CN109639200A - 一种基于电机负载转矩检测的转动惯量在线辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电机负载转矩检测的转动惯量在线辨识方法，首先通过离线负载转矩检测模块得到电机负载转矩值，然后以电机机械运动方程作为模型参考自适应转动惯量参考模型，搭建可调模型并进行离散化；最后采用PI结构设计自适应规律，通过自适应规律使得可调模型逼近参考模型，进而辨识出电机转动惯量值。本发明利用离线检测得到的负载转矩值，搭建更为精确的可调模型，采用比例积分(PI)结构设计自适应规律实时在线辨识电机转动惯量。实验结果表明，该方法可以快速、有效、准确地辨识出转动惯量，以此为基础可以进一步对控制参数的整定以及控制性能的优化提供有力支持。

Description

一种基于电机负载转矩检测的转动惯量在线辨识方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机伺服控制技术领域，具体地说，特别涉及到一种基于电机负载转矩检测的转动惯量在线辨识方法。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、体积小、功率因数高、功率密度高、无电刷等特点，能够适用于对响应速度与精度要求较高的伺服行业。近年来，随着永磁同步电机在航空航天、工业自动化、数控机床、精密仪器加工等领域的应用越来越广泛，这些应用场合对永磁同步电机控制的性能要求也越来越高。

由于应用场合对永磁同步电机伺服系统控制的性能要求越来越高，以及电机的工作环境越来越苛刻，在运行过程中，电机的一些参数会发生明显变化。其中转动惯量变化带来的问题最为显著，一旦控制没有针对惯量变化做出应对策略，会引起响应速度变慢、稳定性下降等问题，严重时甚至会出现工件剧烈抖动造成危险事故等。

现有的转动惯量辨识方法主要分为离线辨识与在线辨识两大类，离线辨识无法应对运行过程中转动惯量的突变；在线辨识主要分为最小二乘法、模型参考自适应算法、基于卡尔曼滤波器的辨识方法、神经网络算法等。相对而言，后两种方法计算较为复杂，实际应用案例极少；而前两种方法应用较为广泛，各有优劣。目前模型参考自适应算法采用的自适应规律绝大多数为朗道离散时间递推算法，该算法需要设置的自适应增益系数物理意义模糊，而且对稳定性和收敛性的影响都很大。而目前模型参考自适应算法采用的可调模型往往会在电机机械运动方程基础上进行微分来简化负载转矩项，所带来的高阶微分项也会在一定程度上降低系统的稳定性。

发明内容

目前尚未有基于模型参考自适应算法的在线转动惯量辨识方法采用PI结构作为自适应规律。本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种结构简单、物理意义明确、参数设置方便、辨识速度快、稳定性高的永磁同步电机转动惯量在线辨识方法，以解决现有技术中存在的问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种基于电机负载转矩检测的转动惯量在线辨识方法，包括如下步骤：

步骤1、通过离线负载转矩检测模块得到电机负载转矩值

步骤2、以电机机械运动方程作为模型参考自适应转动惯量参考模型，搭建可调模型并进行离散化；

步骤3、采用PI结构设计自适应规律，通过自适应规律使得可调模型逼近参考模型，进而辨识出电机转动惯量值J。

进一步的，所述电机负载转矩值的检测方法如下：

1)保持电机稳定运行，电机转速恒定为预定速度值保持不变；

2)通过编码器获得电机转子角θ，通过电流传感器得到电机三相电流i_a、i_b、i_c，经过Clark变换与Park变换得到电机q轴电流i_q；

3)根据q轴电流计算出电机负载转矩。

进一步的，所述电机负载转矩采用以下公式进行计算：

上述公式中，p为极对数；ψ_f为永磁体等效磁链。

进一步的，所述步骤2中的模型参考自适应转动惯量辨识参考模型由电机机械运动方程得到：

将负载转矩值和T_e的计算公式代入则有：

将方程离散化之后有：

其中可调模型则为：

两个模型的输出偏差为：

上述公式中，ω为机械角速度；B_m为阻尼系数。

进一步的，所述步骤3中自适应规律计算公式为：

电机转动惯量辨识值为：

进一步的，所述永磁同步电机均在空间矢量脉宽调制控制方法下运行，空间矢量脉宽调制控制方法包括如下步骤：

步骤1)通过编码器获得电机实际机械角速度ω，根据转速参考指令n*得到电机参考机械角速度ω*＝2πn*/60，比较电机机械角速度的实际值与参考值之间的误差，经过PI调节器得到q轴电流参考值i_q*，采用i_d*＝0控制策略，设置d轴电流参考值i_d*为零。

步骤2)通过编码器获得电机转子角θ，通过电流传感器得到电机三相电流i_a、i_b、i_c，经过Clark变换与Park变换得到电机d、q轴电流i_d、i_q，比较电机d、q轴电流实际值与参考值之间的误差，经过PI调节器分别得到d、q轴电压参考值；

步骤3)结合d、q轴电压参考值与电机转子角，经过反Park变换得到α、β轴电压参考值；

步骤4)将α、β轴电压参考值输入到空间矢量脉宽调制模块计算得到逆变器各桥臂开关管开通关断时间，驱动永磁同步电机运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明采用模型参考自适应算法，结构简洁明了，计算简单，收敛速度快。

2)本发明基于负载转矩检测搭建可调模型，可调模型更为稳定，物理意义更为明确、

3)本发明采用PI结构设计自适应规律，参数设置只有比例、积分系数与，参数设置方便，并且能够通过零极点配置有效提高辨识速度、准确度以及运行稳定性。

4)本发明在线辨识得到的转动惯量值有望进一步用于电机控制参数自整定，提升系统的响应速度以及抗干扰能力，为永磁同步电机伺服系统性能的进一步优化提供有力支持。

附图说明

图1是永磁同步电机控制(带转动惯量在线辨识)总体框图。

图2是本发明实施例的离线电机负载转矩检测方法流程图。

图3是本发明实施例的在线电机转动惯量辨识方法原理图。

图4是电机转速实际值与辨识值的比较图。

图5是电机转动惯量辨识值的波形图。

图6是电机转动惯量增大一倍后的辨识波形图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明适用于永磁同步电机伺服控制系统，目的在于在线辨识电机转动惯量，进一步提升系统的抗干扰能力与控制性能。如图1所示，整个系统控制框图包括空间矢量脉宽调制电机控制模块与电机转动惯量在线辨识模块两部分。

本发明以永磁同步电机作为控制对象建立其空间矢量脉宽调制电机控制模块，如图1所示，包括编码器、电流传感器、速度环PI调节器、电流环PI调节器、坐标变换、空间矢量脉宽调调制等主要部分。本发明采用的空间矢量脉宽调制控制过程如下：通过编码器获得电机实际机械角速度ω，根据转速参考指令n*得到电机参考机械角速度ω*＝2πn*/60，比较电机机械角速度的实际值与参考值之间的误差，经过PI调节器得到q轴电流参考值i_q*，采用i_d*＝0控制策略，设置d轴电流参考值i_d*为零；通过编码器获得电机转子角θ，并将其转化为电机转子电角度θ_e＝θ·p，通过电流传感器得到电机三相电流i_a、i_b、i_c，经过Clark变换与Park变换得到电机d、q轴电流i_d、i_q，比较电机d、q轴电流实际值与参考值之间的误差，经过PI调节器分别得到d、q轴电压参考值；结合d、q轴电压参考值与电机转子度，经过反Park变换得到α、β轴电压参考值；将α、β轴电压参考值输入到空间矢量脉宽调制模块计算得到逆变器各桥臂开关管开通关断时间，驱动永磁同步电机运行。

电机转动惯量在线辨识模块为本发明的核心部分。电机转动惯量在线辨识模块采用模型参考自适应算法结构。该算法以实际系统作为参考模型，复制参考模型结构并将辨识参数作为未知量搭建可调模型，比较两个模型的输出误差，并通过自适应规律调整可调模型中的可调参数，使得可调模型尽可能地逼近参考模型。当两个模型的输出一致时，可以认为可调模型已经可以近似参考模型，此时的可调参数值即为辨识值。

本发明采用永磁同步电机的机械运动方程作为参考模型：

上式中，机械角速度ω可由编码器获得；电磁转矩T_e可由电磁转矩方程计算得到，表贴式永磁同步电机的电磁转矩方程为：T_e＝1.5pψ_fi_q；负载转矩在本发明中由离线负载转矩检测模块预先获得，负载转矩检测流程图如图2所示，检测过程如下：保持电机稳定运行，电机转速恒定为预定速度值保持不变；通过传感器检测并计算得到电机q轴电流i_q；根据q轴电流计算出电机负载转矩：

进一步，模型参考自适应转动惯量参考模型为：

将方程离散化之后有：

其中

由图3所示，复制参考模型根据永磁同步电机的离散化机械运动方程，以需要辨识的参数转动惯量作为可调参数，搭建可调模型。可调模型同样以电机实际电流作为模型输入，电机转速作为状态变量及模型输出。可调模型为：

比较两个模型的输出偏差为：

将输出偏差e接入自适应规律进行计算并依规律调整可调模型中的转动惯量值，自适应规律同时还接入电机q轴电流、可调模型转速辨识值及负载转矩检测值用于搭建优化PI调节器，其计算公式为：

自适应规律能够有效减小两个模型之间的输出偏差，使得可调模型不断逼近参考模型，从而辨识出转动惯量实际值，计算公式为：

为了验证本发明技术方案的有效性，搭建了一套永磁同步电机控制系统仿真模型。仿真模型中采用的电机参数为5对极，定子电阻为0.8Ω，定子电感为1mH，永磁体等效磁链为0.13Wb，转动惯量为0.002kg·m2。电机转速指令为一段斜坡加减速过程，峰值为1000rpm，加速过程与减速过程各持续1s。通过负载转矩检测模块可以检测得到负载转矩值为10Nm。如图5所示，本发明提供的转动惯量在线辨识方法可以有效辨识，辨识时间为0.16s。如图4所示，此时参考模型与可调模型的输出已经保持一致。进一步，仿真电机转动惯量发生变化增大一倍的情况，如图6所示，该方法依旧可以有效辨识出此时转动惯量为0.004kg·m2，辨识时间为0.08s。

综上所述，本发明提供了一种基于电机负载转矩检测的转动惯量在线辨识方法。该辨识方法适用于永磁同步电机伺服控制系统，建立在永磁同步电机空间矢量脉宽调制控制系统之上，采用模型参考自适应算法结构，计算简便，收敛迅速。实验结果表明，该方法能够灵敏、准确地在线辨识电机转动惯量。以此为基础，有望进一步提升系统的快速性与稳定性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于电机负载转矩检测的转动惯量在线辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、通过离线负载转矩检测模块得到电机负载转矩值

步骤2、以电机机械运动方程作为模型参考自适应转动惯量参考模型，搭建可调模型并进行离散化；

步骤3、采用PI结构设计自适应规律，通过自适应规律使得可调模型逼近参考模型，进而辨识出电机转动惯量值J。

2.根据权利要求1所述的基于电机负载转矩检测的转动惯量在线辨识方法，其特征在于，所述电机负载转矩值的检测方法如下：

1)保持电机稳定运行，电机转速恒定为预定速度值保持不变；

2)通过编码器获得电机转子角θ，通过电流传感器得到电机三相电流i_a、i_b、i_c，经过Clark变换与Park变换得到电机q轴电流i_q；

3)根据q轴电流计算出电机负载转矩。

3.根据权利要求2所述的基于电机负载转矩检测的转动惯量在线辨识方法，其特征在于，所述电机负载转矩采用以下公式进行计算：

上述公式中，p为极对数；ψ_f为永磁体等效磁链。

4.根据权利要求1所述的基于电机负载转矩检测的转动惯量在线辨识方法，其特征在于，所述步骤2中的模型参考自适应转动惯量辨识参考模型由电机机械运动方程得到：

将负载转矩值和T_e的计算公式代入则有：

将方程离散化之后有：

其中可调模型则为：

两个模型的输出偏差为：

上述公式中，ω为机械角速度；B_m为阻尼系数。

5.根据权利要求1所述的基于电机负载转矩检测的转动惯量在线辨识方法，其特征在于，所述步骤3中自适应规律计算公式为：

电机转动惯量辨识值为：

6.根据权利要求2所述的基于电机负载转矩检测的转动惯量在线辨识方法，其特征在于，所述永磁同步电机均在空间矢量脉宽调制控制方法下运行，空间矢量脉宽调制控制方法包括如下步骤：

步骤1)通过编码器获得电机实际机械角速度ω，根据转速参考指令n*得到电机参考机械角速度ω*＝2πn*/60，比较电机机械角速度的实际值与参考值之间的误差，经过PI调节器得到q轴电流参考值i_q*，采用i_d*＝0控制策略，设置d轴电流参考值i_d*为零。

步骤2)通过编码器获得电机转子角θ，通过电流传感器得到电机三相电流i_a、i_b、i_c，经过Clark变换与Park变换得到电机d、q轴电流i_d、i_q，比较电机d、q轴电流实际值与参考值之间的误差，经过PI调节器分别得到d、q轴电压参考值；

步骤3)结合d、q轴电压参考值与电机转子角，经过反Park变换得到α、β轴电压参考值；

步骤4)将α、β轴电压参考值输入到空间矢量脉宽调制模块计算得到逆变器各桥臂开关管开通关断时间，驱动永磁同步电机运行。