CN104596702A

CN104596702A - 一种固有转动惯量的测量方法

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Publication number: CN104596702A
Application number: CN201410810582.XA
Authority: CN
Inventors: 陈建华; 兰晓栋; 张志杰; 许明; 杨红伟; 李�杰; 朱清; 李小龙
Original assignee: Beijing Shougang Co Ltd
Current assignee: Beijing Shougang Co Ltd
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2015-05-06

Abstract

本发明提供一种固有转动惯量的测量方法，所述方法包括：在转矩控制模式下，对电机施加恒定的第一力矩，控制所述电机从第一速度旋转到与所述第一速度不同的第二速度，从而能够获得第一力矩平衡方程；当所述电机处于所述第二速度时，对所述电机施加恒定的第二力矩，控制所述电机从所述第二速度旋转到所述第一速度，从而能够获得第二力矩平衡方程，其中，所述第二力矩与所述第一力矩大小相等且方向相反；基于所述第一力矩平衡方程和所述第二力矩平衡方程，确定所述电机的固有转动惯量。

Description

一种固有转动惯量的测量方法

技术领域

本发明涉及电机传动技术领域，尤其涉及一种固有转动惯量的测量方法。

背景技术

在生产中，冷轧连续退火线卷取机需要保持张力稳定，当张力不稳定时，会使带钢发生抖动，造成钢卷边部不整齐，严重时甚至发生断带事故。然而，由于卷取机转动惯量的存在，在加速或者减速时，会产生惯性加速力矩，从而使带钢张力产生波动。因此，卷取机张力控制模型需要实时根据卷取机的转动惯量和加速度计算出惯性加速力矩，并在控制中进行补偿以保证张力恒定。

电机轴上的总转动惯量包括可变转动惯量J_var和固有转动惯量J₀两个部分。其中，钢卷的转动惯量等效到电机轴上的部分为可变转动惯量J_var，电机的转动惯量、卷筒及减速机的转动惯量等效到电机轴上的部分为固有转动惯量J₀。

在现有技术中，对于固有转动惯量J₀的测量，通常需要利用机械和自动化两个方面的计算才能获得，然而，由于机械和自动化的计算口径存在不统一的问题，因此，测量出的固有转动惯量J₀往往不准确，从而造成卷取机传动系统跟踪特性差、张力波动。

发明内容

本发明实施例通过提供一种固有转动惯量的测量方法，解决了现有技术中测量出的固有转动惯量准确度低的技术问题。

本发明实施例提供一种固有转动惯量的测量方法，所述方法包括：

在转矩控制模式下，对电机施加恒定的第一力矩，控制所述电机从第一速度旋转到与所述第一速度不同的第二速度，从而能够获得第一力矩平衡方程；

当所述电机处于所述第二速度时，对所述电机施加恒定的第二力矩，控制所述电机从所述第二速度旋转到所述第一速度，从而能够获得第二力矩平衡方程，其中，所述第二力矩与所述第一力矩大小相等且方向相反；

基于所述第一力矩平衡方程和所述第二力矩平衡方程，确定所述电机的固有转动惯量。

优选的，在控制所述电机从第一速度旋转到与所述第一速度不同的第二速度之后，还包括：

确定由所述第一速度旋转到所述第二速度所需的时间为第一间隔时间。

优选的，在控制所述电机从所述第二速度旋转到所述第一速度之后，还包括：

确定由所述第二速度旋转到所述第一速度所需的时间为第二间隔时间。

优选的，所述第一力矩平衡方程由所述第一力矩、所述第一速度和所述第二速度之间的速度差、所述第一间隔时间、所述电机的摩擦力矩，以及所述固有转动惯量确定。

优选的，所述第二力矩平衡方程由所述第二力矩、所述第二速度和所述第一速度之间的速度差、所述第二间隔时间、所述电机的摩擦力矩，以及所述固有转动惯量确定。

优选的，所述第一力矩的大小为所述电机的额定转矩的10％。

优选的，所述第一速度为0，且所述第二速度为所述电机的额定转速的一半。

优选的，所述第一速度为所述电机的额定转速的一半，所述第二速度为0。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

通过在转矩控制模式下，分别向电机施加恒定的第一力矩和第二力矩，其中，第一力矩和第二力矩大小相等且方向相反，在第一力矩和第二力矩的作用下，控制电机从第一速度旋转到与第一速度不同的第二速度，再从第二速度旋转到第一速度，根据电机加速的过程和减速的过程，能够分别获得一力矩平衡方程，进而，根据加速过程的力矩平衡方程和减速过程的力矩平衡方程，能够确定电机的固有转动惯量，不再需要从机械和自动化两个方面进行计算，避免了计算口径不统一而存在的测量准确度低的问题，提高了测量出的固有转动惯量的准确度，从而能够在控制中更准确的进行补偿，提高了传动系统的跟踪特性。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中固有转动惯量的测量方法的流程图。

具体实施方式

为了解决现有技术中测量出的固有转动惯量准确度低的技术问题，本发明实施例提供了一种固有转动惯量的测量方法，通过在转矩控制模式下，分别向电机施加恒定的第一力矩和第二力矩，其中，第一力矩和第二力矩大小相等且方向相反，在第一力矩和第二力矩的作用下，控制电机从第一速度旋转到与第一速度不同的第二速度，再从第二速度旋转到第一速度，根据电机加速的过程和减速的过程，能够分别获得一力矩平衡方程，进而，根据加速过程的力矩平衡方程和减速过程的力矩平衡方程，能够确定电机的固有转动惯量，不再需要从机械和自动化两个方面进行计算，避免了计算口径不统一而存在的测量准确度低的问题，提高了测量出的固有转动惯量的准确度。

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。

本申请提供一种固有转动惯量的测量方法，应用于开卷机或卷取机的电机传动系统中，如图1所示，所述方法包括：

步骤101：在转矩控制模式下，对电机施加恒定的第一力矩，控制所述电机从第一速度旋转到与所述第一速度不同的第二速度，从而能够获得第一力矩平衡方程；

步骤102：当所述电机处于所述第二速度时，对所述电机施加恒定的第二力矩，控制所述电机从所述第二速度旋转到所述第一速度，从而能够获得第二力矩平衡方程，其中，所述第二力矩与所述第一力矩大小相等且方向相反；

步骤103：基于所述第一力矩平衡方程和所述第二力矩平衡方程，确定所述电机的固有转动惯量。

在本申请中，根据第一速度改变过程能够建立第一力矩平衡方程，根据第二速度改变过程能够建立第二力矩平衡方程。

需要说明的是，本申请中的第一速度v₁可以大于第二速度v₂，第一速度v₁也可以小于第二速度v₂。当第一速度v₁小于第二速度v₂时，电机由第一速度v₁旋转至第二速度v₂执行的是加速的过程，电机由第二速度v₂旋转至第一速度v₁执行的是减速的过程，即，电机先加速后减速；当第一速度v₁大于第二速度v₂时，电机由第一速度v₁旋转至第二速度v₂执行的是减速的过程，电机由第二速度v₂旋转至第一速度v₁执行的是加速的过程，即电机先减速后加速。

当施加的力矩的方向与电机的速度的方向不一致，则电机将减速，当施加的力矩的方向与电机的速度的方向一致，则电机将加速。例如，当第一速度v₁不为零时，若施加的第一力矩与第一速度v₁的方向一致，则电机将加速，进而，第二速度v₂大于第一速度v₁，若施加的第二力矩与第一速度v₁的方向不一致，则电机将减速，进而，第二速度v₂小于第一速度v₁。

进而，根据电机的加速和减速过程，能够分别获得一力矩平衡方程。根据加速力矩平衡方程和减速力矩平衡方程，能够确定电机的固有转动惯量。

在具体实施过程中，首先将电机传动系统调整到转矩控制模式，在转矩控制模式下，对电机传动系统中的电机施加恒定的第一力矩M_B，通常，第一力矩的大小为电机的额定转矩的10％。在恒定的第一力矩M_B的作用下，电机旋转的速度发生改变，控制电机从第一速度v₁旋转到第二速度v₂，其中，第一速度v₁与第二速度v₂不同。优选的，第一速度和第二速度之中较大的速度值为电机额定转速的一半。在电机的速度从第一速度v₁改变到第二速度v₂的过程中，能够获得第一力矩平衡方程。

在步骤101之后，本申请的所述测量方法还包括步骤：

第一力矩平衡方程由第一力矩M_B、第一速度v₁和第二速度v₂之间的速度差、第一间隔时间T₁、电机的摩擦力矩M_f，以及固有转动惯量J₀确定。

在本申请中，当电机处于第二速度v₂时，对电机施加恒定的第二力矩-M_B，控制电机从第二速度v₂旋转到第一速度v₁，其中，第二力矩-M_B与第一力矩M_B大小相等且方向相反。在电机的速度从第二速度v₂改变到第一速度v₁的过程中，能够获得第二力矩平衡方程。

在步骤102之后，本申请的所述测量方法还包括步骤：

第二力矩平衡方程由第二力矩-M_B、第二速度v₂和第一速度v₁之间的速度差、第二间隔时间T₂、电机的摩擦力矩M_f，以及固有转动惯量J₀确定。

具体的，加速过程和减速过程中的力矩平衡方程具有如下通式：

M_{B}^{'} = 2 π \cdot (v_{t 2} - v_{t 1}) \cdot J_{0}^{'} \frac{1}{T} - M_{f}^{'}

M′_B为电机输出力矩，v_t2为电机在时刻t2的速度，v_t1为电机在时刻t1的速度，t2＞t1，M′_f为电机的摩擦力矩，J′₀为电机的固有转动惯量，T为t2和t1之间的间隔时间。

其中，力矩M′_B的方向与(v_t2-v_t1)的方向一致，在加速时，M′_B＞0，(v_t2-v_t1)＞0，在减速时，M′_B＜0，(v_t2-v_t1)＜0，摩擦力矩在较小的速度变化范围内数值基本不变，其与转动方向相反，即摩擦力矩阻碍电机转动。

在获得第一力矩平衡方程和第二力矩平衡方程之后，基于第一力矩平衡方程和第二力矩平衡方程，通过消除电机的摩擦力矩M_f，能够确定电机的固有转动惯量。

在本申请的一种优选的实施方式中，对电机施加的第一力矩M_B与第一速度v₁的方向一致，第二速度v₂大于第一速度v₁，控制电机从第一速度v₁加速到预设的第二速度v₂，当电机达到第二速度v₂时，对电机施加第二力矩-M_B，控制电机从第二速度v₂减速到第一速度v₁。其中，第一速度也可以为0，优选的，第一速度为0，且第二速度为电机额定转速的一半。

其中，根据电机加速的过程能够获得第一力矩平衡方程，即加速力矩平衡方程，根据电机减速的过程能够获得第二力矩平衡方程，即减速力矩平衡方程。具体的，在加速和减速的过程中，分别记录速度变化所需的时间，即，第一间隔时间T₁和第二间隔时间T₂。

电机加速过程中的第一力矩平衡方程为：

M_{B} = 2 π \cdot (v_{2} - v_{1}) \cdot J_{0} \frac{1}{T_{1}} - M_{f}

电机减速过程中的第二力矩平衡方程为：

- M_{B} = 2 π \cdot (v_{1} - v_{2}) \cdot J_{0} \frac{1}{T_{2}} - M_{f}

根据第一力矩平衡方程和第二力矩平衡方程，在消除摩擦力矩M_f后，得到下式：

M_{B} = 2 π \cdot (v_{2} - v_{1}) \cdot J_{0} \frac{1}{T_{m}}

其中，T_m为等效时间，最终，整理可得：

J_{0} = \frac{M_{B}}{2 π (v_{2} - v_{1})} \cdot T_{M}

在本申请的另外一种实施方式中，当电机存在初始速度时，对电机施加的第一力矩M_B与第一速度v₁的方向不一致，第二速度v₂小于第一速度v₁，控制电机从第一速度v₁减速到预设的第二速度v₂，当电机达到第二速度v₂时，对电机施加第二力矩-M_B，控制电机从第二速度v₂加速到第一速度v₁。优选的，第一速度v₁为电机额定转速的一半，第二速度v₂为0。

其中，根据电机减速的过程能够获得第一力矩平衡方程，即减速力矩平衡方程，根据电机减速的过程能够获得第二力矩平衡方程，即加速力矩平衡方程。具体的，在减速和加速的过程中，分别记录速度变化所需的时间，即，第一间隔时间T₁和第二间隔时间T₂。

电机减速过程中的第一力矩平衡方程为：

M_{B} = 2 π \cdot (v_{2} - v_{1}) \cdot J_{0} \frac{1}{T_{1}} - M_{f}

电机加速过程中的第二力矩平衡方程：

- M_{B} = 2 π \cdot (v_{1} - v_{2}) \cdot J_{0} \frac{1}{T_{2}} - M_{f}

M_{B} = 2 π \cdot (v_{2} - v_{1}) \cdot J_{0} \frac{1}{T_{m}}

其中，T_m为等效时间，最终，整理可得：

J_{0} = \frac{M_{B}}{2 π (v_{2} - v_{1})} \cdot T_{M}

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种固有转动惯量的测量方法，其特征在于，所述方法包括：

2.如权利要求1所述的固有转动惯量的测量方法，其特征在于，在控制所述电机从第一速度旋转到与所述第一速度不同的第二速度之后，还包括：

3.如权利要求1所述的固有转动惯量的测量方法，其特征在于，在控制所述电机从所述第二速度旋转到所述第一速度之后，还包括：

4.如权利要求2所述的固有转动惯量的测量方法，其特征在于，所述第一力矩平衡方程由所述第一力矩、所述第一速度和所述第二速度之间的速度差、所述第一间隔时间、所述电机的摩擦力矩，以及所述固有转动惯量确定。

5.如权利要求3所述的固有转动惯量的测量方法，其特征在于，所述第二力矩平衡方程由所述第二力矩、所述第二速度和所述第一速度之间的速度差、所述第二间隔时间、所述电机的摩擦力矩，以及所述固有转动惯量确定。

6.如权利要求1所述的固有转动惯量的测量方法，其特征在于，所述第一力矩的大小为所述电机的额定转矩的10％。

7.如权利要求1所述的固有转动惯量的测量方法，其特征在于，所述第一速度为0，且所述第二速度为所述电机的额定转速的一半。

8.如权利要求1所述的固有转动惯量的测量方法，其特征在于，所述第一速度为所述电机的额定转速的一半，所述第二速度为0。