CN111669097B - 负载转动惯量辨识方法及系统 - Google Patents

负载转动惯量辨识方法及系统 Download PDF

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CN111669097B CN202010519271.3A CN202010519271A CN111669097B CN 111669097 B CN111669097 B CN 111669097B CN 202010519271 A CN202010519271 A CN 202010519271A CN 111669097 B CN111669097 B CN 111669097B
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Abstract

本发明涉及一种负载转动惯量辨识方法，包括：当伺服电机的运行计时时间没有达到T时，根据伺服电机不同状态下的电机机械转速，不断计算该伺服电机的负载转动惯量，并作为后续自检环节的辨识范围；当伺服电机的运行计时时间达到T时，计算当前时刻下的负载转动惯量，开启负载转动惯量辨识；当上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在辨识范围内时，根据上述计算的当前时刻下的负载转动惯量对负载转动惯量进行更新。本发明还涉及一种负载转动惯量辨识系统。本发明无需给定初始的负载转动惯量，且辨识过程会对结果数值是否有效加以判断，不累积误差且运算量较小，具有较高的实用性。

Description

负载转动惯量辨识方法及系统
技术领域
本发明涉及一种负载转动惯量辨识方法及系统。
背景技术
在伺服电机的运动过程中，负载转动惯量随着机械臂运动姿态变化而波动。速度环的控制参数与实际的负载转动惯量正相关，如果没有获取到正确的负载转动惯量，会降低伺服电机整体的控制效率。因此，实时地辨识出负载转动惯量，对于精准的电机控制有十分重要的意义。
现有的负载转动惯量辨识方法主要分为离线辨识和在线辨识。两种辨识方法都是通过对电机运动方程进行离散后，根据实时获取的转矩反馈和转速反馈进行计算。但离线辨识需要规律的运动轨迹，而在线辨识只能在电机正常运行中进行辨识计算。
申请号：201310087944.2，交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量在线辨识方法。该方法只在判定电机转速动态变化的阶段才进行惯量辨识，但满足条件的每个运算周期都会用递推最小二乘法持续收敛计算更新结果，整体运算量较大。
申请号：201910537539.3用于电机伺服系统动态转动惯量辨识的方法和装置、电机伺服系统。该方法虽然根据特定条件进行状态转移判断，只在满足条件时计算更新惯量值，但需要获知一个负载转动惯量的初值，且计算中出现的误差会累计到后续结果中。
目前，尚未有一种无需给定初始负载转动惯量，能够在辨识过程对结果进行判断，且不累积误差的负载转动惯量辨识方法或系统。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种负载转动惯量辨识方法及系统，其无需给定初始负载转动惯量，能够在辨识过程对结果数值是否有效加以判断，且不累积误差。
本发明提供一种负载转动惯量辨识方法，该方法包括如下步骤：a.判断伺服电机的运行计时时间是否达到T；b.当伺服电机的运行计时时间没有达到T时，根据伺服电机不同状态下的电机机械转速，不断计算该伺服电机的负载转动惯量，并作为后续自检环节的辨识范围；c.当伺服电机的运行计时时间达到T时，计算当前时刻下的负载转动惯量，开启负载转动惯量辨识；d.判断上述计算的当前时刻下的负载转动惯量是否在辨识范围内；e.当上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在辨识范围内时，根据上述计算的当前时刻下的负载转动惯量对负载转动惯量进行更新。
其中，当上述计算的当前时刻下的负载转动惯量不在辨识范围内时，返回步骤c。
步骤b中，所述根据伺服电机不同状态下的电机机械转速，不断计算该伺服电机的负载转动惯量，具体包括：
状态1为初始阶段，当伺服电机转矩Te超过设定的转矩阈值Teth时记录伺服电机机械转速ωt并跳转到状态2；状态2时t开始计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure BDA0002531341530000021
直到计时达到设定的时间阈值tth时记录伺服电机机械转速
Figure BDA0002531341530000022
然后跳转到状态3；状态3时t继续计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure BDA0002531341530000023
直到计时达到设定的时间阈值2tth时记录伺服电机机械转速
Figure BDA0002531341530000024
然后计时t清零并跳转到状态4；状态4时，根据电机运动学方程计算得到该伺服电机的负载转动惯量。
所述根据电机运动学方程计算得到该伺服电机的负载转动惯量，具体包括：
根据电机运动学方程
Figure BDA0002531341530000031
进行推导后得出：
Figure BDA0002531341530000032
其中，J为负载转动惯量，Te为转矩反馈，ωt、
Figure BDA0002531341530000033
和
Figure BDA0002531341530000034
分别为对应相应时刻的电机机械转速，通过公式1计算得到伺服电机的负载转动惯量。
步骤b中，所述作为后续自检环节的辨识范围包括：
在伺服电机运行计时时间T内，在每个状态循环周期计算得到伺服电机的负载转动惯量，形成一个负载转动惯量数组，取所述负载转动惯量数组的最大值和最小值作为后续自检环节的辨识范围。
所述步骤d具体包括：
将上述计算的当前时刻下的负载转动惯量与自检环节辨识范围的最大值和最小值进行比较，如果上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在自检环节辨识范围的最大值和最小值之间，则上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在自检环节辨识范围内；否则，上述计算的当前时刻下的负载转动惯量不在自检环节辨识范围内。
所述步骤e具体包括：
对负载转动惯量进行加权修正：
Jnew＝αJnew+(1-α)Jold公式2
其中，α是加权系数，一般设置在0.2～0.5之间，Jold表示上述计算的当前时刻下的负载转动惯量，Jnew表示更新后的负载转动惯量，根据公式2将Jnew的数值更新，完成一次惯量辨识。
本发明提供一种负载转动惯量辨识系统，该系统包括判断模块、计算模块、存储模块以及更新模块，其中：所述判断模块用于判断伺服电机的运行计时时间是否达到T；所述计算模块用于当伺服电机的运行计时时间没有达到T时，根据伺服电机不同状态下的电机机械转速，计算该伺服电机的负载转动惯量；所述存储模块用于存储所述电机的负载转动惯量，作为后续自检环节的辨识范围；所述计算模块还用于当伺服电机的运行计时时间达到T时，计算当前时刻下的负载转动惯量，开启负载转动惯量辨识；所述判断模块还用于判断上述计算的当前时刻下的负载转动惯量是否在辨识范围内；所述更新模块用于当上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在辨识范围内时，根据上述计算的当前时刻下的负载转动惯量对负载转动惯量进行更新。
其中，所述根据伺服电机不同状态下的电机机械转速，不断计算该伺服电机的负载转动惯量，具体包括：
状态1为初始阶段，当伺服电机转矩Te超过设定的转矩阈值Teth时记录伺服电机机械转速ωt并跳转到状态2；状态2时t开始计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure BDA0002531341530000041
直到计时达到设定的时间阈值tth时记录伺服电机机械转速
Figure BDA0002531341530000042
然后跳转到状态3；状态3时t继续计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure BDA0002531341530000043
直到计时达到设定的时间阈值2tth时记录伺服电机机械转速
Figure BDA0002531341530000044
然后计时t清零并跳转到状态4；状态4时，根据电机运动学方程计算得到该伺服电机的负载转动惯量。
所述更新模块具体用于：
对负载转动惯量进行加权修正：
Jnew＝αJnew+(1-α)Jold公式2
其中，α是加权系数，一般设置在0.2～0.5之间，Jold表示上述计算的当前时刻下的负载转动惯量，Jnew表示更新后的负载转动惯量，根据公式2将Jnew的数值更新，完成一次惯量辨识。
本发明根据设定的转矩阈值确定是否开启惯量辨识，满足条件时开始计时同时获取速度反馈并累加转矩反馈，当计时到达设定的时间阈值后，通过电机运动方程计算出负载转动惯量，若辨识数值满足条件则将它加权更新到结果。本发明无需给定初始的负载转动惯量，且辨识过程会对结果数值是否有效加以判断，不累积误差且运算量较小，具有较高的实用性。
附图说明
图1为本发明负载转动惯量辨识方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的行、列幅值累加曲线示意图；
图3为本发明负载转动惯量辨识系统的硬件架构图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
参阅图1所示，是本发明负载转动惯量辨识方法较佳实施例的作业流程图。
步骤S1，判断伺服电机的运行计时时间是否达到T？
在步骤S1中，如果伺服电机的运行计时时间没有达到T，则进入步骤S2；如果伺服电机的运行计时时间达到T，则进入步骤S4。
步骤S2，根据伺服电机不同状态下的电机机械转速，计算该伺服电机的负载转动惯量。具体而言：
本实施例的不同状态包括：状态1、状态2、状态3、状态4，请参考图2。
在本实施例中，状态1为初始阶段，当伺服电机转矩Te超过设定的转矩阈值Teth时记录伺服电机机械转速ωt并跳转到状态2；状态2时t开始计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure BDA0002531341530000061
直到计时达到设定的时间阈值tth时记录伺服电机机械转速
Figure BDA0002531341530000062
然后跳转到状态3；状态3时t继续计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure BDA0002531341530000063
直到计时达到设定的时间阈值2tth时记录伺服电机机械转速
Figure BDA0002531341530000064
然后计时t清零并跳转到状态4；状态4时，根据电机运动学方程计算得到该伺服电机的负载转动惯量。
其中，根据电机运动学方程计算得到该伺服电机的负载转动惯量，具体包括：
本实施例根据电机运动学方程
Figure BDA0002531341530000065
进行推导后得出：
Figure BDA0002531341530000066
其中，J为负载转动惯量，Te为转矩反馈，ωt、
Figure BDA0002531341530000067
和
Figure BDA0002531341530000068
分别为对应相应时刻的电机机械转速。通过公式1，可以准确地计算出伺服电机的负载转动惯量。
步骤S3，存储所述电机的负载转动惯量，作为后续自检环节的辨识范围，返回步骤S1。具体而言：
在伺服电机运行计时时间T内，按照满足状态切换的条件，根据上述公式重复数个周期获取一组负载转动惯量辨识结果，作为后续自检环节的辨识范围。
在本实施例中，计时阈值T为10～20个状态循环周期，在每个状态循环周期计算得到伺服电机的负载转动惯量，形成一个负载转动惯量数组，取所述负载转动惯量数组的最大值和最小值作为后续自检环节的辨识范围。
步骤S4，计算当前时刻下的负载转动惯量，开启负载转动惯量辨识。具体而言：
根据伺服电机不同状态下的电机机械转速，计算该伺服电机的负载转动惯量。具体而言：
本实施例的不同状态包括：状态1、状态2、状态3、状态4，请参考图2。
在本实施例中，状态1为初始阶段，当伺服电机转矩Te超过设定的转矩阈值Teth时记录伺服电机机械转速ωt并跳转到状态2；状态2时t开始计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure BDA0002531341530000071
直到计时达到设定的时间阈值tth时记录伺服电机机械转速
Figure BDA0002531341530000072
然后跳转到状态3；状态3时t继续计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure BDA0002531341530000073
直到计时达到设定的时间阈值2tth时记录伺服电机机械转速
Figure BDA0002531341530000074
然后计时t清零并跳转到状态4；状态4时，根据公式1计算得到该伺服电机的负载转动惯量。
之后进入步骤S5。
步骤S5，判断上述计算的当前时刻下的负载转动惯量是否在辨识范围内。具体而言：
在本实施例中，判断上述计算的当前时刻下的负载转动惯量是否在自检环节的辨识范围内，也即是，将上述计算的当前时刻下的负载转动惯量与自检环节辨识范围的最大值和最小值进行比较，如果上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在自检环节辨识范围的最大值和最小值之间，则上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在自检环节辨识范围内；否则，上述计算的当前时刻下的负载转动惯量不在自检环节辨识范围内。
在步骤S5中，如果上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在辨识范围内，则进入步骤S6；如果上述计算的当前时刻下的负载转动惯量不在辨识范围内，则返回步骤S4。
步骤S6，根据上述计算的当前时刻下的负载转动惯量对负载转动惯量进行更新后返回步骤S4。具体而言：
对负载转动惯量进行加权修正：
Jnew＝αJnew+(1-α)Jold公式2
其中，α是加权系数，一般设置在0.2～0.5之间，Jold表示上述计算的当前时刻下的负载转动惯量，Jnew表示更新后的负载转动惯量。根据公式2将Jnew的数值更新，完成一次惯量辨识。
参阅图3所示，是本发明负载转动惯量辨识系统10的硬件架构图。该系统包括：判断模块101、计算模块102、存储模块103以及更新模块104。
所述判断模块101用于判断伺服电机的运行计时时间是否达到T。
所述计算模块102用于当伺服电机的运行计时时间没有达到T时，根据伺服电机不同状态下的电机机械转速，计算该伺服电机的负载转动惯量。具体而言：
本实施例的不同状态包括：状态1、状态2、状态3、状态4，请参考图2。
在本实施例中，状态1为初始阶段，当伺服电机转矩Te超过设定的转矩阈值Teth时记录伺服电机机械转速ωt并跳转到状态2；状态2时t开始计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure BDA0002531341530000091
直到计时达到设定的时间阈值tth时记录伺服电机机械转速
Figure BDA0002531341530000092
然后跳转到状态3；状态3时t继续计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure BDA0002531341530000093
直到计时达到设定的时间阈值2tth时记录伺服电机机械转速
Figure BDA0002531341530000094
然后计时t清零并跳转到状态4；状态4时，根据电机运动学方程计算得到该伺服电机的负载转动惯量。
其中，根据电机运动学方程计算得到该伺服电机的负载转动惯量，具体包括：
本实施例根据电机运动学方程
Figure BDA0002531341530000095
进行推导后得出：
Figure BDA0002531341530000096
其中，J为负载转动惯量，Te为转矩反馈，ωt、
Figure BDA0002531341530000097
和
Figure BDA0002531341530000098
分别为对应相应时刻的电机机械转速。通过公式1，可以准确地计算出伺服电机的负载转动惯量。
所述存储模块103用于存储所述电机的负载转动惯量，作为后续自检环节的辨识范围。具体而言：
所述存储模块103在伺服电机运行计时时间T内，按照满足状态切换的条件，将根据上述公式重复数个周期计算的一组负载转动惯量辨识结果，存储作为后续自检环节的辨识范围。
在本实施例中，计时阈值T为10～20个状态循环周期，在每个状态循环周期计算得到伺服电机的负载转动惯量，形成一个负载转动惯量数组，取所述负载转动惯量数组的最大值和最小值作为后续自检环节的辨识范围。
所述计算模块102还用于当伺服电机的运行计时时间达到T时，计算当前时刻下的负载转动惯量，开启负载转动惯量辨识。具体而言：
根据伺服电机不同状态下的电机机械转速，计算该伺服电机当前时刻下的负载转动惯量。具体而言：
本实施例的不同状态包括：状态1、状态2、状态3、状态4，请参考图2。
在本实施例中，状态1为初始阶段，当伺服电机转矩Te超过设定的转矩阈值Teth时记录伺服电机机械转速ωt并跳转到状态2；状态2时t开始计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure BDA0002531341530000101
直到计时达到设定的时间阈值tth时记录伺服电机机械转速
Figure BDA0002531341530000102
然后跳转到状态3；状态3时t继续计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure BDA0002531341530000103
直到计时达到设定的时间阈值2tth时记录伺服电机机械转速
Figure BDA0002531341530000104
然后计时t清零并跳转到状态4；状态4时，根据公式1计算得到该伺服电机的负载转动惯量。
所述判断模块101还用于判断上述计算的当前时刻下的负载转动惯量是否在辨识范围内。具体而言：
在本实施例中，所述判断模块101判断上述计算的当前时刻下的负载转动惯量是否在自检环节的辨识范围内，也即是，将上述计算的当前时刻下的负载转动惯量与自检环节辨识范围的最大值和最小值进行比较，如果上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在自检环节辨识范围的最大值和最小值之间，则上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在自检环节辨识范围内；否则，上述计算的当前时刻下的负载转动惯量不在自检环节辨识范围内。
所述更新模块104用于当上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在辨识范围内时，根据上述计算的当前时刻下的负载转动惯量对负载转动惯量进行更新。具体而言：
所述更新模块104对负载转动惯量进行加权修正：
Jnew＝αJnew+(1-α)Jold公式2
其中，α是加权系数，一般设置在0.2～0.5之间，Jold表示上述计算的当前时刻下的负载转动惯量，Jnew表示更新后的负载转动惯量。根据公式2将Jnew的数值更新，完成一次惯量辨识。
本发明在开启辨识前，无需给定初始的负载惯量；增加了辨识结果自检判断，不会将偏差过大的数值结果累积到结果中；只在特定的情况下开启辨识计算和结果更新，减小了运算量。
虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种负载转动惯量辨识方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a.当伺服电机的运行计时时间没有达到T时，根据伺服电机不同状态下的电机机械转速，不断计算该伺服电机的负载转动惯量，并作为后续自检环节的辨识范围；
b.当伺服电机的运行计时时间达到T时，计算当前时刻下的负载转动惯量，开启负载转动惯量辨识；
c.判断上述计算的当前时刻下的负载转动惯量是否在辨识范围内；
d.当上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在辨识范围内时，根据上述计算的当前时刻下的负载转动惯量对负载转动惯量进行更新；
步骤a中，所述根据伺服电机不同状态下的电机机械转速，不断计算该伺服电机的负载转动惯量，具体包括：
状态1为初始阶段，当伺服电机转矩Te超过设定的转矩阈值Teth时记录伺服电机机械转速ωt并跳转到状态2；状态2时t开始计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure FDA0003481609200000011
直到计时达到设定的时间阈值tth时记录伺服电机机械转速
Figure FDA0003481609200000014
然后跳转到状态3；状态3时t继续计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure FDA0003481609200000012
直到计时达到设定的时间阈值2tth时记录伺服电机机械转速
Figure FDA0003481609200000013
然后计时t清零并跳转到状态4；状态4时，根据电机运动学方程计算得到该伺服电机的负载转动惯量；
所述步骤d具体包括：
对负载转动惯量进行加权修正：
Jnew＝αJnew+(1-α)Jold 公式2
其中，α是加权系数，设置在0.2～0.5之间，Jold表示上述计算的当前时刻下的负载转动惯量，Jnew表示更新后的负载转动惯量，根据公式2将Jnew的数值更新，完成一次惯量辨识。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
当上述计算的当前时刻下的负载转动惯量不在辨识范围内时，返回步骤b。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据电机运动学方程计算得到该伺服电机的负载转动惯量，具体包括：
根据电机运动学方程
Figure FDA0003481609200000021
进行推导后得出：
Figure FDA0003481609200000022
其中，J为负载转动惯量，Te为转矩反馈，ωt、
Figure FDA0003481609200000023
和
Figure FDA0003481609200000024
分别为对应相应时刻的电机机械转速，通过公式1计算得到伺服电机的负载转动惯量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤a中，所述作为后续自检环节的辨识范围包括：
在伺服电机运行计时时间T内，在每个状态循环周期计算得到伺服电机的负载转动惯量，形成一个负载转动惯量数组，取所述负载转动惯量数组的最大值和最小值作为后续自检环节的辨识范围。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤c具体包括：
将上述计算的当前时刻下的负载转动惯量与自检环节辨识范围的最大值和最小值进行比较，如果上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在自检环节辨识范围的最大值和最小值之间，则上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在自检环节辨识范围内；否则，上述计算的当前时刻下的负载转动惯量不在自检环节辨识范围内。
6.一种负载转动惯量辨识系统，其特征在于，该系统包括计算模块、存储模块、判断模块以及更新模块，其中：
所述计算模块用于当伺服电机的运行计时时间没有达到T时，根据伺服电机不同状态下的电机机械转速，计算该伺服电机的负载转动惯量；
所述存储模块用于存储所述电机的负载转动惯量，作为后续自检环节的辨识范围；
所述计算模块还用于当伺服电机的运行计时时间达到T时，计算当前时刻下的负载转动惯量，开启负载转动惯量辨识；
所述判断模块用于判断上述计算的当前时刻下的负载转动惯量是否在辨识范围内；
所述更新模块用于当上述计算的当前时刻下的负载转动惯量在辨识范围内时，根据上述计算的当前时刻下的负载转动惯量对负载转动惯量进行更新；
所述根据伺服电机不同状态下的电机机械转速，不断计算该伺服电机的负载转动惯量，具体包括：
状态1为初始阶段，当伺服电机转矩Te超过设定的转矩阈值Teth时记录伺服电机机械转速ωt并跳转到状态2；状态2时t开始计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure FDA0003481609200000031
直到计时达到设定的时间阈值tth时记录伺服电机机械转速
Figure FDA0003481609200000032
然后跳转到状态3；状态3时t继续计时，持续累加伺服电机转矩得到
Figure FDA0003481609200000033
直到计时达到设定的时间阈值2tth时记录伺服电机机械转速
Figure FDA0003481609200000034
然后计时t清零并跳转到状态4；状态4时，根据电机运动学方程计算得到该伺服电机的负载转动惯量；
所述更新模块具体用于：
对负载转动惯量进行加权修正：
Jnew＝αJnew+(1-α)Jold 公式2
其中，α是加权系数，设置在0.2～0.5之间，Jold表示上述计算的当前时刻下的负载转动惯量，Jnew表示更新后的负载转动惯量，根据公式2将Jnew的数值更新，完成一次惯量辨识。
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