CN107834937A - 转动惯量辨识方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及电机控制技术领域，公开了一种转动惯量辨识方法及系统。本发明中，转动惯量辨识方法包括：伺服驱动器向电机提供正弦位置指令，并控制电机运转；伺服驱动器获取电机的电磁转矩，并根据电磁转矩、正弦位置指令以及预设公式计算得到电机的转动惯量。本发明实施方式通过利用正弦波位置指令控制电机运转从而进行转动惯量的辨识，使得电机在整个辨识过程中的运动很平滑，不需要很大的运动范围、运动距离且对转速没有要求，通常仅需要很小的转速的情况下即可辨识得到转动惯量，因此对机械产生的冲击非常小，使得转动惯量辨识更安全。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电机控制技术领域，特别涉及一种转动惯量辨识方法及系统。
背景技术
目前高精度永磁交流伺服系统的研究已经引起控制界的广泛关注，成为自动化领域的一个研究热点。然而系统的性能受永磁同步电机(Permanent Magnet SynchronousMotor，简称PMSM)的转动惯量变化的影响较大，当转动惯量变化时，需要对控制器及系统的运行参数进行相应调整才能获得优良的控制性能。实际系统中PMSM的转动惯量很难直接测量，通常采用辨识的方法获得。为了初始配置速度控制器，并能够给辨识模块提供有效的初值，需要事先对PMSM的转动惯量进行离线辨识。
发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有技术中，采用三角波速度指令来辨识转动惯量时，需要电机达到很高的转速(1000rpm(转每分)以上)，且高转速的保持时间需要达到100ms(毫秒)以上时，才能得出准确的惯量，由于1000rpm*100ms＝1.6转，且1.6转仅是高速运动的距离，并不包括从静止加速到1000rpm和从1000rpm减速到静止的距离，换言之，为了辨识出准确的惯量，现有的惯量辨识方法需要电机频繁地大幅往复运动，这样必然对机械产生很大的冲击。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种转动惯量辨识方法及系统，通过利用正弦波位置指令控制电机运转从而进行转动惯量的辨识，使得电机在整个辨识过程中的运动很平滑，不需要很大的运动范围、运动距离且对转速没有要求，通常仅需要很小的转速的情况下即可辨识得到转动惯量，因此对机械产生的冲击非常小，使得转动惯量辨识更安全。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种转动惯量辨识方法，包括：伺服驱动器向电机提供正弦位置指令，并控制所述电机运转；所述伺服驱动器获取所述电机的电磁转矩，并根据所述电磁转矩、正弦位置指令以及预设公式计算得到所述电机的转动惯量。
本发明的实施方式还提供了一种转动惯量辨识系统，包括：相连接的伺服驱动器以及电机；所述伺服驱动器用于向所述电机提供正弦位置指令，并控制所述电机运转；所述伺服驱动器还用于获取所述电机的电磁转矩，并根据所述电磁转矩、正弦位置指令以及预设公式计算得到所述电机的转动惯量。
本发明实施方式相对于现有技术而言，由于在转动惯量辨识时，伺服驱动器向电机提供的是正弦位置指令，所以使得电机在整个辨识过程中的运动很平滑，不需要很大的运动范围、运动距离且对转速没有要求，通常仅需要很小的转速的情况下即可辨识得到转动惯量，因此对机械产生的冲击非常小，使得转动惯量辨识更安全。
另外，所述正弦位置指令的表达式如下：
θ＝Acos(ωt)；
其中，所述θ为位置给定，所述A为位置幅值，所述ω为位置的频率，所述t为时间。
另外，所述预设公式的表达式为：
其中，所述J为转动惯量，所述Tref0为所述ω的频率分量处的电磁转矩，所述为位置的一阶导数在ω的频率分量处的值，所述π为常数。由于预设公式中除了电磁转矩这一电机的运转参数之外，其余均为常量，而电磁转矩可以方便得获得，所以使得转动惯量计算非常简单。
另外，所述A大于或者等于0.1圈，且小于或者等于0.3圈，从而使得辨识过程中电机的运动很平滑。
另外，所述ω大于或者等于1赫兹，且小于或者等于10赫兹。ω愈大，辨识过程耗时愈短。
另外，所述伺服驱动器向电机提供正弦位置指令前，还包括：控制所述伺服驱动器工作在位置模式。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是根据本发明第一实施方式转动惯量辨识方法的流程图；
图2是根据本发明第二实施方式转动惯量辨识系统的结构示意图。
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，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种转动惯量辨识方法，可以应用于各种类型的电机，例如直流电机、永磁同步电机、无刷直流电机等，本实施方式对于电机的类型不作具体限制。本实施方式的转动惯量辨识方法包括：伺服驱动器向电机提供正弦位置指令，并控制电机运转。伺服驱动器获取电机的电磁转矩，并根据电磁转矩、正弦位置指令以及预设公式计算得到电机的转动惯量。本发明实施方式相对于现有技术而言，由于在转动惯量辨识时，伺服驱动器向电机提供的是正弦位置指令，所以使得电机在整个辨识过程中的运动很平滑，不需要很大的运动范围、运动距离且对转速没有要求，通常仅需要很小的转速的情况下即可辨识得到转动惯量，因此对机械产生的冲击非常小，使得转动惯量辨识更安全。下面对本实施方式的转动惯量辨识方法的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。
本实施方式中的转动惯量辨识方法如图1所示，具体包括步骤101至步骤103。
步骤101：控制伺服驱动器工作在位置模式。
伺服驱动器的工作模式有位置模式、速度模式等，由于本实施方式的转动惯量辨识方法需要在位置模式下执行，所以在进行转动惯量辨识前，需要使伺服驱动器工作在位置模式。伺服驱动器的工作模式的设置方式为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。
步骤102：伺服驱动器向电机提供正弦位置指令，并控制电机运转。
由于伺服驱动器向电机提供的是正弦位置指令，所以在转动惯量辨识的过程中，电机的运动很平滑。
步骤103：伺服驱动器获取电机的电磁转矩，并根据电磁转矩、正弦位置指令以及预设公式计算得到电机的转动惯量。
步骤102中，正弦位置指令的表达式如下公式(一)所示：
θ＝Acos(ωt) (一)，
其中，θ为位置给定，A为位置幅值，ω为位置的频率，t为时间。实际输入的正弦位置给定由A以及ω确定。具体地，A可以在大于或者等于0.1圈且小于或者等于0.3圈的取值范围内取值，在一个例子中，A的取值为0.1圈，本实施方式对于A的具体取值不做限制。ω可以在大于或者等于1赫兹且小于或者等于10赫兹的取值范围内取值，在一个例子中，频率可以取5Hz(赫兹)，本实施方式对于ω的具体取值不做限制。
步骤103中，预设公式的表达式为公式(二)：
其中，J为转动惯量，Tref0为ω的频率分量处的电磁转矩，为位置的一阶导数在ω的频率分量处的值，π为常数，ω以及A在步骤102中正弦位置指令中给出，例如，ω等于5赫兹，A等于0.1圈。本实施方式中，Tref0的获取方式为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。
本实施方式中，在进行转动惯量辨识时，只要连接好伺服驱动器以及电机，控制伺服驱动器工作在位置模式，并输入正弦位置指令控制电机运转，通过预设公式即可辨识出转动惯量。在时间2π/ω＝2π/(2π*5)＝0.2s内，将电磁转矩以及A的取值带入公式(二)中，即可求得转动惯量J。
下面通过描述公式(二)的推导过程说明通过公式(二)计算转动惯量的优越性：
电机的运动方程如公式(a)所示：
公式(a)中，J为转动惯量，是位置的二阶导数，Tref为电磁转矩，B为电机的摩擦系数，为位置的一阶导数，TL为负载转矩；
对公式(a)进行FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅氏变换，简称FFT)变换，因负载转矩TL不包含频率分量，得到在频率分量ω处的公式(b)：
公式(b)中，为位置的二阶导数在ω的频率分量处的值，Tref0为ω的频率分量处的电磁转矩，为位置的一阶导数在ω的频率分量处的值；
将公式(一)带入公式(b)中，对t求导可得公式(c):
Tref0＝-ω2AJ cos(ωt)-ωAB sin(ωt) (c)，
对公式(c)求t的积分可得公式(d)：
∫Tref0dt＝-ωAJ sin(ωt)+AB cos(ωt) (d)，
公式(一)的导数与公式(d)的乘积为公式(e)：
公式(e)中包含两个正弦项，周期都是π/ω，在时间2π/ω内取平均，即可消除正弦项，只剩下一个包含转动惯量的常数项，如公式(二)所示：
通过上述推导过程，消除了电机的摩擦系数B以及负载转矩TL，得到仅包含电磁转矩以及常数项的计算公式，从而可以大大减少转动惯量的计算量。
本实施方式与现有技术相比，由于在转动惯量辨识时，伺服驱动器向电机提供的是正弦位置指令，所以使得电机在整个辨识过程中的运动很平滑，不需要很大的运动范围、运动距离且对转速没有要求，通常仅需要很小的转速的情况下即可辨识得到转动惯量，因此对机械产生的冲击非常小，使得转动惯量辨识更安全。并且，本实施方式的转动惯量计算公式消除了电机的摩擦系数以及负载转矩，大大减少了转动惯量的计算量。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本发明第二实施方式涉及一种转动惯量辨识系统，如图2所示，包括：相连接的伺服驱动器1以及电机2。伺服驱动器1用于向电机2提供正弦位置指令，并控制电机2运转。伺服驱动器1还用于获取电机2的电磁转矩，并根据电磁转矩、正弦位置指令以及预设公式计算得到电机2的转动惯量。本实施方式可以应用于各种类型的电机，例如直流电机、永磁同步电机、无刷直流电机等，本实施方式对于电机的类型不作具体限制。
具体地，正弦位置指令的表达式如公式(一)所示：
θ＝Acos(ωt) (一)，
其中，θ为位置给定，A为位置幅值，ω为位置的频率，t为时间。实际输入的正弦位置指令由A以及ω确定。具体地，A可以在大于或者等于0.1圈且小于或者等于0.3圈的取值范围内取值，在一个例子中，A的取值为0.1圈，本实施方式对于A的具体取值不做限制。ω可以在大于或者等于1赫兹且小于等于10赫兹的取值范围内取值，在一个例子中，频率可以取5Hz(赫兹)，本实施方式对于ω的具体取值不做限制。
本实施方式中，预设公式的表达式为公式(二)：
其中，J为转动惯量，Tref0为ω的频率分量处的电磁转矩，为位置的一阶导数在ω的频率分量处的值，π为常数，ω以及A由输入的正弦位置指令中给出，例如，ω等于5赫兹，A等于0.1圈。本实施方式中，Tref0的获取方式为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。
本实施方式中，在进行转动惯量辨识时，只要连接好伺服驱动器以及电机，控制伺服驱动器工作在位置模式，并输入正弦位置指令控制电机运转，即可辨识出转动惯量。在时间2π/ω＝2π/(2π*5)＝0.2s内，将电磁转矩以及A的取值带入公式(二)中，即可求得转动惯量J。
本实施方式与现有技术相比，由于在转动惯量辨识时，伺服驱动器向电机提供的是正弦位置指令，所以使得电机在整个辨识过程中的运动很平滑，不需要很大的运动范围、运动距离且对转速没有要求，通常仅需要很小的转速的情况下即可辨识得到转动惯量，因此对机械产生的冲击非常小，使得转动惯量辨识更安全。并且，本实施方式的转动惯量计算公式消除了电机的摩擦系数以及负载转矩，大大减少了转动惯量的计算量。
不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (9)
1.一种转动惯量辨识方法，其特征在于，包括：
伺服驱动器向电机提供正弦位置指令，并控制所述电机运转；
所述伺服驱动器获取所述电机的电磁转矩，并根据所述电磁转矩、正弦位置指令以及预设公式计算得到所述电机的转动惯量。
2.根据权利要求1所述的转动惯量辨识方法，其特征在于，所述正弦位置指令的表达式如下：
θ＝A cos(ωt)；
其中，所述θ为位置给定，所述A为位置幅值，所述ω为位置的频率，所述t为时间。
3.根据权利要求2所述的转动惯量辨识方法，其特征在于，所述预设公式的表达式为：
<mrow>
<mi>J</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mo>&Integral;</mo>
<mo>&lsqb;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mo>&Integral;</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mi>e</mi>
<mi>f</mi>
<mn>0</mn>
</mrow>
</msub>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msub>
<mover>
<mi>&theta;</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>&rsqb;</mo>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
<mrow>
<msup>
<mi>&pi;&omega;A</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，所述J为转动惯量，所述Tref0为所述ω的频率分量处的电磁转矩，所述为位置的一阶导数在ω的频率分量处的值，所述π为常数。
4.根据权利要求2所述的转动惯量辨识方法，其特征在于，所述A大于或者等于0.1圈，且小于或者等于0.3圈。
5.根据权利要求2所述的转动惯量辨识方法，其特征在于，所述ω大于或者等于1赫兹，且小于或者等于10赫兹。
6.根据权利要求1所述的转动惯量辨识方法，其特征在于，所述伺服驱动器向电机提供正弦位置指令前，还包括：
控制所述伺服驱动器工作在位置模式。
7.一种转动惯量辨识系统，其特征在于，包括：相连接的伺服驱动器以及电机；
所述伺服驱动器用于向所述电机提供正弦位置指令，并控制所述电机运转；
所述伺服驱动器还用于获取所述电机的电磁转矩，并根据所述电磁转矩、正弦位置指令以及预设公式计算得到所述电机的转动惯量。
8.根据权利要求7所述的转动惯量辨识系统，其特征在于，所述正弦位置指令的表达式如下：
θ＝A cos(ωt)；
其中，所述θ为位置给定，所述A为位置幅值，所述ω为位置的频率，所述t为时间。
9.根据权利要求8所述的转动惯量辨识系统，其特征在于，所述预设公式的表达式为：
<mrow>
<mi>J</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mo>&Integral;</mo>
<mo>&lsqb;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mo>&Integral;</mo>
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<mrow>
<mi>r</mi>
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<mi>f</mi>
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</msub>
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<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msub>
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<mi>&theta;</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>&rsqb;</mo>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
<mrow>
<msup>
<mi>&pi;&omega;A</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，所述J为转动惯量，所述Tref0为所述ω的频率分量处的电磁转矩，所述为位置的一阶导数在ω的频率分量处的值，所述π为常数。
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