并且在矢量控制速度闭环调节的情况下让电机以较高的加速度从第一转速ω_m1加速运行到第二转速ω_m5，即第二设定时长t₂的电机加速工作部分。

S302、所述机械惯量辨识装置检测出所述电机带载工作处于第二转速达到第二设定时长时，控制所述电机的转速在第三设定时长内从第二转速变更为第三转速。

具体地，参考图4，变频器控制电机在第二转速ω_m5稳定运行一段时间，达到第二设定时长t₂之后，变频器程序给定电机转速自动设置为第三转速ω_m3，并且在矢量控制速度闭环调节的情况下控制电机以较低的加速度从第二转速ω_m5减速运行到第三转速ω_m3，即第三设定时长t₃内的电机减速部分。

S303、所述机械惯量辨识装置检测出所述电机带载工作处于第三转速达到第三设定时长时，控制所述电机的转速在第四设定时长内保持第三转速。

具体地，参考图4，电机在第三转速ω_m3稳定运行一段时间，达到第二设定时长t₃之后，变频器控制电机转速在第四设定时长t₄内保持第三转速ω_m3。可选地，本步骤中，还可以包括第五设定时长t₅，变频器控制电机在矢量控制情况下进行减速停机操作。

S304、所述机械惯量辨识装置采集所述第二设定时长和所述第四设定时长内所述电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速。

具体地，参考图4，变频器在第二设定时长t₂和第四设定时长t₄内在程序中断时隙（即所述至少两个时间间隔的时间间隙长度，如t_cx、t_cy）中获取所述电机的电气参数，再实时根据上述公式计算所述电机的转矩和转速。为了减少计算量，可以设计第二设定时长t₂等于第四设定时长t₄。

其中，S304可以在上述S301～S303之后进行，也可以在S301～S303控制电机工作过程中执行电机电气参数的采集和电机转矩和转速的计算，本实施例对此不做任何限制。另外，本实施例也可对两个以上的时间间隔进行了参数提取和计算，同时也可设置更多个设定时长，其实施原理一致，可根据实际要求设定。

S102、所述机械惯量辨识装置根据所述至少两个时间间隔内所述电机的转矩和转速计算得出所述机械惯量。

本实施例，机械惯量辨识装置通过对电机工作过程进行控制与检测，能够准确选取合适的时间间隔提取电机的电气参数，避开了电机工作不稳定的时间段，避免了由于电机突跳等不稳定干扰而导致参数采集不准确的问题，保证了参数采集的可靠性，提高了机械惯量辨识的准确性。

实施例四

图5为本发明机械惯量辨识装置实施例一的结构示意图，如图5所示，本实施例的装置可以包括：采集处理模块51和计算模块52，其中，所述采集处理模块51用于在电机带载工作过程中的至少两个时间间隔内分别采集电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速，其中至少一个时间间隔中包括至少一个变速工作时间段；所述计算模块52用于根据所述至少两个时间间隔内所述电机的转矩和转速计算得出所述机械惯量。

本实施例的装置，可以用于执行本发明实施例所提供的机械惯量辨识方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

实施例五

图6为本发明机械惯量辨识装置实施例二的结构示意图，如图6所示，本实施例在上述装置实施例的基础上，所述计算模块52可以包括：第一计算单元61和第二计算单元62，其中，所述第一计算单元61用于对两个时间间隔内所述电机的转矩和转速根据公式进行计算，所述公式为：

$J=\frac{{\mathrm{nt}}_{\mathrm{cy}}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emx}}\left(i\right)t_{\mathrm{cx}}-{\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emy}}\left(j\right)t_{\mathrm{cy}}}{{\mathrm{nt}}_{\mathrm{cy}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xt}}-{\mathrm{\ω}}_{x0})-{\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{yt}}-{\mathrm{\ω}}_{y0})}$

其中，J为机械惯量，m、n为所述两个时间间隔中的第x个时间间隔和第y个时间间隔被划分为时隙的个数，t_cx、t_cy为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的时间间隙长度，i、j所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的时间间隙序号，T_emx(i)、T_emy(j)为所述第x个时间间隔和第y个时间间隔内第i、j时隙的电机转矩，ω_xt、ω_yt为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的电机转速的末速度，ω_x0、ω_y0为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的电机转速的初速度，且nt_cy(ω_xt-ω_x0)-mt_cx(ω_yt-ω_y0)不为零；所述第二计算单元62用于根据计算结果获取所述机械惯量。

进一步，图7为本发明机械惯量辨识装置实施例二的另一结构示意图，如图7所示，所述第二计算单元62可以包括：选择子单元71和获取子单元72，其中，所述选择子单元71用于从所述至少两个时间间隔中确定多组时间间隔组，每组时间间隔组包括任意两个时间间隔，所述获取子单元72用于分别获取各组时间间隔组对应的计算结果，并将计算出的多个机械惯量值求平均值得出所述机械惯量。

本实施例的装置，可以用于执行本发明实施例所提供的机械惯量辨识方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

优选地，在上述装置实施例二的基础上，所述第x个时间间隔和/或所述第y个时间间隔内，初始工作过程与最终工作过程均为匀速工作过程。进一步，所述第x个时间间隔内的工作过程为一个匀速工作过程。本实施例的装置，可以用于执行本发明实施例所提供的机械惯量辨识方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

优选地，在上述装置实施例的基础上，所述至少两个时间间隔为时间相同的间隔。本实施例的装置，可以用于执行本发明实施例所提供的机械惯量辨识方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

实施例六

图8为本发明机械惯量辨识装置实施例三的结构示意图，本实施例在上述装置实施例的基础上，所述采集处理模块51包括：第一检测控制单元81、第二检测控制单元82、第三检测控制单元83和采集计算单元84。其中，所述第一检测控制单元81用于检测出所述电机带载工作处于第一转速达到第一设定时长时，控制所述电机的转速在第二设定时长内从第一转速变更为第二转速；所述第二检测控制单元82用于检测出所述电机带载工作处于第二转速达到第二设定时长时，控制所述电机的转速在第三设定时长内从第二转速变更为第三转速；所述第三检测控制单元83用于检测出所述电机带载工作处于第三转速达到第三设定时长时，控制所述电机的转速在第四设定时长内保持第三转速；所述采集计算单元84用于采集所述第二设定时长和所述第四设定时长内所述电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速。

本实施例的装置，可以用于执行本发明实施例所提供的机械惯量辨识方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

实施例七

图9为本发明电机调速系统实施例的结构示意图，如图9所示，本实施例的系统可以包括：电机91、负载92、电源93和控制器94，其中，还包括机械惯量辨识装置95；所述机械惯量辨识装置95集成在所述控制器94中，所述机械惯量辨识装置95从电机91中采集的电气参数得到机械惯量后，将机械惯量参数发送给所述控制器94，所述控制器94根据机械惯量参数对电机91进行速度控制，实现电机调速系统良好的速度响应和转矩响应。所述机械惯量辨识装置95可以采用本发明任意实施例所提供机械惯量辨识装置，其对应地，可以执行本发明任意实施例所提供的机械惯量辨识方法的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (15)

1.一种机械惯量辨识方法，其特征在于，包括：

机械惯量辨识装置在电机带载工作过程中的至少两个时间间隔内分别采集电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速，其中至少一个时间间隔中包括至少一个变速工作时间段；

所述机械惯量辨识装置根据所述至少两个时间间隔内所述电机的转矩和转速计算得出所述机械惯量。

2.根据权利要求1所述的机械惯量辨识方法，其特征在于，所述机械惯量辨识装置根据所述至少两个时间间隔内所述电机的转矩和转速计算得出所述机械惯量，包括：

所述机械惯量辨识装置对两个时间间隔内所述电机的转矩和转速根据公式进行计算，所述公式为：

$J=\frac{{\mathrm{nt}}_{\mathrm{cy}}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emx}}\left(i\right)t_{\mathrm{cx}}-{\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emy}}\left(j\right)t_{\mathrm{cy}}}{{\mathrm{nt}}_{\mathrm{cy}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xt}}-{\mathrm{\ω}}_{x0})-{\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{yt}}-{\mathrm{\ω}}_{y0})}$

其中，J为机械惯量，m、n为所述两个时间间隔中的第x个时间间隔和第y个时间间隔被划分为时隙的个数，t_cx、t_cy为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的时间间隙长度，i、j为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的时间间隙序号，T_emx(i)、T_emy(j)为所述第x个时间间隔和第y个时间间隔内第i、j时隙的电机转矩，ω_xt、ω_yt为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的电机转速的末速度，ω_x0、ω_y0为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的电机转速的初速度，且nt_cy(ω_xt-ω_x0)-mt_cx(ω_yt-ω_y0)不为零；

所述机械惯量辨识装置根据计算结果获取所述机械惯量。

3.根据权利要求2所述的机械惯量辨识方法，其特征在于，所述机械惯量辨识装置根据计算结果获取所述机械惯量包括：

所述机械惯量辨识装置从所述至少两个时间间隔中确定多组时间间隔组，每组时间间隔组包括任意两个时间间隔；

所述机械惯量辨识装置分别获取各组时间间隔组对应的计算结果，并将计算出的多个机械惯量值求平均值得出所述机械惯量。

4.根据权利要求2所述的机械惯量辨识方法，其特征在于，所述第x个时间间隔和/或所述第y个时间间隔内，初始工作过程与最终工作过程均为匀速工作过程。

5.根据权利要求4所述的机械惯量辨识方法，其特征在于，所述第x个时间间隔内的工作过程为一个匀速工作过程。

6.根据权利要求1-5任一所述的机械惯量辨识方法，其特征在于，所述至少两个时间间隔为时间相同的间隔。

7.根据权利要求1-5任一所述的机械惯量辨识方法，其特征在于，机械惯量辨识装置在电机带载工作过程中的至少两个时间间隔内分别采集电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速，包括：

所述机械惯量辨识装置检测出所述电机带载工作处于第一转速达到第一设定时长时，控制所述电机的转速在第二设定时长内从第一转速变更为第二转速；

所述机械惯量辨识装置检测出所述电机带载工作处于第二转速达到第二设定时长时，控制所述电机的转速在第三设定时长内从第二转速变更为第三转速；

所述机械惯量辨识装置检测出所述电机带载工作处于第三转速达到第三设定时长时，控制所述电机的转速在第四设定时长内保持第三转速；

所述机械惯量辨识装置采集所述第二设定时长和所述第四设定时长内所述电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速。

8.一种机械惯量辨识装置，其特征在于，包括：

采集处理模块，用于在电机带载工作过程中的至少两个时间间隔内分别采集电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速，其中至少一个时间间隔中包括至少一个变速工作时间段；

计算模块，用于根据所述至少两个时间间隔内所述电机的转矩和转速计算得出所述机械惯量。

9.根据权利要求8所述的机械惯量辨识装置，其特征在于，所述计算模块包括：

第一计算单元，用于对两个时间间隔内所述电机的转矩和转速根据公式进行计算，所述公式为：

$J=\frac{{\mathrm{nt}}_{\mathrm{cy}}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emx}}\left(i\right)t_{\mathrm{cx}}-{\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{emy}}\left(j\right)t_{\mathrm{cy}}}{{\mathrm{nt}}_{\mathrm{cy}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xt}}-{\mathrm{\ω}}_{x0})-{\mathrm{mt}}_{\mathrm{cx}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{yt}}-{\mathrm{\ω}}_{y0})}$

其中，J为机械惯量，m、n为所述两个时间间隔中的第x个时间间隔和第y个时间间隔被划分为时隙的个数，t_cx、t_cy为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的时间间隙长度，i、j所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的时间间隙序号，T_emx(i)、T_emy(j)为所述第x个时间间隔和第y个时间间隔内第i、j时隙的电机转矩，ω_xt、ω_yt为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的电机转速的末速度，ω_x0、ω_y0为所述第x个时间间隔和所述第y个时间间隔的电机转速的初速度，且nt_cy(ω_xt-ω_x0)-mt_cx(ω_yt-ω_y0)不为零；

第二计算单元，用于根据计算结果获取所述机械惯量。

10.根据权利要求9所述的机械惯量辨识装置，其特征在于，所述第二计算单元包括：

选择子单元，用于从所述至少两个时间间隔中确定多组时间间隔组，每组时间间隔组包括任意两个时间间隔；

获取子单元，用于分别获取各组时间间隔组对应的计算结果，并将计算出的多个机械惯量值求平均值得出所述机械惯量。

11.根据权利要求9所述的机械惯量辨识装置，其特征在于，所述第x个时间间隔和/或所述第y个时间间隔内，初始工作过程与最终工作过程均为匀速工作过程。

12.根据权利要求11所述的机械惯量辨识装置，其特征在于，所述第x个时间间隔内的工作过程为一个匀速工作过程。

13.根据权利要求8-12所述的机械惯量辨识装置，其特征在于，所述至少两个时间间隔为时间相同的间隔。

14.根据权利要求8-12所述的机械惯量辨识装置，其特征在于，所述采集处理模块包括：

第一检测控制单元，用于检测出所述电机带载工作处于第一转速达到第一设定时长时，控制所述电机的转速在第二设定时长内从第一转速变更为第二转速；

第二检测控制单元，用于检测出所述电机带载工作处于第二转速达到第二设定时长时，控制所述电机的转速在第三设定时长内从第二转速变更为第三转速；

第三检测控制单元，用于检测出所述电机带载工作处于第三转速达到第三设定时长时，控制所述电机的转速在第四设定时长内保持第三转速；

采集计算单元，用于采集所述第二设定时长和所述第四设定时长内所述电机的电气参数，并计算所述电机的转矩和转速。

15.一种电机调速系统，包括电机、负载、电源和控制器，其特征在于，还包括权利要求8-14任一所述的机械惯量辨识装置；所述机械惯量辨识装置集成在所述控制器中。

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