CN111464097A - 一种永磁同步电机转动惯量离线辨识方法 - Google Patents

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任连新
郑立楷
黄淇松
周鑫东
王雨
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    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转动惯量离线辨识方法，规划速度环给定的速度指令使电机运行进行两次辨识；在电机可控的行程中运行时同一时刻从伺服系统中采样反馈电流值和转子位置；将电流反馈信号、转子位置信号输入设计好的模型中计算出转动惯量，得到相对精确的惯量辨识结果。本发明解决了传统的离线辨识方法无法忽略粘滞摩擦带来的影响，计算过程中微分运算引入的误差以及应用场合受限的问题。该方法可以有效提高辨识结果的精确度，可以在带负载的场合快速准确的辨识出系统的总惯量。

Description

一种永磁同步电机转动惯量离线辨识方法
技术领域
本发明涉及同步电机惯量辨识领域，具体涉及一种永磁同步电机转动惯量离线辨识方法。
背景技术
随着永磁伺服系统的应用更加广泛，以高精度、高速度为特点的高性能伺服系统的研究受到广泛的关注，在伺服系统应用领域里，要求系统对负载变化和速度改变有很好的动态响应，而转动惯量和负载转矩的变化会严重影响系统的性能，为达到伺服系统良好的高精度控制动态与静态特性，需要精确辨识出系统的惯量，并以此为根据相应地调节控制器参数。离线辨识是通过规划的速度给定，测量采集伺服电机在一段行程内实际的速度与转矩，得到系统的转动惯量。目前常见的离线转动惯量辨识采取的方法主要有直接计算法，加减速法，人工轨迹法等。加减速法是在电机正式运转之前，通过对电机进行加速和减速来计算电机旳转动惯量，在传统的加减速离线辨识方法中，直接忽略负载转矩带来的影响，这样就无法在带负载的情况下进行惯量辨识，应用场合受到极大的限制。且认为粘滞摩擦系数很小而忽略不计。伺服系统中，转速的反馈值根据单个周期内编码器的位置脉冲增量计算得出，这一步的计算本身就是一次微分运算，电机实际运行过程中，机械的振动、伺服系统控制参数调整的不合理、外部负载的扰动等因素都会引起编码器反馈位置的抖动，位置的抖动通过微分运算得到了放大，并叠加到反馈速度信号当中，如果再用反馈速度作微分运算，得到的机械加速度信号将会有很大的误差，无法准确辨识转动惯量。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种永磁同步电机转动惯量离线辨识方法。本发明采用加减速指令规划在辨识过程中引入了力矩积分的计算方式，建立了伺服系统离线惯量辨识的计算模型设计，并且消除了负载与摩擦的影响，提高了辨识结果的精确度。本发明采用规划的加减速度指令作为速度环输入指令，将转速微分运算转换成了用规划行程首尾的转速作差的运算来解决运算中微分带来的误差。选择特定的速度给定信号，并利用数学方法消元法消除干扰项。相比传统的加减速法该辨识方法具有受干扰项影响小，辨识精确度高。
本发明采用如下技术方案：
一种永磁同步电机转动惯量离线辨识方法，包括如下步骤：
S1永磁同步电机在一段可控的行程内，规划速度环给定速度指令进行第一次辨识，辨识完成后回到该行程的起始点；
同时，采样电机在运行时的电流反馈值和转子角度；
S2规划速度环给定的速度指令在与第一次辨识相同长度的可控行程内进行第二次辨识，同时，采样电机在第二次辨识可控行程中的电流反馈值和转子角度值，采样时间与第一次辨识采样相同；
S3将两次采样的电流反馈值和转子角度输入
Figure BDA0002438096410000021
得到转动惯量J，式中
Figure BDA0002438096410000022
表示第一次辨识首尾的转速作差；
Figure BDA0002438096410000023
表示第二次辨识首尾的转速作差；
Figure BDA0002438096410000024
为第一次辨识采样计算出来的电磁转矩；
Figure BDA0002438096410000025
为第二次辨识采样计算出来的电磁转矩；Δt为采样周期；n为辨识的周期数。
进一步，速度指令包括匀加速-匀速-匀减速。
进一步，两次辨识的匀速段的速度不同。
进一步，两次辨识过程中，匀加速、匀速及匀减速的执行时间相同。
进一步，所述行程中设置中断，用于采集电流反馈值和转子角度值。
进一步，速度环控制采用矢量控制方法。
进一步，第二次辨识给定的速度小于第一次辨识的速度给定。
本发明的有益效果：
(1)本发明相比传统的转动惯量离线辨识消除了负载对变量辨识的影响，扩展了其应用场合；
(2)本发明相比传统的转动惯量离线辨识方法，辨识精度高，减少了复杂的加减速控制以及人为估算带来的误差；
(3)本发明相比转动惯量在线辨识，具有算法简单，计算量小不用考虑辨识收敛的问题。
附图说明
图1是本发明的采用的永磁同步电机惯量辨识系统控制结构图；
图2是本发明电机以加减速运行方式进行惯量辨识时的速度、转矩信号示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示为永磁同步电机惯量辨识系统控制结构图，该系统框图由电流环内环和速度环外环组成，编码器采集电角度信号作为速度环的反馈信号，采样模块采样电机三相电流信号经坐标变换后作为电流环反馈信号。电流环输出信号经过SVPWM模块产生电机运行所需要的电压信号。本发明都在矢量控制的速度环中完成，对速度环输入采用规划的速度指令使电机运行进行两次辨识，从电机中获取同一采样周期的q轴电流和转子位置，将q轴电流和转子位置输入设计好的计算模型中得出转动惯量值。图2为电机以加减速运行方式进行惯量辨识时的速度、转矩信号示意图。辨识使用多摩川公司型号为TSM3006N2307E200的400W永磁同步电机，组成两套伺服系统，一套作为主拖进行惯量辨识，另外一套作为模拟的负载施加近似恒定的负载转矩，并以刚性联轴器联接，不同惯量的惯量盘加在电机轴上以改变系统的整体惯量，伺服电机、联轴器、惯量盘同轴联接，且惯量全部已知。电机运行采样电角度和q轴电流，经计算转换得到图2所示的速度和转矩。
一种永磁同步电机转动惯量离线辨识方法，具体包括：
S1永磁同步电机在一段可控的行程内，规划速度环给定速度指令进行第一次辨识，辨识完成后回到该行程的起始点；
同时，采样电机在运行时的电流反馈值和转子角度；
S2规划速度环给定的速度指令在与第一次辨识相同长度的可控行程内进行第二次辨识，同时，采样电机在第二次辨识可控行程中的电流反馈值和转子角度值，采样时间与第一次辨识采样相同；
S3将两次采样的电流反馈值和转子角度输入模型
Figure BDA0002438096410000031
得到转动惯量。
上述速度指令包括匀加速-匀速-匀减速，两次辨识的匀速段的速度不同，但是匀加速、匀速及匀减速的执行时间相同。
两次辨识阶段，采样的时间点相同。
所述模型的获得过程如下：
伺服电机的运动方程为
Figure BDA0002438096410000041
式中：B为粘滞摩擦系数；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；J为伺服电机转子和所带负载的总转动惯量；wm为电机机械角速度，机械角速度由采集的转子位置信号微分计算得出。
由伺服电机运动方程(1)得知，合成转矩产生了机械加速度，进而导致了伺服电机速度的改变，而扰动转矩中又包含和转动惯量无关的量Bwm和TL，这两个无关项可以合并成一个无关项
T′L＝Bwm+TL (2)
要消除这个无关项T′L，需要做出一个假设，与伺服系统电流环响应相比，负载转矩的变化足够缓慢，将式(2)代入伺服电机运动方程(1)中作如下变换
Figure BDA0002438096410000042
在数字处理器控制的伺服系统中，信号都是离散的，在一段可控制的行程内，规划速度给定，对式(3)进行离散化得
Figure BDA0002438096410000043
式(4)中Δt为辨识周期，假设经过n个辨识周期伺服电机走完了规划的行程，则有
Figure BDA0002438096410000044
Figure BDA0002438096410000045
显然，伺服电机运动方程这样的变换将原先的转速微分运算转换成了用规划行程首尾的转速作差的运算，消除了传统辨识算法中计算过程中的二次微分引入的误差。
为了消除无关项T′L，需要选择特定的速度给定信号，并利用数学方法消元法进行消除。在一段特定的行程内，规划速度给定，进行第一次辨识，辨识完成后回到行程起始点，重新规划速度给定，进行第二次辨识，辨识完成后回到行程起始点。
很多伺服系统应用场合存在行程限制，所以要选择一段合适的行程，两次辨识规划的速度指令以设计简单，容易实现为依据，但形式应该相同，第二次辨识的速度给定一般要小于第一次辨识的速度给定，但要保证n个辨识周期是相同的。比如两次速度指令都选择匀加速-匀速-匀减速这样的三段规划，那么需要满足的条件有两个。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机转动惯量离线辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1永磁同步电机在一段可控的行程内，规划速度环给定速度指令进行第一次辨识，辨识完成后回到该行程的起始点；
同时，采样电机在运行时的电流反馈值和转子角度；
S2规划速度环给定的速度指令在与第一次辨识相同长度的可控行程内进行第二次辨识，同时，采样电机在第二次辨识可控行程中的电流反馈值和转子角度值，采样时间与第一次辨识采样相同；
S3将两次采样的电流反馈值和转子角度输入
Figure FDA0002438096400000011
得到转动惯量J，式中
Figure FDA0002438096400000012
表示第一次辨识首尾的转速作差；
Figure FDA0002438096400000013
表示第二次辨识首尾的转速作差；
Figure FDA0002438096400000014
为第一次辨识采样计算出来的电磁转矩；
Figure FDA0002438096400000015
为第二次辨识采样计算出来的电磁转矩；Δt为采样周期；n为辨识的周期数。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转动惯量离线辨识方法，其特征在于，速度指令包括匀加速-匀速-匀减速。
3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机转动惯量离线辨识方法，其特征在于，两次辨识的匀速段的速度不同。
4.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机转动惯量离线辨识方法，其特征在于，两次辨识过程中，匀加速、匀速及匀减速的执行时间相同。
5.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转动惯量离线辨识方法，其特征在于，所述行程中设置中断，用于采集电流反馈值和转子角度值。
6.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转动惯量离线辨识方法，其特征在于，速度环控制采用矢量控制方法。
7.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转动惯量离线辨识方法，其特征在于，第二次辨识给定的速度小于第一次辨识的速度给定。
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