CN106301146B - 电动机系统的惯性检测装置和惯性检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种电动机系统的惯性检测装置和惯性检测方法，该惯性检测装置包括：角速度获得单元，其用于获得所述电动机的角速度；功率计算单元，其根据逆变器输出的输出电流，以及基于所述角速度和旋转坐标上的电压指令值所得到的三相电压值，计算所述逆变器的输出功率，其中，所述逆变器根据所述三相电压值输出用于驱动所述电动机的所述输出电流；惯性计算单元，其在所述电动机系统不安装负载的情况下，根据所述电动机从启动到加速到频率指令值所对应的角速度的期间中的第一预定期间内，所述逆变器的输出功率、所述电动机的角速度和所述电动机的效率，计算所述电动机系统的惯性。根据本申请，能够以简单的方式计算电动机系统的惯性。

Description

电动机系统的惯性检测装置和惯性检测方法

技术领域

本发明涉及机电领域，尤其涉及电动机系统的惯性检测装置和惯性检测方法。

背景技术

当进行电动机的速度控制时，作为控制常数，电动机的惯性尤为重要。以往技术中，电动机的等级和对应的电动机的惯性可以被记录在表格中，在需要确定电动机的惯性的场合下，可以从表格中直接读出与该电动机的等级对应的电动机的惯性。

但是，上述方式只能用于确定电动机单体的惯性，在当该电动机与具有较大惯性的机械部件连接以构成电动机系统的情况下，由于该机械部件的惯性不明了，因此，存在电动机系统整体的速度以及转矩的响应控制变慢的问题。

并且，由于用户可能根据不同的使用场景而更换或调整该机械部件，因此，即使提前设定了该机械部件的惯性，也难以在实际的操作过程中便利地使用。

在专利文献1中，记载有如下内容：在运算机械系统惯性时，以彼此不同的速度变化率使电动机进行多次加速，根据各个转矩比例信号的积分量和速度变化幅度计算机械系统惯性，或者当由电动机的旋转速度改变时的转矩比例信号的积分量和速度变化幅度计算机械系统惯性时，以彼此不同的速度变化率进行多次加速，根据各个转矩比例信号的积分量和速度变化幅度运算机械系统惯性。

【专利文献1】特开2002-153088(CN1353499A)

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本申请的发明人发现，专利文献1记载的通过进行多次加速求出惯性的方法很复杂。

本申请的实施例提供一种电动机系统的惯性检测装置和惯性检测方法，根据逆变器的输出功率、电动机的角速度以及电动机的参数，计算电动机系统的惯性，由此，能够以简单的方式检测电动机系统的惯性。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种电动机系统的惯性检测装置，所述电动机系统包括电动机、以及与所述电动机的轴连接的用于安装负载的负载安装部，该惯性检测装置包括：

角速度获得单元，其用于获得所述电动机的角速度；

功率计算单元，其根据逆变器输出的输出电流，以及基于所述角速度和旋转坐标上的电压指令值所得到的三相电压值，计算所述逆变器的输出功率，其中，所述逆变器根据所述三相电压值输出用于驱动所述电动机的所述输出电流；

惯性计算单元，其在所述电动机系统不安装负载的情况下，根据所述电动机从启动到加速到频率指令值所对应的角速度的期间中的第一预定期间内，所述逆变器的输出功率、所述电动机的角速度和所述电动机的效率，计算所述电动机系统的惯性，其中，所述频率指令值和所述电压指令值用于对所述电动机进行矢量控制。

据本发明实施例的第二方面，其中，所述角速度获得单元包括：角速度计算单元，其根据所述频率指令值、所述电动机的转差率以及所述电动机的极数计算所述电动机的所述角速度；或者，角速度检测单元，其用于检测所述电动机的所述角速度。

据本发明实施例的第三方面，其中，所述检测装置还包括：电流传感器，其用于检测所述逆变器输出的所述输出电流。

据本发明实施例的第四方面，其中，所述惯性计算单元在所述电压指令值的至少两个更新周期内分别计算所述电动机系统的逐次惯性，将所述逐次惯性的平均值作为所述电动机系统的惯性。

据本发明实施例的第五方面，其中，所述惯性计算单元在所述电压指令值的更新周期内分别计算所述逆变器的逐次输出功率以及逐次角速度并积分，并根据所述逐次输出功率的积分值以及所述逐次角速度积分值，计算所述逐次输出功率的平均值以及逐次角速度的平均值，根据逐次输出功率的平均值以及逐次角速度的平均值计算所述电动机系统的惯性。

据本发明实施例的第六方面，其中，所述第一预定期间是指从所述电动机启动后经过第二预定期间后的时刻开始，到所述电动机加速到比所述频率指令值所对应的角速度小的预定角速度的时刻为止的期间。

据本发明实施例的第七方面，提供一种电动机系统的惯性检测方法，所述电动机系统包括电动机、以及与所述电动机的轴连接的用于安装负载的负载安装部，该惯性检测方法包括：

获得所述电动机的角速度；

根据逆变器输出的输出电流，以及基于所述角速度和旋转坐标上的电压指令值所得到的三相电压值，计算所述逆变器的输出功率，其中，所述逆变器根据所述三相电压值输出用于驱动所述电动机的所述输出电流；

在所述电动机系统不安装负载的情况下，根据所述电动机从启动到加速到频率指令值所对应的角速度的期间中的第一预定期间内，所述逆变器的输出功率、所述电动机的角速度和所述电动机的效率，计算所述电动机系统的惯性，其中，所述频率指令值和所述电压指令值用于对所述电动机进行矢量控制。

本申请的有益效果在于：该申请能以简单的方式计算电动机系统的惯性。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施方式，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。在附图中：

图1是本申请实施例1的电动机系统的惯性检测装置的一个组成示意图；

图2是本申请实施例2的电动机系统的控制装置的一个组成示意图；

图3是本申请实施例2的电动机加速期间逆变器输出功率、电动机的角速度、以及转矩的关系的示意图；

图4是本申请实施例3的电动机系统的惯性检测方法的一个流程示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本发明的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本发明的特定实施方式，其表明了其中可以采用本发明的原则的部分实施方式，应了解的是，本发明不限于所描述的实施方式，相反，本发明包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

实施例1

本申请实施例1提供一种电动机系统的惯性检测装置，其中，该电动机系统包括电动机、以及与该电动机的轴连接的用于安装负载的负载安装部，由此，在控制信号的控制下，电动机的轴进行旋转产生的旋转驱动力能够通过负载安装部，对安装的负载进行驱动。本实施例的检测装置能够用于检测该电动机系统在不安装负载时的转动的惯性。

在本实施例中，可以对该电机系统采用矢量控制，即，对电机输入用于进行矢量控制的电压指令值和频率指令值f_ref，其中，该电压指令值可以是旋转坐标上的d轴(directaxis)电压指令值V_dref和q轴(quadrature axis)电压指令值V_qref，并且，可以使d轴电压指令值V_dref为0，抑制激励损失，进行高效的加速；该频率指令值f_ref能够用于计算出电动机转动的角速度，进而得到电动机的相位。

在本实施例中，可以根据电动机的相位，将旋转坐标上的d轴电压指令值和q轴电压指令值，转化成三相电压值V_uref、V_vref和V_wref，并且，逆变器可以根据该三相电压指令值生成输出电流i_u、i_v和i_w以驱动电动机旋转。

本实施例中，生成d轴电压指令值V_dref、q轴电压指令值V_qref、以及频率指令值f_ref的方法可以参考现有技术，生成三相电压指令值并使逆变器生成输出电流以驱动电动机旋转的方法也可以参考现有技术，本实施例不再赘述。

在本实施例中，与通常在检测电动机系统的惯性时对电动机进行V/F控制相比，矢量控制能够使电动机更高效地进行加速。

图1是本实施例的电动机系统的惯性检测装置的一个组成示意图，如图1所示，该检测装置10可以包括角速度获得单元11，功率计算单元12和惯性计算单元13，其中：

角速度获得单元11用于获得该电动机旋转时的角速度；功率计算单元12根据逆变器输出的输出电流、以及三相电压，计算该逆变器的输出功率；惯性计算单元13在该电动机系统不安装负载的情况下，根据该电动机从启动到加速到频率指令值所对应的角速度的期间中的第一预定期间内，该逆变器的输出功率、该电动机的角速度和该电动机的效率，计算该电动机系统的惯性。

在本实施例中，如前所述，该旋转坐标上的电压指令值如d轴电压指令值V_dref和q轴电压指令值V_qref，以及频率指令值f_ref能够用于对该电动机进行矢量控制；该三相电压值能够基于电动机的角速度和旋转坐标上的电压指令值来得到；该逆变器能够根据该三相电压值输出用于驱动该电动机的输出电流。

通过本实施例，能够根据逆变器的输出功率、该电动机的角速度和该电动机的效率，计算该电动机系统的惯性，由此，能够方便地检测到该电动机系统在不安装负载的情况下的惯性。

在本实施例中，角速度获得单元11可以包括角速度计算单元(未图示)，该角速度计算单元可以在逆变器输出电力的期间，根据该频率指令值f_ref(Hz)、电动机的转差率S(％)以及电动机的极数P，计算该电动机的角速度ω_m，例如，该角速度计算单元可以采用下式(1)来计算该角速度ω_m的瞬时值：

在本实施例中，上述电动机的极数P是指磁极的数量，该数量例如可以是2或4等；上述转差率S反映了该电动机的轴的旋转速度与磁场的旋状速度的差，在对电动机进行高效加速的情况下，该转差率S可以是0-3％之间的数值，另外，该转差率S也可以是由用户设定的数值，或者是根据电动机的类型查表得到的数值。

在本实施例中，角速度获得单元11也可以不具有角速度计算单元，而是具有角速度检测单元，该角速检测单元能够检测该电动机旋转的角速度，该角速度检测单元可以是旋转传感器，例如脉冲生成(Pulse Generation，PG)传感器等。

在本实施例中，功率计算单元12可以根据逆变器的输出电流中的i_u和i_w，以及该三相电压值V_uref、V_vref和V_wref，计算逆变器的输出功率P₀，例如，该功率计算单元12可以采用下式(2)来计算该输出功率P₀的瞬时值：

P₀＝V_uref·i_u+V_vref·(-i_u-i_w)+V_wref·i_w (2)

其中，逆变器的输出电流中的i_u和i_w例如可以由设置于惯性检测装置10中的电流传感器14来检测得到，关于电流传感器14的结构和工作原理，可以参考现有技术，本实施例不再赘述。

在本实施例中，惯性计算单元13可以根据该电动机的效率，以及根据上式(1)和(2)计算得到的该电动机的角速度和该逆变器的输出功率，来计算该电动机系统的惯性J_m。

在一个实施方式中，该惯性计算单元13可以在电压指令值的更新周期内分别计算逆变器的逐次输出功率P₀以及逐次角速度ω_m并积分，并根据逐次输出功率P₀的积分值以及逐次角速度ω_m的积分值，计算逐次输出功率的平均值以及逐次角速度的平均值根据该逐次输出功率的平均值以及该逐次角速度的平均值计算该电动机系统的惯性J_m；

例如，该惯性计算单元13可以采用下式(3)来计算该惯性J_m：

在上式(3)中，Δt和Δω_m分别表示在积分运算中的经过时间和角速度ω_m的变化量。

在本实施例中，电动机的效率η_m一般可以是80％-90％。但是，由于在上式(1)中已经考虑了转差率S这一因素，因此，上式(3)中的效率η_m可以取100％。

在另一个实施方式中，该惯性计算单元13也可以在电压指令值的至少两个连续的更新周期内分别进行一次采样，以分别计算该电动机系统在各更新周期内的逐次惯性J_mn，并将该逐次惯性J_mn的平均值作为该电动机系统的惯性J_m；

例如，该惯性计算单元13可以采用下式(4)、(5)来计算该惯性J_m：

在上式(4)、(5)中，n和N都是自然数，且1≤n≤N，2≤N；逐次惯性J_mn、逐次功率P_0n和逐次ω_mn分别是指在电压指令值的第n个更新周期内计算得到的电动机系统的惯性的瞬时值、逆变器功率的瞬时值和电动机角速度的瞬时值；T_s是指电压指令值的更新周期，该周期T_s例如可以是1毫秒。

在本实施例中，惯性计算单元13可以在该电动机系统不安装负载的情况下，根据电动机从启动到加速到频率指令值所对应的角速度的期间中的第一预定期间内，该逆变器的输出功率、电动机的角速度和电动机的效率，采用上式(3)或(4)和(5)计算电动机系统的惯性。

在本实施例中，该第一预定期间是指从该电动机启动后经过第二预定期间后的时刻开始，到该电动机加速到比该频率指令值所对应的角速度小的预定角速度的时刻为止的期间。例如，电动机启动时需要大的启动转矩，从启动开始经过第二预定时间后可以认为该电动机的转矩较为平稳，例如，该第二预定时间可以是启动开始后1秒，因此，可以将该第二预定时间作为第一预定期间的起点；并且，将即将到达频率指令值所对应的角速度的时刻，作为该第一预定期间的终点，例如，在该频率指令值所对应的角速度是100π(rad/s)的情况下，可以将该电机加速到98π(rad/s)的时刻作为第一预定期间的终点。在该第一预定期间中，电动机可以以大致一定的转矩加速，所以，具备惯性计算所需的以一定转矩加速这一条件。

在本实施例中，该电动机的种类不限于感应电动机，还可以是其它的能够在无负载的情况下进行加速的电动机，例如，以无负载加速的同步电动机。

在本实施例中，该检测装置10可以在电动机系统不安装负载的情况下，计算该电动机系统的惯性，但是，本实施例并不限于此，在该电动机系统安装了负载的情况下，该检测装置10也可以采用相同的方式，计算由电动机系统和负载所构成的机械系统的惯性。

通过本实施例1，没有设置特别的控制模式，而是根据电动机的参数、逆变器的输出功率和电动机的角速度，就可以计算电动机系统的惯性。由于本方式不需要旋转传感器，因此，在电动机旋转的情况下，在任何情况下都可以得到电动机系统整体的惯性。此外，该惯性检测装置在同步电机等电机上也可以适用，因此应用范围较为广泛。

实施例2

本申请实施例2提供一种电动机系统的控制装置，该控制装置能够对电动机系统进行矢量控制，并且，该控制装置包括实施例1所述的电动机系统的惯性检测装置10。

图2是该电动机系统的控制装置的一个组成示意图，如图2所示，在该控制装置中：

三相交流电源101输出的交流电经过二极管桥102被整流，并经过平滑电容103进行平滑处理后，输入到逆变器104；

逆变器104在PWM脉冲信号生成器107所生成的脉冲信号的控制下，生成输出电流i_u、i_v和i_w以驱动电动机106旋转，其中，该输出电流的U相电流i_u111和W相电流i_u112可以被电流传感器14所检测；

用于矢量控制的频率指令f_ref 115被输入到角速度获得单元11，以生成电动机的角速度ω_m 117，具体计算方式可以参考实施例1的式(1)；

该角速度ω_m 117被输入到相位计算单元118，以计算出电动机旋转相位θ的正弦值Sinθ119和余弦值cosθ120；该正弦值和余弦值被输入到坐标转换单元109，用于将旋转坐标上的电压指令108(V_dref，V_qref)转换为三相电压值110(V_uref、V_vref和V_wref)，该三相电压值110被输入到PWM脉冲信号生成器107，用以生成该脉冲信号；

该三相电压值110还被输入到功率计算单元12，该功率计算单元12可以根据三相电压值110，以及电流传感器14所检测到的逆变器的U相电流i_u111和W相电流i_u112，计算逆变器的输出功率P₀114，具体计算方式可以参考实施例1的式(2)；

惯性计算单元13可以在该电动机系统没有安装负载的情况下，根据逆变器的输出功率P₀114和电动机的角速度ω_m 117，计算该电动机系统的惯性J_m 122，具体计算方式可以参考实施例1的式(3)，或式(4)和式(5)。

在本实施例中，二极管桥102、逆变器104、PWM脉冲信号生成器107、坐标转换单元109、以及相位计算单元118的结构和工作原理，可以参考现有技术，本实施例不再赘述。

图3是在电动机加速期间的逆变器输出功率P₀、电动机的角速度ω_m、以及转矩T_m的关系的示意图。如图3所示，在电动机起动的起始阶段，转矩T_m的值较大，经过一定时间以后，转矩T_m较为平稳，因此，可以选择在转矩T_m较为平稳的期间计算电动机系统的惯性，例如，在图3中，可以选择在2.5秒以后的期间计算该电动机系统的惯性。

在本申请的实施例2中，没有设置特别的控制模式，而是根据电动机的参数、逆变器的输出功率和电动机的角速度，就可以计算电动机系统的惯性，因此，能够以简单的方式计算该电动机系统的惯性。

实施例3

本申请实施例3提供一种电动机系统的惯性检测方法，与实施例1的检测装置对应。图4是该检测方法的一个流程示意图，如图4所示，该方法包括：

S401，获得所述电动机的角速度；

S402，根据逆变器输出的输出电流，以及基于所述角速度和旋转坐标上的电压指令值所得到的三相电压值，计算逆变器的输出功率，其中，所述逆变器根据所述三相电压值输出用于驱动所述电动机的所述输出电流；

S403，在该电动机系统不安装负载的情况下，根据该电动机从启动到加速到频率指令值所对应的角速度的期间中的第一预定期间内，所述逆变器的输出功率、所述电动机的角速度和所述电动机的效率，计算所述电动机系统的惯性。

在步骤S403之后，当判断为继续检测惯性时，该流程返回步骤S401，当判断为不继续检测惯性时，该检测惯性的流程结束。

对于上述方法中各步骤的具体说明，可以参考实施例1中对相关单元的说明，本申请实施例不再赘述。

通过本申请的实施例3，能够根据电动机的参数、逆变器的输出功率和电动机的角速度，可以计算电动机系统的惯性，因此，能够以简单的方式计算该电动机系统的惯性。

本申请以上的装置和方法可以由硬件实现，也可以由硬件结合软件实现。本申请涉及这样的计算机可读程序，当该程序被逻辑部件所执行时，能够使该逻辑部件实现上文所述的装置或构成部件，或使该逻辑部件实现上文所述的各种方法或步骤。本申请还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、DVD、flash存储器等。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims (9)

1.一种电动机系统的惯性检测装置，所述电动机系统包括电动机、以及与所述电动机的轴连接的用于安装负载的负载安装部，其特征在于，该惯性检测装置包括：

角速度获得单元，其用于获得所述电动机的角速度；

功率计算单元，其根据逆变器输出的输出电流，以及基于所述角速度和旋转坐标上的电压指令值所得到的三相电压值，计算所述逆变器的输出功率，其中，所述逆变器根据所述三相电压值输出用于驱动所述电动机的所述输出电流；

惯性计算单元，其在所述电动机系统不安装负载的情况下，根据在所述电动机从启动到加速到频率指令值所对应的角速度的期间中的第一预定期间的所述逆变器的输出功率、在所述第一预定期间内的所述电动机的角速度和所述电动机的效率，计算所述电动机系统的惯性，

其中，所述频率指令值和所述电压指令值用于对所述电动机进行矢量控制，

所述第一预定期间是指从所述电动机启动后经过第二预定期间后的时刻开始，到所述电动机加速到比所述频率指令值所对应的角速度小的预定角速度的时刻为止的期间。

2.根据权利要求1所述的电动机系统的惯性检测装置，其中，所述角速度获得单元包括：

角速度计算单元，其根据所述频率指令值、所述电动机的转差率以及所述电动机的极数计算所述电动机的所述角速度；或

角速度检测单元，其用于检测所述电动机的所述角速度。

3.根据权利要求1所述的电动机系统的惯性检测装置，其中，所述检测装置还包括：

电流传感器，其用于检测所述逆变器输出的所述输出电流。

4.根据权利要求1所述的电动机系统的惯性检测装置，其中，

所述惯性计算单元在所述电压指令值的至少两个更新周期内分别计算所述电动机系统的瞬时惯性，将所述瞬时惯性的平均值作为所述电动机系统的惯性。

5.根据权利要求1所述的电动机系统的惯性检测装置，其中，

所述惯性计算单元在所述电压指令值的更新周期内分别计算所述逆变器的瞬时输出功率以及瞬时角速度并积分，并根据所述瞬时输出功率的积分值以及所述瞬时角速度积分值，计算所述瞬时输出功率的平均值以及瞬时角速度的平均值，根据瞬时输出功率的平均值以及瞬时角速度的平均值计算所述电动机系统的惯性。

6.一种电动机系统的惯性检测方法，所述电动机系统包括电动机、以及与所述电动机的轴连接的用于安装负载的负载安装部，其特征在于，该惯性检测方法包括：

获得所述电动机的角速度；

根据逆变器输出的输出电流，以及基于所述角速度和旋转坐标上的电压指令值所得到的三相电压值，计算所述逆变器的输出功率，其中，所述逆变器根据所述三相电压值输出用于驱动所述电动机的所述输出电流；

在所述电动机系统不安装负载的情况下，根据在所述电动机从启动到加速到频率指令值所对应的角速度的期间中的第一预定期间内的所述逆变器的输出功率、在所述第一预定期间内的所述电动机的角速度和所述电动机的效率，计算所述电动机系统的惯性，

其中，所述频率指令值和所述电压指令值用于对所述电动机进行矢量控制，

所述第一预定期间是指从所述电动机启动后经过第二预定期间后的时刻开始，到所述电动机加速到比所述频率指令值所对应的角速度小的预定角速度的时刻为止的期间。

7.根据权利要求6所述的电动机系统的惯性检测方法，其中，获得所述电动机的角速度包括：

根据所述频率指令值、所述电动机的转差率以及所述电动机的极数计算所述电动机的所述角速度；或

检测所述电动机的所述角速度。

8.根据权利要求6所述的电动机系统的惯性检测方法，其中，计算所述电动机系统的惯性包括：

在所述电压指令值的至少两个更新周期内分别计算所述电动机系统的瞬时惯性，将所述瞬时惯性的平均值作为所述电动机系统的惯性。

9.根据权利要求6所述的电动机系统的惯性检测方法，其中，计算所述电动机系统的惯性包括：

在所述电压指令值的更新周期内分别计算所述逆变器的瞬时输出功率以及瞬时角速度并积分，并根据所述瞬时输出功率的积分值以及所述瞬时角速度积分值，计算所述瞬时输出功率的平均值以及瞬时角速度的平均值，根据瞬时输出功率的平均值以及瞬时角速度的平均值计算所述电动机系统的惯性。