CN110146211B - 一种基于电机驱动电流的电动缸输出力检测方法 - Google Patents

一种基于电机驱动电流的电动缸输出力检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于电机驱动电流的电动缸输出力检测方法，该方法建立了电机驱动电流与电动缸输出力之间的数学模型；利用电机驱动器上自带的电流传感器，获取电机驱动电流；将电机驱动电流值代入所述数学模型，得到电动缸输出力。本发明能够在不增加机械结构的复杂程度的情况下，利用电机驱动器上自带的电流传感器，获取电动缸的输出力，既简化了电动缸的结构设计，又节省了成本。

Description

一种基于电机驱动电流的电动缸输出力检测方法
技术领域
本发明涉执行机构参数检测技术领域，尤其涉及一种基于电机驱动电流的电动缸输出力检测方法。
背景技术
电动缸作为一种直线运动机构，一般采用交流伺服电机或无刷直流电机进行驱动，可以将电机的旋转运动转换为直线运动，将电机的输出扭矩转换为直线推力，进而驱动外部负载。对于电动缸而言，在实际使用中，使用者主要关心活塞杆的运动位置、速度以及输出力等外部参数。位置和速度的测量可以靠安装在电动缸驱动电机上的编码器间接计算获得，而输出力的获取，目前只能靠加装力传感器的方式进行检测，无法利用电动缸上自有的传感器进行检测。加装力传感器不但会增加机械结构的复杂程度，而且还要付出额外的经济成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于电机驱动电流的电动缸输出力检测方法，能够在不增加机械结构的复杂程度的情况下，利用电机驱动器上自带的电流传感器，获取电动缸的输出力，既简化了电动缸的结构设计，又节省了成本。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种基于电机驱动电流的电动缸输出力检测方法，包括：建立电机驱动电流与电动缸输出力之间的数学模型；利用电机驱动器上自带的电流传感器，获取电机驱动电流；将电机驱动电流值代入所述数学模型，得到电动缸输出力。
所述数学模型是根据电机轴的转矩平衡方程、电机电磁转矩公式、负载转矩分解成为摩擦转矩和电机轴上转矩的表达式、电动缸丝杠轴上的摩擦力表达式构建起来的，为：
Figure BDA0002064708580000021
其中，i为电机驱动电流，FL为电动缸输出力，Ke为电流常数，P为电动缸丝杠的导程，D为电动缸丝杠的直径，B为粘滞摩擦系数，ω为传感器测量得到的电机轴转速，J为根据机械结构确定的折算到电机轴上的转动惯量。
其中，粘滞摩擦系数B预先进行标定，包括：在电动缸的活塞杆上安装力传感器，控制电动缸令其产生运动，在运动过程中，同时采集电机的驱动电流和力传感器的数值，并带入模型表达式中，计算出粘滞摩擦系数B；对测得的多组数据计算得到的多个粘滞摩擦系数取平均值，作为真实的粘滞摩擦系数B。
优选地，该方法进一步对传感器获取的电机驱动电流进行滤波，然后再代入数学模型。
有益效果：
本发明利用电机驱动器上自带的电流传感器，获取电机的驱动电流，进而利用一定的数学关系，间接计算出电动缸的输出力。该方案无需额外加装力传感器，简化了电动缸的结构设计，又节省了成本构建该方法。
附图说明
图1为一种电动缸的组成原理图；
图2为电动缸输出力的计算流程框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于电机驱动电流的电动缸输出力检测方法，其基本思想是：利用电机驱动器上自带的电流传感器，获取电机的驱动电流，进而利用一定的数学关系，间接计算出电动缸的输出力。该方案无需额外加装力传感器，简化了电动缸的结构设计，又节省了成本构建该方法。
本实施例中电动缸的组成原理如附图1所示，交流伺服电机2的电机轴3通过联轴器4与丝杠5相连，丝杠螺母6与电动缸的活塞杆7相连。交流伺服电机的后端安装有编码器1，通过该编码器可以间接测得电动缸活塞杆的位移及运动速度。
本发明电动缸输出力检测方法的过程如图2所示，具体包含以下步骤：
步骤一、建立电机驱动电流与电动缸输出力之间的数学模型。
电机轴的转矩平衡方程满足公式(1)：
Figure BDA0002064708580000031
其中，Te为电机的电磁转矩，J为折算到电机轴上的转动惯量，Tl为折算到电机轴上的负载转矩，ω为电机轴转速，B为粘滞摩擦系数。
电机电磁转矩可表示为公式(2)
Te＝Kei (2)
其中，Ke为电流常数，是一个常量，i为电机驱动电流。
在电动缸运动过程中，折算到电机轴上的负载转矩Tl被分为两部分，一是电机丝杠的摩擦力f折合到电机轴上的摩擦转矩，二是电动缸实际输出力FL折合到电机轴上的转矩。即满足表达式(3)：
Figure BDA0002064708580000032
其中，Kh＝P/2π，P为电动缸丝杠的导程，D为电动缸丝杠的直径。
电动缸丝杠轴上的摩擦力f可视为粘性摩擦力，并通过式(4)进行表示。
Figure BDA0002064708580000033
其中B依然是粘滞摩擦系数。
综合公式(1)至(4)，最终可以得到电机驱动电流iq和电动缸输出力FL之间的数学表达式(5)。
Figure BDA0002064708580000041
步骤二、计算粘滞摩擦系数B
在式(5)所表示的电机驱动电流与电动缸输出力模型中，存在多个参数，其中电流常数Ke、转动惯量J、电动缸丝杠导程P，电动缸丝杠直径D均为确定性参数，可以通过电动缸的具体结构参数获得，而电机轴转速ω可以通过电机上编码器检测到，只有粘滞摩擦系数B是未知的。
为了计算的需要，必须提前进行一次标定得到粘滞摩擦系数B的数值。本实施例中，利用实验的方法获取粘滞摩擦系数。具体方法为：
在电动缸的活塞杆上安装力传感器，控制电动缸令其产生运动，在运动过程中，同时采集电机的驱动电流和力传感器的数值，并带入模型表达式(5)中，计算出粘滞摩擦系数B。由于可以测到多个电机驱动电流和对应的力传感器数值，因此，就可以计算出多个粘滞摩擦系数B的数值，对计算出的多个粘滞摩擦系数取平均值，作为真实的粘滞摩擦系数B。
步骤三、获取电机的驱动电流。
本实施例中电动缸的驱动电机为交流伺服电机，为其配置的驱动器可以通过模拟量输出的方式将电机驱动电流输出，因此，可以通过模拟量采集的方法获得电机的驱动电流。
步骤四、对电机电流进行滤波处理
对于交流伺服电机，由于其驱动控制方式采用的是PWM脉宽调制方式，因此检测到的电机驱动电流有一定的噪声，需要对其进行滤波处理。本实施例中采用中值滤波算法对电机的电流进行滤波，获得稳定的电机电流。
步骤五、计算电动缸输出力
将滤波后的电机电流带入模型表达式(5)中，可计算获得电动缸的输出力FL。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于电机驱动电流的电动缸输出力检测方法，其特征在于，包括：建立电机驱动电流与电动缸输出力之间的数学模型；利用电机驱动器上自带的电流传感器，获取电机驱动电流；将电机驱动电流值代入所述数学模型，得到电动缸输出力；
所述数学模型是根据电机轴的转矩平衡方程、电机电磁转矩公式、负载转矩分解成为摩擦转矩和电机轴上转矩的表达式、电动缸丝杠轴上的摩擦力表达式构建起来的，为：
Figure FDA0002538923070000011
其中，i为电机驱动电流，FL为电动缸输出力，Ke为电流常数，P为电动缸丝杠的导程，D为电动缸丝杠的直径，B为粘滞摩擦系数，ω为传感器测量得到的电机轴转速，J为根据机械结构确定的折算到电机轴上的转动惯量；
粘滞摩擦系数B预先进行标定，包括：在电动缸的活塞杆上安装力传感器，控制电动缸令其产生运动，在运动过程中，同时采集电机的驱动电流和力传感器的数值，并带入模型表达式中，计算出粘滞摩擦系数B；对测得的多组数据计算得到的多个粘滞摩擦系数取平均值，作为真实的粘滞摩擦系数B。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步对传感器获取的电机驱动电流进行滤波，然后再代入数学模型。
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