CN109361333B - 在线惯量辨识方法、系统、电机控制器及可读存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种在线惯量辨识方法、系统、电机控制器及可读存储器，所述在线惯量辨识方法应用于识别电机带负载运行过程中的负载惯量，包括：通过加入非线性环节在速度环的闭环输出中叠加自持振荡；检测所述自持振荡的角频率和幅值；根据所述自持振荡的角频率和幅值获取待识别负载惯量。本发明实施例通过加入理想继电器环节在速度环的闭环输出中，可在几乎不影响速度环运行(叠加小幅振荡)的前提下，实现惯量的在线辨识，同时运算量小，适合嵌入式软件实现，可在负载惯量发生渐变的场合，利用该方法即时辨识负载惯量，作为控制依据，提升速度响应性能以及稳定性。

Description

在线惯量辨识方法、系统、电机控制器及可读存储器
技术领域
本发明实施例涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种在线惯量辨识方法、系统、电机控制器及可读存储器。
背景技术
先进制造业的高速发展，对电机驱动的性能，尤其是动态响应性能，提出了更高的要求。矢量控制作为一种先进的控制算法，在变频器、伺服等驱动器上广泛应用，因此提升矢量控制的动态响应性能，是一个有意义的研究课题。
对于典型的电流、转速双闭环矢量控制系统而言，电流环参数与电机参数直接相关联，一般而言，在电机参数确定后，可直接整定电流环参数，电流环环路响应即固定，无需再进行调节。而对于转速环而言，其环路响应与系统惯量的变化紧密关联，在系统惯量发生变化时，转速环的响应必然发生变化。
已知采用速度环参数整定优化和前馈控制等方法，是可以明显改善转速环响应的，而其前提则是对系统惯量这一关键变量的正确辨识。
目前惯量辨识的方法主要可分为离线辨识和在线辨识两种。以加减速法为代表的一类离线惯量辨识方法，辨识精度高，同时运算简单，易于产品化，但缺点是对运行曲线和运行条件要求高，无法实现惯量的在线辨识；而以最小二乘法、模型参考自适应等方法为代表的在线惯量辨识方法，却存在参数敏感、抗干扰性差以及运算开销大等不足。
发明内容
本发明实施例提供一种在线惯量辨识方法、系统、电机控制器及可读存储器，旨在解决上述在目前惯量辨识的方法中，离线惯量辨识方法对运行曲线和运行条件要求高，无法实现惯量的在线辨识；而在线惯量辨识方法却存在参数敏感、抗干扰性差以及运算开销大等问题。
本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种在线惯量辨识方法，用于识别电机带负载运行过程中的负载惯量，所述方法包括：
通过加入非线性环节在速度环的闭环输出中叠加自持振荡；
检测所述自持振荡的角频率和幅值；
根据所述自持振荡的角频率和幅值获取待识别负载惯量。
在本发明实施例所述的在线惯量辨识方法中，所述非线性环节为理想继电器环节，所述负载惯量对应的目标参数为机电时间常数；
在所述根据所述自持振荡的角频率和幅值获取待识别负载惯量时，通过速度环的开环传递函数和所述理想继电器的负倒描述函数获得所述待识别负载惯量。
在本发明实施例所述的在线惯量辨识方法中，所述通过加入非线性环节在速度环的闭环输出中叠加自持振荡，包括；
通过所述理想继电器环节将输入的速度参考值和速度反馈值的误差值转换为控制信号；
将所述控制信号输出到电流环；
其中，所述理想继电器环节的传递函数为：
Figure BDA0001847436590000021
A为输入正弦信号的幅值，b为所述理想继电器环节输出幅值。
在本发明实施例所述的在线惯量辨识方法中，在所述通过速度环的开环传递函数和所述理想继电器的负倒描述函数获得所述待识别负载惯量时，所述负载惯量通过求解以下计算式组获得：
Figure BDA0001847436590000022
其中，w0为所述自持振荡的角频率，A0为所述自持振荡的幅值，Tfilter为速度反馈滤波时间，j为复数域中的虚数单位，Ti为电流环等效时间常数，Tm为所述机电时间常数。
在本发明实施例所述的在线惯量辨识方法中，所述方法还包括：在获得所述待识别负载惯量后，所述速度环控制器使用所述待识别负载惯量整定优化控制器的比例和积分参数，根据速度参考值和速度反馈值进行比例运算和积分运算获得电流参考值并将所述电流参考值输出到电流环控制器。
在本发明实施例还提供一种在线惯量辨识系统，用于识别电机带负载运行过程中的负载惯量，所述系统包括：非线性控制单元、检测单元以及识别单元，其中：
所述非线性控制单元，用于通过非线性环节在速度环的闭环输出中叠加自持振荡；
所述检测单元，用于检测所述自持振荡的角频率和幅值；
所述识别单元，用于根据所述自持振荡的角频率和幅值获取待识别负载惯量。
在本发明实施例所述的在线惯量辨识系统中，所述非线性环节为理想继电器环节，所述负载惯量对应的目标参数为机电时间常数；所述非线性控制单元通过所述理想继电器环节将输入的速度参考值和速度反馈值的误差值转换为控制信号，并将所述控制信号输出到电流环；其中，所述理想继电器传递函数为：
Figure BDA0001847436590000031
A为输入正弦信号的幅值，b为所述理想继电器环节的输出幅值；
所述识别单元通过速度环的开环传递函数和所述理想继电器的负倒描述函数获得所述待识别负载惯量。
在本发明实施例所述的在线惯量辨识系统中，所述识别单元通过求解以下计算式组获得所述负载惯量：
Figure BDA0001847436590000032
其中，w0为所述自持振荡的角频率，A0为所述自持振荡的幅值，Tfilter为速度反馈滤波时间，j为复数域中的虚数单位，Ti为电流环等效时间常数，Tm为所述机电时间常数。
本发明实施例还提供一种电机控制器，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器中执行的计算机程序，且所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的在线惯量辨识方法的步骤。
本发明实施例还提供一种可读存储器，所述可读存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述在线惯量辨识方法的步骤。
本发明实施例的在线惯量辨识方法、系统、电机控制器及可读存储器具有以下有益效果：通过加入理想继电器环节在速度环的闭环输出中，可在几乎不影响速度环运行(叠加小幅振荡)的前提下，实现惯量的在线辨识，同时运算量小，适合嵌入式软件实现，可在负载惯量发生渐变的场合，利用该方法即时辨识负载惯量，作为控制依据，提升速度响应性能以及稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的在线惯量辨识方法的流程示意图；
图2是已有矢量控制框图；
图3是理想继电器环节示意图；
图4是本发明实施例提供的在线惯量辨识方法中理想继电器加入速度环等效框图；
图5是本发明实施例提供的在线惯量辨识方法中速度环-理想继电器环路自持振荡示意图；
图6是本发明实施例提供的在线惯量辨识方法中的实现方案示意图；
图7是本发明实施例提供的在线惯量辨识系统的示意图；
图8是本发明实施例提供的电机控制器示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在驱动器驱动电机带负载运行过程中，负载惯量在很多情况下会发生渐变，如不依据负载惯量改变速度环PI或者前馈系数，负载速度响应性能会发生变化甚至引起稳定性问题。本发明实施例提出一种在线惯量辨识方法，实现惯量的非连续在线辨识，为速度环参数的在线调整提供依据，从而实现对系统的动态响应性能以及稳定性的提升。
如图1所示，是本发明实施例提供的在线惯量辨识方法的流程示意图，该在线惯量辨识方法可用于识别电机带负载运行过程中的负载惯量，该方法具体包括以下步骤：
步骤S1：通过加入非线性环节在速度环的闭环输出中叠加自持振荡。
如图2所示，是已有矢量控制框图，速度环一般可等效为由电流环一阶惯性环节21、积分环节22、速度滤波一阶惯性环节23以及控制器环节24组成。
在不包含控制器环节24时，速度环的开环传递函数如式(1)所示：
Figure BDA0001847436590000051
其中Ti为电流环等效时间常数，Tfilter为速度反馈滤波时间，Tm为机电时间常数，Tm可直接反应负载惯量的大小，所以负载惯量辨识的目标参数即为机电时间常数Tm。
在经典控制理论中，非线性环节的输入输出特性可由描述函数N(A)表示，如式(2)所示：
N(A)＝|N(A)|ej∠N(A) (2)
其中A表示输入正弦信号的幅值。
理想继电器环节，如图3所示，是一种典型的非线性环节，其传递函数如式(3)所示：
Figure BDA0001847436590000052
其中b表示理想继电器环节的幅值。
在速度环的环路中，可用理想继电器环节41取代控制器环节24，如图4所示，通过理想继电器环节41将输入的速度参考值r(t)和速度反馈值c(t)的误差值e(t)转换为控制信号u(t)，并将控制信号u(t)输出到电流环，即可在速度环的闭环输出中叠加自持振荡。上述自持振荡的产生条件可表示为式(4)：
Figure BDA0001847436590000061
具体为，在已知速度环开环传递函数与理想继电器环节传递函数的情况下，通过绘制速度环开环传递函数与理想继电器环节负倒描述函数两者的轨迹，其相交点(如图5中D点)即为产生自持振荡点，可获得产生自持振荡点的频率和幅值；换言之，在已知速度环开环传递函数与理想继电器环节负倒描述函数中部分参数的前提下，根据自持振荡的频率和幅值是可以反推算出速度环开环传递函数中不超过2个未知参数量值的，包括上述机电时间常数Tm和电流环等效时间常数Ti。
步骤S2：检测自持振荡的角频率和幅值，假设检测自持振荡的角频率为w0和自持振荡的幅值为A0，此时(即速度环开环传递函数与理想继电器环节负倒描述函数的相交点处)满足以下表达式(5)：
Figure BDA0001847436590000062
该检测步骤可通过检测电机转子的运行速度或者角度信号获得。
步骤S3：根据上述自持振荡的角频率和幅值获取待识别负载惯量。
由式(5)的相位条件式(6)和幅值条件式(7)：
Figure BDA0001847436590000063
Figure BDA0001847436590000064
可以求解机电时间常数Tm和电流环等效时间常数Ti，进而根据机电时间常数Tm获得负载惯量。
在获得待识别负载惯量后，速度环控制器即可使用上述待识别负载惯量整定优化控制器的比例和积分等参数，根据速度参考值和速度反馈值进行比例运算和积分运算获得电流参考值并将电流参考值输出到电流环控制器。
基于继电器环节进行在线惯量辨识的原理如上所述，一种可能的实现方案是采用理想继电器环节和PI(proportion，比例；integral，积分)控制器环节并联切换的方式，如图6所示。在PI控制器模式下，进行比例环节P和积分环节I控制，速度环输出跟随设定平稳运行；切换到理想继电器模式下时，继电器环节投入，PI控制器的积分环节I保留，以维持调节器输出抵消负载转矩，这样速度环输出会在跟随给定的基础上，叠加小幅的等幅振荡。采集振荡特性并根据上述公式(6)和公式(7)实现机电时间常数Tm的辨识。辨识结束后，即可切换回PI控制器模式，可根据辨识出的机电时间常数Tm进行控制器参数的在线整定，以实现更优的速度环动态响应。
本发明实施例的在线惯量辨识方法，通过加入理想继电器环节在速度环的闭环输出中，可在几乎不影响速度环运行(叠加小幅振荡)的前提下，实现惯量的在线辨识，同时运算量小，适合嵌入式软件实现，可在负载惯量发生渐变的场合，利用该方法即时辨识负载惯量，作为控制依据，提升速度响应性能以及稳定性。
本发明实施例还提供一种在线惯量辨识系统，用于识别电机带负载运行过程中的负载惯量。如图7所示，该在线惯量辨识系统包括：非线性控制单元61、检测单元62以及识别单元63，其中：
非线性控制单元61，用于通过非线性环节在速度环的闭环输出中叠加自持振荡；检测单元62，用于检测自持振荡的角频率和幅值；识别单元63，用于根据自持振荡的角频率和幅值获取待识别负载惯量。
在本发明实施例的线惯量辨识系统中，上述非线性环节具体可为理想继电器环节，负载惯量具体可根据机电时间常数获得；非线性控制单元通过理想继电器环节将输入的速度参考值和速度反馈值的误差值转换为控制信号，并将控制信号输出到电流环；其中，理想继电器传递函数为：
Figure BDA0001847436590000071
其中，A为输入正弦信号的幅值，b为理想继电器环节的输出幅值。
上述识别单元63具体可通过速度环的开环传递函数和理想继电器的负倒描述函数获得待识别负载惯量，速度环的开环传递函数为(9)：
Figure BDA0001847436590000072
其中，Ti为电流环等效时间常数，Tfilter为速度反馈滤波时间，Tm为机电时间常数，Tm可直接反应负载惯量的大小，所以负载惯量的辨识可根据机电时间常数Tm获得。
在速度环开环传递函数与理想继电器的负倒描述函数的交点处，满足式(10)：
Figure BDA0001847436590000081
具体为，在已知速度环开环传递函数与理想继电器环节负倒描述函数的情况下，通过绘制速度环开环传递函数与理想继电器环节负倒描述函数两者的轨迹，其相交点(如图5中D点)即产生自持振荡点，通过检测其相交点的频率和幅值，并根据求解以下计算式组(11)、(12)获得机电时间常数Tm和电流环等效时间常数Ti，再根据机电时间常数Tm获得负载惯量。
Figure BDA0001847436590000082
Figure BDA0001847436590000083
其中，w0为所述自持振荡的角频率，A0为所述自持振荡的幅值，Tfilter为速度反馈滤波时间，j为复数域中的虚数单位，Ti为电流环等效时间常数，Tm为所述机电时间常数。
本发明实施例还提供一种电机控制器，如图8所示，该电机控制器8包括存储器81和处理器82，所述存储器81中存储有可在处理器82中执行的计算机程序，且处理器82执行计算机程序时实现如上所述的在线惯量辨识方法的步骤。本实施例中的电机控制器8与上述图1对应实施例中的方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。
本发明实施例还提供一种可读存储器，可读存储器上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如上所述在线惯量辨识方法的步骤。本实施例中的可读存储器与上述图1对应实施例中的方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种在线惯量辨识方法，用于识别电机带负载运行过程中的负载惯量，所述方法包括：
通过加入非线性环节在速度环的闭环输出中叠加自持振荡；
检测所述自持振荡的角频率和幅值；
根据所述自持振荡的角频率和幅值获取待识别负载惯量；
其特征在于，所述方法采用理想继电器环节和PI控制器环节并联切换的方式，在PI控制器模式下，进行比例环节P和积分环节I控制，速度环输出跟随设定平稳运行；切换到理想继电器模式下时，继电器环节投入，PI控制器的积分环节I保留，以维持调节器输出抵消负载转矩。
2.根据权利要求1所述的在线惯量辨识方法，其特征在于，所述非线性环节为理想继电器环节，所述负载惯量对应的目标参数为机电时间常数；
在所述根据所述自持振荡的角频率和幅值获取待识别负载惯量时，通过速度环的开环传递函数和所述理想继电器的负倒描述函数获得所述待识别负载惯量。
3.根据权利要求2所述的在线惯量辨识方法，其特征在于，所述通过加入非线性环节在速度环的闭环输出中叠加自持振荡，包括；
通过所述理想继电器环节将输入的速度参考值和速度反馈值的误差值转换为控制信号；
将所述控制信号输出到电流环；
其中，所述理想继电器环节的传递函数为：
Figure FDA0002964480660000011
A为输入正弦信号的幅值，b为所述理想继电器环节输出幅值。
4.根据权利要求3所述的在线惯量辨识方法，其特征在于，在所述通过速度环的开环传递函数和所述理想继电器的负倒描述函数获得所述待识别负载惯量时，所述负载惯量通过求解以下计算式组获得：
Figure FDA0002964480660000012
Figure FDA0002964480660000021
其中，w0为所述自持振荡的角频率，A0为所述自持振荡的幅值，Tfilter为速度反馈滤波时间，j为复数域中的虚数单位，Ti为电流环等效时间常数，Tm为所述机电时间常数。
5.根据权利要求1所述的在线惯量辨识方法，其特征在于，所述方法还包括：在获得所述待识别负载惯量后，所述速度环的 控制器使用所述待识别负载惯量整定优化控制器的比例和积分参数，根据速度参考值和速度反馈值进行比例运算和积分运算获得电流参考值并将所述电流参考值输出到电流环控制器。
6.一种在线惯量辨识系统，用于识别电机带负载运行过程中的负载惯量，所述系统包括：非线性控制单元、检测单元以及识别单元，其中：
所述非线性控制单元，用于通过非线性环节在速度环的闭环输出中叠加自持振荡；
所述检测单元，用于检测所述自持振荡的角频率和幅值；
所述识别单元，用于根据所述自持振荡的角频率和幅值获取待识别负载惯量；
其特征在于，所述系统采用理想继电器环节和PI控制器环节并联切换的方式，在PI控制器模式下，进行比例环节P和积分环节I控制，速度环输出跟随设定平稳运行；切换到理想继电器模式下时，继电器环节投入，PI控制器的积分环节I保留，以维持调节器输出抵消负载转矩。
7.根据权利要求6所述的在线惯量辨识系统，其特征在于，所述非线性环节为理想继电器环节，所述负载惯量对应的目标参数为机电时间常数；所述非线性控制单元通过所述理想继电器环节将输入的速度参考值和速度反馈值的误差值转换为控制信号，并将所述控制信号输出到电流环；其中，所述理想继电器传递函数为：
Figure FDA0002964480660000022
A为输入正弦信号的幅值，b为所述理想继电器环节的输出幅值；
所述识别单元通过速度环的开环传递函数和所述理想继电器的负倒描述函数获得所述待识别负载惯量。
8.根据权利要求7所述的在线惯量辨识系统，其特征在于，所述识别单元通过求解以下计算式组获得所述负载惯量：
Figure FDA0002964480660000031
Figure FDA0002964480660000032
其中，w0为所述自持振荡的角频率，A0为所述自持振荡的幅值，Tfilter为速度反馈滤波时间，j为复数域中的虚数单位，Ti为电流环等效时间常数，Tm为所述机电时间常数。
9.一种电机控制器，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器中执行的计算机程序，且所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的在线惯量辨识方法的步骤。
10.一种可读存储器，其特征在于，所述可读存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至5中任一项所述在线惯量辨识方法的步骤。
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基于继电反馈的气浮平台运动控制;黄勇强;《中国优秀博硕士学位论文数据库信息科技辑》;20100415(第04期);第7-34页 *

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