CN107408909B - 具有转动惯量评估的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行用于调节驱动装置(1)的调节装置(2)的方法，驱动装置具有负载力矩(M)和转动惯量(J)。在调节装置(2)将驱动装置(1)的驱动速度(12)保持在恒定额定值(14)的恒定运行阶段期间，通过负载力矩评估器(26)测定该负载力矩(M)的负载估值(25)。在这个恒定运行阶段应实现转动惯量预控制。为此提供驱动装置(1)的模型(23)，通过该模型描述转动惯量(J)和负载力矩(M)之间的关系。在恒定运行阶段期间，基于该模型(23)提供转动惯量(J)的惯量估值(24)。

Description

具有转动惯量评估的驱动装置

技术领域

本发明涉及一种用于运行调节器或者用于调节驱动装置的调节装置的方法。驱动装置例如可以包括电机。本发明此外还包括一种调节装置以及一种驱动装置。

背景技术

在转速受控的或者一般的速度受控的驱动装置中，调节回路的质量，也就是它的调节准确度及其动态表现在很大程度上取决于对受控对象了解得有多准确。在此，一个特别重要的参数是受控对象的转动惯量，尤其是通过驱动装置来驱动的负载。如果转动惯量由于运行原因而发生变化并且无法通知这种特性，那么调节的质量就会受到影响。在设定或者调节改变后的速度值时会发生超调量，或者速度调节相比于准确评估出转动惯量的情况而更加缓慢。

由EP2 537 789 A2中已知一种用于评估升运设备的马达布置的转动惯量因素的转动惯量评估器。在此，转动惯量的惯量估值在车辆的驱动速度发生周期性变化的情况下被测量。换句话说，需要动态的过程，才能测定惯量估值。如果在调节装置将驱动装置的驱动速度保持在一个恒定额定值的恒定运行阶段期间发生变化，那么在紧接着的加速阶段就不能提供当前的惯量估值。

另一种转动惯量评估器由DE10 2011 085 551 A1中已知。这种转动惯量评估器也需要一个转速改变过程，才能评估出转动惯量。

由DE 10 2006 062 591 A1中已知一种负载力矩的或者驱动装置的负载力矩的负载力矩评估器。在这种已知装置中，此外还设置了转矩预控制系统，通过它根据驱动装置的转动惯量和当前的负载力矩测定用于调节装置的预控制值。

发明内容

本发明基于以下目的，在驱动装置中评估转动惯量。

该目的通过根据本发明的用于运行用于调节驱动装置的调节装置的方法、一种用于调节具有转动惯量和负载力矩的驱动装置的调节装置以及一种驱动装置来实现。

通过本发明提供了一种方法，这种方法设计用于运行调节装置，该调节装置用于调节驱动装置。驱动装置具有负载力矩和转动惯量。它们在调节驱动装置的驱动速度时是必须考虑到的。在这里，根据驱动装置的构造方式，驱动速度例如指转速或者线性速度。在所述方法中，在调节装置将驱动速度保持在恒定额定值的恒定运行阶段期间，通过负载力矩评估器测定该负载力矩的负载估值。作为负载力矩评估器可以使用由现有技术已知的负载力矩评估器，例如在前文已经描述的那样。负载力矩评估的另一种可能性例如是，在恒定运行期间测定出驱动功率，并且根据驱动速度和驱动功率测定负载评估值。

根据本发明，在所述方法中提供了一种驱动装置的模型。通过该模型描述在转动惯量与负载力矩之间的关系。在恒定运行阶段期间，基于该模型提供转动惯量的惯量估值。这在下面被称为转动惯量预控制。转动惯量可以在加速期间计算出，这属于现有技术。新颖之处在于，在不加速的情况下对转动惯量进行预算。这在本文中称为转动惯量预控制。

通过本发明得到以下优点，即，在恒定运行阶段期间，并且尤其是在恒定运行阶段结束时提供惯量估值，在紧接着的加速阶段中这个惯量估值可以被用于，利用与在恒定运行阶段之后到加速阶段开始时首先利用由现有技术已知的转动惯量评估器测定惯量估值的情况相比更好的品质、也就是动态和精准度对驱动速度进行设定。本发明基于以下认识，即存在负载力矩显著取决于相应的转动惯量的驱动装置。对此的实例是传送带，如在机场用于传送行李的传送带。传送带上放的行李越多，负载力矩就越大，因为由于行李的重量增加摩擦力提升。与此同时，同样的行李也构成转动惯量的绝大部分。根据负载力矩的负载估值ts，可以推导出行李的数量或质量。由此又可以测定转动惯量的惯量估值。另一个实例是矿业中的运输系统，它可以用于传输岩渣或者碎石。在具有传送带的驱动装置中，摩擦与需要移动的转动惯量有关。

所述方法的改进方案也属于本发明的范围，通过这种改进方案得到许多额外的优点。

根据一种改进方案，利用惯量估值对调节装置的转矩预控制进行参数化或者设定。作为转矩预控制系统可以提供前文所述的预控制系统或者另一种由现有技术中已知的预控制系统。通过该改进方案得到以下优点，即改进调节装置的动态，也就是说，减少用于调节驱动速度的预设额定值的时间常数。

根据一种改进方案，在通过调节装置将驱动速度调节到新额定值的加速阶段期间，通过动态的转动惯量评估器测定转动惯量的惯量值。因此，在加速阶段期间，驱动速度发生变化。因此可以使用本身由现有技术已知的转动惯量评估器。该转动惯量评估器与所提及的模型的区别在于，转动惯量评估器基于驱动装置的动态表现测定转动惯量的惯量值。在该改进方案中，借助惯量值调整模型。由此得到以下优点，即，调节装置能够自校准或者自调准。

根据一种改进方案，通过模型根据旋转方向生成惯量估值。这被证明是特别有利的实施方式。其基于以下认识，即，在转动惯量和负载力矩之间的关系与旋转方向有关。

根据一种改进方案，模型具有带有偏置参数和斜率值的线性对应规则。因此换而言之，该对应规则用线性方程来表示，其中，偏置参数可以表示或者描述Y轴区段并且斜率值可以表示或者描述直线斜率。模型的这种实施方式具有以下优点，即，模型能够在耗费特别小的情况下匹配于驱动装置。

提出一种改进方案，使得模型在驱动装置的一次运行期间由多个值对形成。每个值对在此包括负载力矩的、测量的或者评估出的一个负载估值和转动惯量的、测量的或评估出的一个惯量值。通过在运行期间基于多个值对来调整模型，得到以下优点，即，通过模型也考虑到驱动装置的老化或者其他结构上的改变。

根据一种改进方案，基于值对迭代地更新模型。由此得到以下优点，即，基于少量的值对就已经提供了一个模型。由此使得在运行开始以后的短时间内就可以使用这个模型。

本发明还包括一个用于调节驱动装置的调节装置，驱动装置以所述的方式具有转动惯量和负载力矩。调节装置具有信号输入端和控制输出端，信号输入端用于接收额定值，控制输出端用于输出用来设定驱动装置的驱动速度的调节信号。在根据本发明的调节装置中，提供了驱动装置的一个模型，通过它来描述转动惯量和负载力矩之间的关系。调节装置被设计用于执行根据本发明的方法的实施方式。根据本发明的调节装置因此即使在恒定运行阶段期间也可以提供或利用转动惯量的惯量估值。

本发明还包括一个驱动装置。驱动装置具有驱动机器。驱动机器尤其是电机。然而驱动机器也可以例如是内燃机或者液压机。根据本发明的驱动装置具有根据本发明的调节装置一种实施方式，其中，调节装置的信号输出端与驱动机器的速度调节装置耦联。在电机中，例如可以设置逆变器作为速度调节装置。

根据本发明的一种改进方案，在驱动装置中，驱动机器与流水线或者传动带耦联并且被设计用于驱动流水线。正如已经展述过的那样，结合流水线，模型的应用特别适合用于根据恒定运行阶段期间的负载力矩测定转动惯量。

附图说明

接下来描述本发明的一个实施例。为此示出：

图1是根据本发明的驱动装置的一种实施方式的示意图，

图2是在图1所示的驱动装置中提供的、针对第一旋转方向的模型的示意图，以及

图3是图2所示的、针对与第一旋转方向相反的第二旋转方向的模型。

具体实施方式

下面所阐述的实施例是本发明的一种优选的实施方式。在该实施例中，该实施方式的所描述的组成部分分别代表本发明的单独的、可以相互独立地观察的特征，这些特征也分别相互独立地改进本发明，并且也可以单独地或者以与所示的组合方式不同的组合方式被视为本发明的组成部分。此外，所描述的实施方式也可以由本发明已经描述的特征中的其他特征来补充。

在图中，功能相同的元件分别配有相同的附图标记。

图1示出了调节装置2的驱动装置1、驱动机器3、用于驱动机器3的能量供给系统4和由驱动机器3驱动的负载5。控制装置2例如可以由微控制器或者ASIC(专用集成电路)来提供。驱动机器3例如可以是电机。能量供给系统4在这种情况下例如可以是用于驱动机器3的供电电网。负载5例如可以是流水线，在其上面运输着数量和大小发生变化的运输件6。为了驱动负载5，驱动机器3生成驱动力矩7，通过它移动负载5。负载的负载力矩M对驱动力矩7起反作用。负载力矩M与运输件6的数量有关。此外，负载5具有转动惯量J，转动惯量同样也与运输件6的数量和重量有关。

调节装置2向控制输出端10输出调节信号，驱动机器3根据调节信号9生成驱动力矩7。为此，控制输出端9可以与驱动机器3的速度调节装置11耦联，调节信号9被输出给该速度调节装置。速度调节装置11例如可以具有逆变器11或者另外的马达控制器。借助逆变器11可以将电能从供给单元4馈入驱动机器3中。根据生成的驱动力矩7和负载力矩M来产生驱动机器3的驱动速度12。通过驱动速度12例如得到传送带的传送速度13。

调节装置2根据调节装置2在信号输入端15处接收到的额定值14生成调节信号9。信号输入端15和控制输出端10可以经由调节器16和转矩预控制系统17来耦联。调节器16可以根据额定值14和测量值18生成调节值19。例如，调节器16可以是PI调节器(PI-比例积分)或者PID调节器(PID-比例积分微分)。转矩预控制系统17可以生成预控制值20。加法器21可以将调节值19和预控制值20组合成调节值9。得到的调节信号9在这种情况下可以预设或者设定驱动力矩7。测量值18例如可以通过驱动机器3的和/或负载5的传感器来生成。测量值18可以通过调节装置2在测量值输入端22处接收到。

在调节装置2中，在驱动装置1的运行期间可以对转矩预控制系统17和/或调节器16进行参数化或者校准或者调整。为此，控制装置2具有模型23(MOD)。模型23生成负载5的转动惯量J的惯量估值24。模型23根据负载力矩M的负载估值25生成惯量估值24。负载估值25在调节装置2中通过负载力矩评估器26生成。负载力矩评估器26可以以已知自身的方式构成。调节装置2此外还可以具有转动惯量评估器27，它在驱动装置1的加速阶段期间评估负载5的转动惯量J的惯量值28。转动惯量评估器27可以用自身已知的方式构成。借助模型23尤其是在驱动装置1的恒定运行阶段期间生成惯量估值24。这在这里被称为转动惯量预控制。

在激活转动惯量预控制系统时假定，在负载5处存在负载力矩M与转动惯量J之间的关系。可以用机场上的传送带作为实例。在传送带进行加载或者卸载时，不要期望存在足以可靠地识别转动惯量的转速变化。确切地说应期待的是紧跟着有转速大约恒定的阶段、也就是恒定运行阶段，其中能够进行负载识别。如果假定的关联性是已知的，那么就可以在没有加速阶段的情况下计算出转动惯量J。

图2和图3再次更加详尽地示出了模型23。图2示出了用于第一驱动方向29的或者驱动机器3的旋转方向的模型23，图3示出了用于相反的第二驱动方向30的或者驱动机器3的旋转方向的模型23。

模型可以对于每个驱动方向29、30而言分别具有一个线性对应规则31、32。相应的对应规则31、32可以由偏置值33、34和斜率值a、6定义。通过每个对应规则31、32描述了转动惯量J与负载力矩M之间的关系。

借助图2示例性地示出，如何可以由多个值对35形成对应规则31。例如，对应规则31可以借助最小二乘法作为回归直线或者回归曲线由值对35形成。还可以提出，对应规则31、32迭代地匹配于新测定的值对。例如可以从这些值对中借助递归平均法测定斜率值a、b和偏置33、34。

因此，在转速恒定时的第一步骤中通过调节装置2测定当前的负载力矩M，该负载力矩然后在转速改变期间在第二步骤中用于测定转动惯量J作为惯量值28。因此形成一个值对35。这样测定的转动惯量J用于改进调节装置2的调节回路。

此外，测定的转动惯量J被接收到转动惯量/负载力矩特征曲线中、也就是对应规则31、32。该特征曲线然后在以恒定转速运行期间被用于更好地评估转动惯量J。因此，恒定的转速还有转速斜坡都可以有助于对当前转动惯量J的评估。

从计算出的负载力矩M中可以在静止状态下(恒定转速)预控制转动惯量J，并且在紧接着的转速斜坡阶段，转速调节器由此能够更好地调节转速。

“转动惯量-负载力矩”函数、也就是对应规则31、32，不仅可以静态地预设而且还可以在持续运行期间被识别并且不断地更新。为此，在加速阶段期间，也就是在驱动速度增大或减小期间，已识别的值对35(当前的负载和计算出的转动惯量28，如以转动惯量评估器27生成)被用于更新特征曲线。

总的来说示出一个实例，阐述可以如何通过本发明提供具有负载感应功能的在线-转动惯量预控制系统。

Claims (15)

1.一种用于运行用于调节驱动装置(1)的调节装置(2)的方法，所述驱动装置具有负载力矩(M)和转动惯量(J)，其中，在通过所述调节装置(2)将所述驱动装置(1)的驱动速度(12)保持在恒定额定值(14)的恒定运行阶段期间，通过负载力矩评估器(26)测定所述负载力矩(M)的负载估值(25)，其特征在于，提供所述驱动装置(1)的模型(23)，通过所述模型描述在所述转动惯量(J)与所述负载力矩(M)之间的关系，并且在所述恒定运行阶段期间基于所述模型(23)提供所述转动惯量(J)的惯量估值(24)作为转动惯量预控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，借助所述惯量估值(24)使所述调节装置(2)的转矩预控制(17)参数化。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在通过所述调节装置(2)将所述驱动速度(12)调节到新额定值(14)的加速阶段期间，通过转动惯量评估器(27)测定所述转动惯量(J)的惯量值(28)，并且借助所述惯量值(28)调整所述模型(23)。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过所述模型(23)根据旋转方向生成所述惯量估值(24)。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，通过所述模型(23)根据旋转方向生成所述惯量估值(24)。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述模型(23)具有线性对应规则(31、32)，所述线性对应规则带有偏置参数(33、34)和斜率值(a、b)。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述模型(23)具有线性对应规则(31、32)，所述线性对应规则带有偏置参数(33、34)和斜率值(a、b)。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，基于分别由所述负载力矩(M)的测量出或者评估出的一个负载估值(25)和所述转动惯量(J)的测量出或者评估出的一个惯量值(28)组成的多个值对(35)，在所述驱动装置(1)的运行期间调整所述模型(23)。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，基于分别由所述负载力矩(M)的测量出或者评估出的一个负载估值(25)和所述转动惯量(J)的测量出或者评估出的一个惯量值(28)组成的多个值对(35)，在所述驱动装置(1)的运行期间调整所述模型(23)。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述值对(35)的基础上迭代地更新所述模型(23)。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述值对(35)的基础上迭代地更新所述模型(23)。

12.一种用于调节具有转动惯量(J)和负载力矩(M)的驱动装置(1)的调节装置(2)，具有：

-用于接收额定值(14)的信号输入端(15)，

-用于输出调节信号(9)以设定所述驱动装置(1)的驱动速度(12)的控制输出端(10)，其特征在于，提供所述驱动装置(1)的模型(23)，通过所述模型描述在所述转动惯量(J)与所述负载力矩(M)之间的关系，其中所述调节装置(2)设计用于执行按照前述权利要求中任一项所述的方法。

13.一种驱动装置(1)，具有驱动机器(3)，并且具有根据权利要求12所述的调节装置(2)，其中，所述调节装置(2)的信号输出端(10)与所述驱动机器(3)的速度调节装置(11)耦联。

14.根据权利 要求13所述的驱动装置(1)，其中，所述驱动机器是电机。

15.根据权利要求13所述的驱动装置(1)，其中，所述驱动机器(3)与流水线(5)耦联并且被设计用于驱动所述流水线(5)。