CN109426143A - 负载转矩估算方法、系统、机电控制系统、方法及电机 - Google Patents

负载转矩估算方法、系统、机电控制系统、方法及电机 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种负载转矩估算方法、系统、机电控制系统、方法及电机，包括：接收旋转机械的实际机械转速；利用负载转矩估算器计算出预估负载转矩；其中，负载转矩估算器为包括误差、被控对象的传递函数和反馈环节的传递函数的闭环负反馈系统，J表示转动惯量，s表示微分函数，被控对象的传递函数为ωn表示负载转矩估算器的带宽。本申请通过利用包括误差、被控对象的传递函数和负反馈环节的传递函数的闭环负反馈系统的负载转矩估算器，输入旋转机械的实际转速，从而得出预估负载转矩，使负载转矩变化率不再影响负载转矩的预估，实现无偏地估算负载转矩，解决了现有负载转矩估算方法存在负载转矩估算偏差的问题，提高了负载转矩的预估精准度。

Description

负载转矩估算方法、系统、机电控制系统、方法及电机
技术领域
本发明涉及机电控制领域，特别涉及一种负载转矩估算方法、系统、机电控制系统、方法及电机。
背景技术
典型的机电传动系统如图1所示，其中ω、J分别是旋转机械的机械转速和转动惯量，Te是驱动旋转机械转动的转矩，Td是阻碍旋转机械转动的负载转矩。一般地，Te为可测的电机电磁转矩，但Td随负载的变化而变化，具有不确定性。对于通常采用转速闭环控制的机电传动系统，Td是一种外在干扰，影响旋转机械的转速。在冶金轧钢等工业领域，由于对电机动态速降以及速度响应等有着极高的要求，因此提高传动系统对负载扰动的响应速度，增强系统的抗扰性极为重要。
提高系统对负载扰动的响应速度主要有两条思路：一、提高速度环调节器的响应速度；二、利用负载转矩进行前馈补偿。第一条思路，由于负载波动未知，设计最佳的速度环调节器比较困难；而第二条思路的关键点在于负载转矩的获得，由于负载转矩的直接测量成本较高且响应速度较慢，因此负载转矩一般采用间接观测方法获得。负载转矩的观测主要有直接计算法、模型参考自适应法、滑模观测器法和卡尔曼滤波器法等方法。
最新的负载转矩观测方法是基于速度传感器的观测法，在实际应用中，机电控制系统只安装速度编码器，参见图2所示，实际电机转矩Te和电机实际转速作为输入，通过计算出负载转矩观测量
现有方案假设实际负载转矩Td的变化率dTD/dt＝0(即保持不变)，而在实际机电系统中，负载转矩Td随时都在变化，dTD/dt≠0，所以此种观测器观测出的与实际转矩Td必然存在偏差，导致估算结果不准确，且观测器结构较为复杂，需要进行反复调试和试验之后确定，设计过程复杂，技术要求性高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种负载转矩估算方法、系统、机电控制系统、方法及电机，以提供更为精准的预估负载转矩，且结构简单易于操作。其具体方案如下：
一种负载转矩估算方法，包括：
接收旋转机械的实际机械转速；
利用负载转矩估算器计算出预估负载转矩；
其中，所述负载转矩估算器为包括误差、被控对象的传递函数和反馈环节的传递函数的闭环负反馈系统，其中，J表示转动惯量，s表示微分函数，所述被控对象的传递函数为
式中，ωn表示所述负载转矩估算器的带宽，所述负载转矩估算器的带宽利用预先设置的负载转矩频谱查找得到。
可选的，所述误差为
式中，E(s)表示误差，ω(s)所述旋转机械的实际机械转速，表示预估电机转速。
本发明还公开了一种负载转矩估算系统，包括：
接收模块，用于接收旋转机械的实际机械转速；
预估模块，用于利用负载转矩估算器计算出预估负载转矩；
其中，所述负载转矩估算器为包括误差、被控对象的传递函数和反馈环节的传递函数的闭环负反馈系统，其中，J表示转动惯量，s表示微分函数，所述被控对象的传递函数为
式中，ωn表示所述负载转矩估算器的带宽，所述负载转矩估算器的带宽利用预先设置的负载转矩频谱查找得到。
相应的，本发明还公开了一种机电控制系统，包括前述公开的负载转矩估算系统。
本发明还公开了一种机电控制方法，包括利用前述公开的机电控制系统得到的预估负载转矩，对电机进行调速。
本发明还进一步公开了一种电机，包括前述公开的机电控制系统。
本发明中，负载转矩估算方法，包括：接收旋转机械的实际机械转速；利用负载转矩估算器计算出预估负载转矩；其中，负载转矩估算器为包括误差、被控对象的传递函数和反馈环节的传递函数的闭环负反馈系统，其中，J表示转动惯量，s表示微分函数，被控对象的传递函数为式中，ωn表示负载转矩估算器的带宽，负载转矩估算器的带宽利用预先设置的负载转矩频谱查找得到。
本发明通过利用包括误差、被控对象的传递函数和负反馈环节的传递函数的闭环负反馈系统的负载转矩估算器，输入旋转机械的实际转速，从而得出预估负载转矩，从而使负载转矩变化率不再影响负载转矩的预估，能够估算可变的负载转矩，而不局限于对恒定负载转矩的估算，能够满足估算各种负载转矩的需要，实现无偏地估算负载转矩，解决了现有负载转矩估算方法存在负载转矩估算偏差的问题，提高了负载转矩的预估精准度，且调试简单，用户只需确定估算器带宽ωn即可，便于操作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有机电传动系统原理示意图；
图2为现有负载转矩估算原理示意图；
图3为本发明实施例公开的一种负载转矩估算原理示意图；
图4为本发明实施例公开的一种简化负载转矩估算原理示意图；
图5为本发明实施例公开的一种负载转矩估算方法流程示意图；
图6为本发明实施例公开的一种负载转矩估算系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种负载转矩估算方法，参见图3所示，该方法包括：
步骤S11：接收旋转机械的实际机械转速。
可以理解的是，由于旋转机械的实际机械转速与负载转矩有相应的对应关系，因此通过接受旋转机械的实际机械转速，以估算出预估负载转矩。
步骤S12：利用负载转矩估算器计算出预估负载转矩。
其中，负载转矩估算器为包括误差、被控对象的传递函数和负反馈环节的传递函数的闭环负反馈系统，其中，J表示转动惯量，s表示微分函数。
具体的，被控对象的传递函数为
式中，ωn表示负载转矩估算器的带宽；其中，负载转矩估算器的带宽利用预先设置的负载转矩频谱查找得到的。
可以理解的是，误差计算公式为
式中，E(s)表示误差，ω(s)旋转机械的实际机械转速，表示预估电机转速。
参见图2所示，通过利用实际转速公式和预估转速公式其中，Te表示电机电磁转矩，Td表示实际负载转矩，表示预估负载转矩，代入误差计算公式可以得到由于负载转矩估算系统在持续运行过程中可以逐渐趋于稳定，由终值定理可知其中，e(t)表示误差的时域值，将可得则可证明当误差的时域值逐渐趋于0，即时，预估负载转矩将等于实际负载转矩，证明负载转矩估算系统将逐渐趋于稳定，因此，只要能调节误差的时域值使其逐渐趋于0，则估算负载转矩将收敛于实际负载转矩，从而实现对负载转矩的无偏估算。
进一步的，参见图4所示，预估负载转矩的表达式为将代入则可得到误差与负载转矩的关系式从而得知误差与电机电磁转矩无关，利用误差与负载转矩的关系式简化负载转矩估算系统结构图。
具体的，简化后的负载转矩估算系统结构图参见图4所示，为方便计算令将代入得到为保证系统逐渐稳定，需使L(s)·Js-P(s)是传递函数的系数为整数的二次多项式，因此需要令L(s)＝s和P(s)＝-J·(p0s+p1)，其中，p0和p1为传递函数的系数，p0>0，p1>0，将L(s)＝s和P(s)＝-J·(p0s+p1)代入可得因p0>0，p1>0，所以e(t)逐渐稳定，根据信号终值定理，可知由于负载转矩估算系统将逐渐趋于稳定，预估负载转矩将等于实际负载转矩，且为二阶系统，因此，p0＝2·ξ·ωn，其中，ξ为系统阻尼，本发明实施例中ξ可以取0.707，综上，被控对象的传递函数为从而得到图5所示的负载转矩估算器。
具体的，利用负载转矩估算器计算出预估负载转矩的具体过程包括负载转矩估算器接收旋转机械的实际转速，将实际转速代入传递函数计算出当前预估负载转矩，再将当前预估负载转矩取负与负反馈环节的传递函数相乘，估算出预估转速，再将预估转速与输入的实际转速对比，判断误差是否趋紧为零，如果误差不为零，则重复上述步骤直至系统稳定，误差为零，如果误差为零，则与误差为零时的估算转速相应的预估负载转矩等于实际负载转矩，完成对实际负载转矩的预估。
需要说明的是，本分明实施例中的微分函数可以根据用户实际应用需求进行设定。
可见，本发明实施例通过利用包括误差、被控对象的传递函数和负反馈环节的传递函数的闭环负反馈系统的负载转矩估算器，输入旋转机械的实际转速，从而得出预估负载转矩，从而使负载转矩变化率不再影响负载转矩的预估，能够估算可变的负载转矩，而不局限于对恒定负载转矩的估算，能够满足估算各种负载转矩的需要，实现无偏地估算负载转矩，解决了现有负载转矩估算方法存在负载转矩估算偏差的问题，提高了负载转矩的预估精准度，且调试简单，用户只需确定估算器带宽ωn即可，便于操作。
本发明实施例公开了一种负载转矩估算系统，参见图6所示，该系统包括：
接收模块，用于接收旋转机械的实际机械转速；
预估模块，用于利用负载转矩估算器计算出预估负载转矩；
其中，负载转矩估算器为包括误差、被控对象的传递函数和反馈环节的传递函数的闭环负反馈系统，其中，J表示转动惯量，s表示微分函数，被控对象的传递函数为
式中，ωn表示负载转矩估算器的带宽，负载转矩估算器的带宽利用预先设置的负载转矩频谱查找得到。
可见，本发明实施例通过利用包括误差、被控对象的传递函数和负反馈环节的传递函数的闭环负反馈系统的负载转矩估算器，输入旋转机械的实际转速，从而得出预估负载转矩，从而使负载转矩变化率不再影响负载转矩的预估，能够估算可变的负载转矩，而不局限于对恒定负载转矩的估算，能够满足估算各种负载转矩的需要，实现无偏地估算负载转矩，解决了现有负载转矩估算方法存在负载转矩估算偏差的问题，提高了负载转矩的预估精准度，且调试简单，用户只需确定估算器带宽ωn即可，便于操作。
本发明实施例中，上述误差可以为
式中，E(s)表示误差，ω(s)旋转机械的实际机械转速，表示预估电机转速。
本发明实施例还相应的公开了一种机电控制系统，包括前述实施例中公开的负载转矩估算系统，关于该负载转矩估算系统的具体构成可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行重复赘述。
本发明实施例还相应的公开了一种机电控制方法，该方法包括利用前述公开的机电控制系统得到的预估负载转矩，对电机进行调速。
本发明实施例还相应的公开了一种电机，包括前述实施例中公开的机电控制系统，关于该机电控制系统的具体构成可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行重复赘述。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种负载转矩估算方法、系统、机电控制系统、方法及电机进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种负载转矩估算方法，其特征在于，包括：
接收旋转机械的实际机械转速；
利用负载转矩估算器计算出预估负载转矩；
其中，所述负载转矩估算器为包括误差、被控对象的传递函数和反馈环节的传递函数的闭环负反馈系统，其中，J表示转动惯量，s表示微分函数，所述被控对象的传递函数为
式中，ωn表示所述负载转矩估算器的带宽，所述负载转矩估算器的带宽利用预先设置的负载转矩频谱查找得到。
2.根据权利要求1所述的负载转矩估算方法，其特征在于，所述误差为
式中，E(s)表示误差，ω(s)所述旋转机械的实际机械转速，表示预估电机转速。
3.一种负载转矩估算系统，其特征在于，包括：
接收模块，用于接收旋转机械的实际机械转速；
预估模块，用于利用负载转矩估算器计算出预估负载转矩；
其中，所述负载转矩估算器为包括误差、被控对象的传递函数和反馈环节的传递函数的闭环负反馈系统，其中，J表示转动惯量，s表示微分函数，所述被控对象的传递函数为
式中，ωn表示所述负载转矩估算器的带宽，所述负载转矩估算器的带宽利用预先设置的负载转矩频谱查找得到。
4.一种机电控制系统，其特征在于，包括如权利要求3所述的负载转矩估算系统。
5.一种机电控制方法，其特征在于，包括利用如权利要求4所述的机电控制系统得到的预估负载转矩，对电机进行调速。
6.一种电机，其特征在于，包括如权利要求5所述的机电控制系统。
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