CN105471353A - 伺服电机转动惯量辨识方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种伺服电机转动惯量辨识方法和装置。该方法包括：通过速度发生器控制伺服电机按预定的速度曲线运行；实时获取所述伺服电机与所述速度曲线对应的转矩参数；在所述速度发生器的加减速基带信号的宽度范围内确定用于提取有用转矩信号的一级窗口；根据所述一级窗口提取所述第一转矩信号；利用二级窗口传递函数对所述第一转矩信号处理后得到第二转矩信号；根据所述速度曲线的一个周期内的两次恒定加速度的变化过程所对应的第二转矩，辨识出所述伺服电机的转动惯量。通过本发明中的一级窗口和二级窗口，利用二级“窗口”滤波处理低速、高速、强磁干扰时反馈转速和转矩震荡引起的辨识误差问题。

Description

伺服电机转动惯量辨识方法和装置

技术领域

本发明涉及伺服电机领域，具体而言，涉及一种伺服电机转动惯量辨识方法和装置。

背景技术

CN101697763A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。该专利在离线条件下，通过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。同时，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转动惯量都是常值。

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到达速度给定值。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震荡，限制了辨识的精度。此外，电机由静止转为运动时，摩擦阻力由静摩擦转为动摩擦且变化较大，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响了辨识精度。

发明内容

本发明实施例中提供一种辨识精度高的伺服电机转动惯量辨识方法和装置。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种伺服电机转动惯量辨识方法，包括：通过速度发生器控制伺服电机按预定的速度曲线运行；实时获取所述伺服电机与所述速度曲线对应的转矩参数；在所述速度发生器的加减速基带信号的宽度范围内确定用于提取有用转矩信号的一级窗口；根据所述一级窗口提取所述第一转矩信号；利用二级窗口传递函数对所述第一转矩信号处理后得到第二转矩信号；根据所述速度曲线的一个周期内的两次恒定加速度的变化过程所对应的第二转矩，辨识出所述伺服电机的转动惯量。

作为优选，所述转动惯量根据下式进行辨识：

$J_1=\frac{60K_t{T}_c}{4\mathrm{\π}N}\[\underset{n=n_0+\frac{xT}{T_c}}{\overset{n=n_0+\frac{(x+1)T}{T_c}}{\Σ}}{i}_{qxT}\left(n\right)-\underset{n=n_0+\frac{yT}{T_c}}{\overset{n=n_0+\frac{(y+1)T}{T_c}}{\Σ}}{i}_{qyT}\left(n\right)\]$

J为转动惯量，单位kg·m²；

K_t为等效转矩系数，单位N·m；

T_c为电流采样周期，单位s；

xT是加速度惯量辨识的时间起点，单位s；

(x+1)T是加速度惯量辨识的时间终点，单位s；

yT是减速度惯量辨识的时间起点，单位s；

(y+1)T是减速度惯量辨识的时间终点，单位s；

i_qxT(n)是第n次(xT，(x+1)T)加速阶段伺服电机的等效q轴电流，单位A；

i_qyT(n)为第n次(yT，(y+1)T)减速阶段伺服电机的等效q轴电流，单位A；

N为伺服电机的转速，单位rpm；

n0为计算伺服电机的等效q轴电流次数的初始化值。

作为优选，所述方法还包括：从所述一个周期内获得多个所述转动惯量；根据所述多个转动惯量得到该周期的第一平均转动惯量。

作为优选，所述方法还包括根据多个连续周期内的第一平均转动惯量得到第二平均转动惯量。

作为优选，所述速度曲线包括多个不同加速度的加速阶段和/或减速阶段。

作为优选，所述两次恒定加速度的变化过程中的加速度不同。

作为优选，所述方法还包括：从所述速度发生器的多种预存速度曲线生成模式中进行选择和设置，以得到所述预定的速度曲线。

作为优选，所述多种预存速度曲线生成模式包括正转周期模式、反转周期模式、正转周期加反转周期模式、以及反转周期加正转周期模式。

作为优选，所述多种预存速度曲线生成模式均包括多级加速和多级减速；根据负载特性对选定的所述预存速度曲线生成模式的幅值、和/或频率、和/或循环周期个数、和/或匀速时间、和/或加减速时间设置后得到所述预定的速度曲线。

本发明还提供了一种伺服电机转动惯量辨识装置，包括：控制模块，用于通过速度发生器控制伺服电机按预定的速度曲线运行；转矩获取模块，用于实时获取所述伺服电机与所述速度曲线对应的转矩参数；一级窗口确定模块，用于在所述速度发生器的加减速基带信号的宽度范围内确定用于提取有用转矩信号的一级窗口；第一转矩提取模块，用于根据所述一级窗口提取所述第一转矩信号；第二转矩提取模块，用于利用二级窗口传递函数对所述第一转矩信号处理后得到第二转矩信号；辨识模块，用于根据所述速度曲线的一个周期内的两次恒定加速度的变化过程所对应的第二转矩，辨识出所述伺服电机的转动惯量。

作为优选，所述转动惯量根据下式进行辨识：

$J_1=\frac{60K_t{T}_c}{4\mathrm{\π}N}\[\underset{n=n_0+\frac{xT}{T_c}}{\overset{n=n_0+\frac{(x+1)T}{T_c}}{\Σ}}{i}_{qxT}\left(n\right)-\underset{n=n_0+\frac{yT}{T_c}}{\overset{n=n_0+\frac{(y+1)T}{T_c}}{\Σ}}{i}_{qyT}\left(n\right)\]$

J为转动惯量，单位kg·m²；

K_t为等效转矩系数，单位N·m；

T_c为电流采样周期，单位s；

xT是加速度惯量辨识的时间起点，单位s；

(x+1)T是加速度惯量辨识的时间终点，单位s；

yT是减速度惯量辨识的时间起点，单位s；

(y+1)T是减速度惯量辨识的时间终点，单位s；

i_qxT(n)是第n次(xT，(x+1)T)加速阶段伺服电机的等效q轴电流，单位A；

i_qyT(n)为第n次(yT，(y+1)T)减速阶段伺服电机的等效q轴电流，单位A；

N为伺服电机的转速，单位rpm；

n0为计算伺服电机的等效q轴电流次数的初始化值。

作为优选，所述装置还包括：第一平均转动惯量计算模块，用于根据从所述一个周期内获得的多个所述转动惯量得到该周期的第一平均转动惯量。

作为优选，所述装置还包括：第一平均转动惯量计算模块，用于根据多个连续周期内的第一平均转动惯量得到第二平均转动惯量。

通过本发明中的一级窗口和二级窗口，利用二级“窗口”滤波处理低速、高速、强磁干扰时反馈转速和转矩震荡引起的辨识误差问题。

附图说明

图1是本发明实施例的伺服电机转动惯量辨识方法的流程图；

图2是一级窗口示意图；

图3是一个实施例中的速度发生器生成的波形示意图；

图4是本发明一个实施例中的用于进行转动惯量辨识的测试系统的示意图；

图5是一个实施例中的转动惯量辨识结果；

图6是本发明中的伺服电机转动惯量辨识装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明提供了一种伺服电机转动惯量辨识方法，包括：通过速度发生器1控制伺服电机2按预定的速度曲线运行；实时获取所述伺服电机2与所述速度曲线对应的转矩参数；在所述速度发生器1的加减速基带信号的宽度范围内确定用于提取有用转矩信号的一级窗口；根据所述一级窗口提取所述第一转矩信号；利用二级窗口传递函数对所述第一转矩信号处理后得到第二转矩信号；根据所述速度曲线的一个周期内的两次恒定加速度的变化过程所对应的第二转矩，辨识出所述伺服电机的转动惯量。

本发明中的方法首先控制速度发生器1控制伺服电机2按预定的速度曲线运行，在此过程中，实时采用伺服电机2运行的速度及转矩参数。如图2所示，本发明在速度发生器1的加减速基带信号[A,B](极短时间内，对应的转矩恒定)的范围内，确定一个更小的范围[M,N]以构成一级窗口，并从这个一级窗口中提取出第一转矩信号Jn＝f(t)。其中，A<M<N<B，A接近低速，B接近高速。

这样，图2中的一级窗口[M,N]范围内的信号可以表示为X_MN＝f(t)+e1(t)，其中，e1(t)为噪声；加减速基带信号[A,B]范围内的信号可以表示为X_AB＝f1(t)+e(t)其中，f1(t)为有用的转矩信号，e(t)为噪声。

由于在[A,B]窗口范围内的信号在A或B处的转矩不可能恒定，为了采集到恒定的转矩信号，本发明在加减速基带信号[A,B]内设置了一个更小的采集窗口，即一级窗口[M,N]，因此，滤除了[A,B]两端的不稳定信号，因而，保证了数据的稳定性、可靠性和精度。

进一步地，二级窗口的传递函数可以为：

$H\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_N^2}{s^2+2{\mathrm{\&epsiv;\&omega;}}_N+{\mathrm{\&omega;}}_N^2}---\left(1\right)$

采用二级窗口进一步滤除了一级窗口中提取信号中的噪声。

可见，通过本发明中的一级窗口和二级窗口，利用二级“窗口”滤波处理低速、高速、强磁干扰时反馈转速和转矩震荡引起的辨识误差问题。

优选地，所述转动惯量根据下式进行辨识：

$J_1=\frac{60K_t{T}_c}{4\mathrm{\&pi;}N}\&lsqb;\underset{n=n_0+\frac{xT}{T_c}}{\overset{n=n_0+\frac{(x+1)T}{T_c}}{\&Sigma;}}{i}_{qxT}\left(n\right)-\underset{n=n_0+\frac{yT}{T_c}}{\overset{n=n_0+\frac{(y+1)T}{T_c}}{\&Sigma;}}{i}_{qyT}\left(n\right)\&rsqb;---\left(2\right)$

其中：

J为转动惯量，单位kg·m²；

K_t为等效转矩系数，单位N·m；

T_c为电流采样周期，单位s；

xT是加速度惯量辨识的时间起点，单位s；

(x+1)T是加速度惯量辨识的时间终点，单位s；

yT是减速度惯量辨识的时间起点，单位s；

(y+1)T是减速度惯量辨识的时间终点，单位s；

i_qxT(n)是第n次(xT，(x+1)T)加速阶段伺服电机的等效q轴电流，单位A；

i_qyT(n)为第n次(yT，(y+1)T)减速阶段伺服电机的等效q轴电流，单位A；

N为伺服电机的转速，单位rpm；

n0为计算伺服电机的等效q轴电流次数的初始化值。

下面，对上述公式的推导过程和原理进行详细说明：

当速度发生器1生成图3所示的波形后，采用i_d＝0(其中，id为电机控制dq轴坐标系中d轴的电流)的磁场定向FOC(磁场定向控制)矢量控制。由于电流环的频率响应要比外环速度环的频率响应快得多，可以忽略电流环的暂态过程，近似认为电磁转矩T_e同i_q成正比关系其公式如下：

T_e(t)＝K_ti_q(3)

如果伺服电机以恒定的加减速度运行，以图3中的T₁、T₄阶段为例计算转动惯量，当然也可用任何两个阶段来计算转动惯量，根据下述公式

$T_e\left(t\right)=J\frac{d\mathrm{\&omega;}}{dt}+T_l\left(t\right)+B\mathrm{\&omega;}---\left(4\right)$

其中，Te为电磁转矩，J为转动惯量，ω为电机转子机械角速度，T_l(t)为负载转矩，B为粘滞系数。

可知：

在正转周期的T₁阶段：

$J_1\&CenterDot;({\mathrm{\&omega;}}_1-0)={\&Integral;}_0^{T_1}{T}_{e1}\left(t\right)tdt-T_l\&CenterDot;T-B\mathrm{\&omega;}T---\left(5\right)$

其中，T为T₁阶段的时间，T_e1为T₁阶段的电磁转矩，J₁为T₁阶段的转动惯量，ω₁为T₁阶段的电机转子机械角速度，T_l为T₁阶段的负载转矩，B为粘滞系数。

在正转周期的T₄阶段：

$J_1\&CenterDot;(0-{\mathrm{\&omega;}}_1)={\&Integral;}_{T_3}^{T_4}{T}_{e2}\left(t\right)tdt-T_l\&CenterDot;T-B\mathrm{\&omega;}T---\left(6\right)$

其中，T为T₄阶段的时间，T_e2为T₄阶段的电磁转矩，J₁为T₄阶段的转动惯量，ω₁为T₄阶段的电机转子机械角速度，T_l为T₄阶段的负载转矩，B为粘滞系数。

设控制时间T为10ms，这个控制时间极短，因此，负载转动惯量J₁、负载转矩T_l和粘滞摩擦力可认为恒定，因此，在正转周期内由公式(5)-(6)，可得：

$J_1\&CenterDot;\left(2{\mathrm{\&omega;}}_1\right)={\&Integral;}_0^{T_1}{T}_{e1}\left(t\right)tdt-{\&Integral;}_{T_3}^{T_4}{T}_{e2}\left(t\right)tdt---\left(7\right)$

其中，公式(5)-(6)的结果抵消了T_l·T和BωT产生的惯量。

然后，将公式(7)的参数单位标准及离散化得公式(2)，即转动惯量的计算公式。

同理，在一个负转周期内任何两个阶段内，根据公式(2)也可以计算出转动惯量J₂。

可见，通过公式(7)可以通过多循环周期自由组合惯量相减的方式，抵消摩擦力的变化以及粘滞阻力对辨识精度的影响。

优选地，所述方法还包括：从所述一个周期内获得多个所述转动惯量；根据所述多个转动惯量得到该周期的第一平均转动惯量。在如图3所示的速度波形发生器内，一个循环周期可以辨识出J₁、J₂、J₃、J₄四个转动惯量(当然，也可以是其他数目的转动量，并不限于四个)，这样可进行平均滤波，即：

J＝(J₁+J₂+J₃+J₄)/4(8)

通过公式(8)可以获得在一个循环周期内的更为准确的转动惯量，从而提高了辨识的精度。

优选地，所述方法还包括根据多个连续周期内的第一平均转动惯量得到第二平均转动惯量。在此实施例中，在K个循环周期内，记第K个循环周期的转动惯量为J_k，可得平均转动惯量：

J＝(J₁+···+J_k)/K(9)

通过公式(9)可以获得在K个循环周期内的更为准确的转动惯量，从而提高了辨识的精度。

通过公式(8)和/或(9)的多次运用平均值滤波处理方法，提高了负载转动惯量辨识的精度保证了转动惯量辨识的精度、稳定性、可靠性，使辨识数据更加真实可信。经多重滤波器滤波后,向速度发生器1输出转动惯量J,以调节速度调节器3的K_ps、K_is参数，从而保持伺服电机的稳定、可靠运行，其中，K_psK_is为速度调节器的PI参数。

图4示出了利用本发明中的上述方法进行辨识的一个具体的实施过程。如图4所示，该测试系统包括速度发生器1、速度调节器3、转矩(电流)调节器4、转动惯量辨识器5、滤波器6、PWM调制器7、伺服电机2及其对应的辅助硬件。

在伺服电机空载或者恒定负载运行情况下，由速度发生器1生成各种形式的指定速度ω(t)，让伺服电机2以该速度ω(t)运行。通过速度环反馈，速度调节器实时跟随加减速运行，分别检测伺服电机2在加减速运行时，转矩(电流)调节器4反馈的转矩电流分量i_q。

然后，转动惯量辨识器5根据反馈的速度和转矩电流，计算转动惯量，特别地，可利用公式(2)计算转动惯量。更特别地，转动惯量辨识器5还可以通过公式(8)和/或(9)进行平均转动惯量的计算，将其提供给速度调节器，以调节速度调节器3的K_ps、K_is参数，从而保持伺服电机的稳定、可靠运行。

进一步地，本发明在对伺服电机的转动惯量进行一次辨识的过程中，采用了两次恒定加速度变化的速度变化时间内的平均转矩和平均速度，因此，在极短周期时间内可认为负载转矩和粘滞阻尼系数是恒定的，这样，根据惯量计算公式,两次惯量的差可抵消该部分的影响。

在实际运行中，电流的跟踪能力会受到反电动势及负载的影响，转矩很难在加减速过程中保持恒定。因此根据负载特性，生成特定宽度的匀加减速度，能增强电流的跟踪能力，同时提高转动惯量的辨识精度。为此，优选地，所述速度曲线包括多个不同加速度的加速阶段和/或减速阶段。优选地，所述两次恒定加速度的变化过程中的加速度不同。这样，可根据应用场合、特别是距离、位置受限环境下，灵活地设置速度发生器。优选地，所述方法还包括：从所述速度发生器1的多种预存速度曲线生成模式中进行选择和设置，以得到所述预定的速度曲线。

优选地，所述多种预存速度曲线生成模式包括正转周期模式、反转周期模式、正转周期加反转周期模式、以及反转周期加正转周期模式。

优选地，所述多种预存速度曲线生成模式均包括多级加速和多级减速；根据负载特性对选定的所述预存速度曲线生成模式的幅值、和/或频率、和/或循环周期个数、和/或匀速时间、和/或加减速时间设置后得到所述预定的速度曲线。例如，在一个实施例中，速度发生器能生成N(N＝1、2)级加速，N级减速，N-1级加速和减速波形，同时速度幅值、频率、持续时间(循环周期个数K)、匀速时间、和加减速时间可灵活设置，具有正转周期、负转周期、正转周期加负转周期、负转周期加正转周期四种速度波形生成模式，克服了现有技术中的速度发生器只能生成单一的匀加减速波形的问题。

根据伺服电机负载的应用环境，例如减速机，每转一圈机械结构前进距离L：

$Lsum=\frac{\frac{P*GearN}{GearD}}{E}*R*L---\left(11\right)$

其中，外部指令脉冲数为P，电子齿轮分子为GearN，电子齿轮分母为GearD，编码器一圈脉冲数为E，减速机的减速比为R，减速机每转一圈机械结构前进距离为L，P个脉冲前进Lsum距离。L的距离受特定位置限制，本发明中的速度发生器可生成一个正转、反转、正转加反转、反转加正转循环周期。在一个实施例中，如图3所示，速度发生器输出的滤形可包括一次正转加反转周期。例如，具体为从零速度开始，第一加速度ω₁、持续时间T₁，匀速时间t₀，第二加速度ω₂、持续时间T₂，匀速时间t₀，第一减速度ω₂、持续时间T₃，匀速时间t₀，第二减速度ω₁、持续时间T₄，匀速时间t₀。其中，ω₁≠ω₂,T₁＝T₂＝T₃＝T₄可任意设置。当完成一个正转周期速度波形生成后，生成负转周期速度波形。在同等的持续时间延续内，将正转周期速度波形翻转180度即可。在本实施例中，一个循环周期由2个正转周期速度波形、2个负转周期速度波形、1个正转周期速度波形加1个负转周期速度波形和1个负转周期速度波形加1个正转周期速度波形四种模式组成，可根据电机负载的应用环境选择任何一种模式。因此，本发明解决了负载不同,负载受力不均匀，电机速度环参数设置不合理,电机反馈的转矩变化规律不明显，以及伺服电机在不同的应用场合、特别是距离、位置受限环境下的转动惯量无法合理辨识和辨识精度不高的问题。

采用本发明中的上述速度发生器可满足各种系统负载的要求(根据负载特性选择速度发生器生成的速度形状)，使系统运行稳定可靠，辨识出来的精度高，误差低至5％，相对与人工惯量整定，大大降低了对操作人员的专业要求。

例如，伺服电机的转子惯量通常为10^-4kg·m²数量级(发某厂家750W伺服电机为例，其转子惯量为1.3·10^-4kg·m²)，加上负载的转动惯量也只有1-20倍的电机转子惯量。因此，在强磁场干扰的伺服控制系统中提取的微的转动惯量数值，需要采取特殊的数据处理方法，才能确保转动惯量辨识的精度，稳定、可靠，辨识数据真实可信。

按现有技术中的方法辨识时，由于负载受力不均匀、电机速度环参数设置不合理，因此电机反馈的转矩变化规律也不明显。为此，可采用本发明中的上述方法在上述测试系统中进行测试和辨识。具体地说，可将该750W伺服电机在通过本发明的方法在上述测试系统中测试的理论计算和辨识结果如图5所示，其转动惯量辨识误差低至5％，满足高性能伺服系统要求。其中，伺服电机转动子惯量1.3·10^-4kg·m²，负载转动惯量测量验证装置的连轴和丝杆惯量大约为0.57·10^-4kg·m²，横坐标为惯量倍率码，每个折合大约为1.3·10^-4kg·m²，纵坐标为惯量值，单位为kg·m²。

本发明中的方法不需要单独辨识负载惯量或负载转矩来辨识系统转动惯量，而是将负载惯量与电机转动惯量看作一个量，结合系统的输出转矩，实现系统转动惯量的辨识。此方法实现简单，操作方便，系统运行稳定可靠，辨识出来的精度高，相对与人工惯量整定，大大降低了对操作人员的专业要求，提高了伺服系统的智能化水平，推动了伺服系统的普及应用。

本发明还提供了一种伺服电机转动惯量辨识装置，其与上述的辨识方法相对应，因此，与上述辨识方法重复之处，在此不再赘述。

请参考图6，在一个实施例中，该辨识装置包括：控制模块，用于通过速度发生器1控制伺服电机2按预定的速度曲线运行；转矩获取模块，用于实时获取所述伺服电机2与所述速度曲线对应的转矩参数；一级窗口确定模块，用于在所述速度发生器1的加减速基带信号的宽度范围内确定用于提取有用转矩信号的一级窗口；第一转矩提取模块，用于根据所述一级窗口提取所述第一转矩信号；第二转矩提取模块，用于利用二级窗口传递函数对所述第一转矩信号处理后得到第二转矩信号；辨识模块，用于根据所述速度曲线的一个周期内的两次恒定加速度的变化过程所对应的第二转矩，辨识出所述伺服电机的转动惯量。

优选地，所述转动惯量根据下式进行辨识：

$J_1=\frac{60K_t{T}_c}{4\mathrm{\&pi;}N}\&lsqb;\underset{n=n_0+\frac{xT}{T_c}}{\overset{n=n_0+\frac{(x+1)T}{T_c}}{\&Sigma;}}{i}_{qxT}\left(n\right)-\underset{n=n_0+\frac{yT}{T_c}}{\overset{n=n_0+\frac{(y+1)T}{T_c}}{\&Sigma;}}{i}_{qyT}\left(n\right)\&rsqb;$

J为转动惯量，单位kg·m²；

K_t为等效转矩系数，单位N·m；

T_c为电流采样周期，单位s；

xT是加速度惯量辨识的时间起点，单位s；

(x+1)T是加速度惯量辨识的时间终点，单位s；

yT是减速度惯量辨识的时间起点，单位s；

(y+1)T是减速度惯量辨识的时间终点，单位s；

i_qxT(n)是第n次(xT，(x+1)T)加速阶段伺服电机的等效q轴电流，单位A；

i_qyT(n)为第n次(yT，(y+1)T)减速阶段伺服电机的等效q轴电流，单位A；

N为伺服电机的转速，单位rpm；

n0为计算伺服电机的等效q轴电流次数的初始化值。

优选地，所述装置还包括：第一平均转动惯量计算模块，用于根据从所述一个周期内获得的多个所述转动惯量得到该周期的第一平均转动惯量。

优选地，所述装置还包括：第一平均转动惯量计算模块，用于根据多个连续周期内的第一平均转动惯量得到第二平均转动惯量。

本发明针对背景技术中指出的缺点，在不同负载和惯量比条件下，选用不同的速度发生器生成特定的加减速波形。根据电机的运动方程式，通过多次相差，抵消了摩擦力变化以及粘滞阻力对辨识精度的影响，提高了转动惯量的辨识的精度。并利用二级窗口处理低速和高速时反馈转速和转矩震荡引起的辨识误差问题和多次运用平均值滤波处理方法，进一步提高了转动惯量的辨识的精度。

当然，以上是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种伺服电机转动惯量辨识方法，其特征在于，包括：

通过速度发生器(1)控制伺服电机(2)按预定的速度曲线运行；

实时获取所述伺服电机(2)与所述速度曲线对应的转矩参数；

在所述速度发生器(1)的加减速基带信号的宽度范围内确定用于提取有用转矩信号的一级窗口；

根据所述一级窗口提取所述第一转矩信号；

利用二级窗口传递函数对所述第一转矩信号处理后得到第二转矩信号；

根据所述速度曲线的一个周期内的两次恒定加速度的变化过程所对应的第二转矩，辨识出所述伺服电机的转动惯量。

2.根据权利要求1所述的伺服电机转动惯量辨识方法，其特征在于，所述转动惯量根据下式进行辨识：

$J_1=\frac{60K_t{T}_c}{4\mathrm{\&pi;}N}\&lsqb;\underset{n=n_0+\frac{xT}{T_c}}{\overset{n=n_0+\frac{(x+1)T}{T_c}}{\&Sigma;}}{i}_{qxT}\left(n\right)-\underset{n=n_0+\frac{yT}{T_c}}{\overset{n=n_0+\frac{(y+1)T}{T_c}}{\&Sigma;}}{i}_{qyT}\left(n\right)\&rsqb;$

J为转动惯量，单位kg·m²；

K_t为等效转矩系数，单位N·m；

T_c为电流采样周期，单位s；

xT是加速度惯量辨识的时间起点，单位s；

(x+1)T是加速度惯量辨识的时间终点，单位s；

yT是减速度惯量辨识的时间起点，单位s；

(y+1)T是减速度惯量辨识的时间终点，单位s；

i_qxT(n)是第n次(xT，(x+1)T)加速阶段伺服电机的等效q轴电流，单位A；

i_qyT(n)为第n次(yT，(y+1)T)减速阶段伺服电机的等效q轴电流，单位A；

N为伺服电机的转速，单位rpm；

n0为计算伺服电机的等效q轴电流次数的初始化值。

3.根据权利要求1所述的伺服电机转动惯量辨识方法，其特征在于，所述方法还包括：

从所述一个周期内获得多个所述转动惯量；

根据所述多个转动惯量得到该周期的第一平均转动惯量。

4.根据权利要求3所述的伺服电机转动惯量辨识方法，其特征在于，所述方法还包括根据多个连续周期内的第一平均转动惯量得到第二平均转动惯量。

5.根据权利要求1所述的伺服电机转动惯量辨识方法，其特征在于，所述速度曲线包括多个不同加速度的加速阶段和/或减速阶段。

6.根据权利要求1所述的伺服电机转动惯量辨识方法，其特征在于，所述两次恒定加速度的变化过程中的加速度不同。

7.根据权利要求1所述的伺服电机转动惯量辨识方法，其特征在于，所述方法还包括：从所述速度发生器(1)的多种预存速度曲线生成模式中进行选择和设置，以得到所述预定的速度曲线。

8.根据权利要求7所述的伺服电机转动惯量辨识方法，其特征在于，所述多种预存速度曲线生成模式包括正转周期模式、反转周期模式、正转周期加反转周期模式、以及反转周期加正转周期模式。

9.根据权利要求8所述的伺服电机转动惯量辨识方法，其特征在于，

所述多种预存速度曲线生成模式均包括多级加速和多级减速；

根据负载特性对选定的所述预存速度曲线生成模式的幅值、和/或频率、和/或循环周期个数、和/或匀速时间、和/或加减速时间设置后得到所述预定的速度曲线。

10.一种伺服电机转动惯量辨识装置，其特征在于，包括：

控制模块，用于通过速度发生器(1)控制伺服电机(2)按预定的速度曲线运行；

转矩获取模块，用于实时获取所述伺服电机(2)与所述速度曲线对应的转矩参数；

一级窗口确定模块，用于在所述速度发生器(1)的加减速基带信号的宽度范围内确定用于提取有用转矩信号的一级窗口；

第一转矩提取模块，用于根据所述一级窗口提取所述第一转矩信号；

第二转矩提取模块，用于利用二级窗口传递函数对所述第一转矩信号处理后得到第二转矩信号；

辨识模块，用于根据所述速度曲线的一个周期内的两次恒定加速度的变化过程所对应的第二转矩，辨识出所述伺服电机的转动惯量。

11.根据权利要求10所述的伺服电机转动惯量辨识装置，其特征在于，所述转动惯量根据下式进行辨识：

$J_1=\frac{60K_t{T}_c}{4\mathrm{\&pi;}N}\&lsqb;\underset{n=n_0+\frac{xT}{T_c}}{\overset{n=n_0+\frac{(x+1)T}{T_c}}{\&Sigma;}}{i}_{qxT}\left(n\right)-\underset{n=n_0+\frac{yT}{T_c}}{\overset{n=n_0+\frac{(y+1)T}{T_c}}{\&Sigma;}}{i}_{qyT}\left(n\right)\&rsqb;$

J为转动惯量，单位kg·m²；

K_t为等效转矩系数，单位N·m；

T_c为电流采样周期，单位s；

xT是加速度惯量辨识的时间起点，单位s；

(x+1)T是加速度惯量辨识的时间终点，单位s；

yT是减速度惯量辨识的时间起点，单位s；

(y+1)T是减速度惯量辨识的时间终点，单位s；

i_qxT(n)是第n次(xT，(x+1)T)加速阶段伺服电机的等效q轴电流，单位A；

i_qyT(n)为第n次(yT，(y+1)T)减速阶段伺服电机的等效q轴电流，单位A；

N为伺服电机的转速，单位rpm；

n0为计算伺服电机的等效q轴电流次数的初始化值。

12.根据权利要求11所述的伺服电机转动惯量辨识装置，其特征在于，所述装置还包括：

第一平均转动惯量计算模块，用于根据从所述一个周期内获得的多个所述转动惯量得到该周期的第一平均转动惯量。

13.根据权利要求12所述的伺服电机转动惯量辨识装置，其特征在于，所述装置还包括：

第一平均转动惯量计算模块，用于根据多个连续周期内的第一平均转动惯量得到第二平均转动惯量。