CN111740671A - 电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法及装置，其中，方法包括：基于拉格朗日方程得到与机电设备机械部分有关的物理量，并通过量纲分析法得到与机械部分有关的相似准则；基于反拉氏变换将s域中代数方程描述的控制算法用时域中的常微分方程进行描述，并利用方程分析法得到与机电设备控制‑电气部分有关的相似准则；根据机械部分与控制‑电气部分之间的相互作用关系，进一步得到补充的相似准则；考虑电机的实际畸变情况，采用对部分相似比进行调整以及增设反馈回路进行参数补偿两个措施，并计算修正后缩尺模型中各参数的取值。该方法有效提升了缩尺模型电机选型的灵活性，有利于针对复杂机电设备开展相似分析。

Description

电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法及装置

技术领域

本发明涉及机电一体化技术领域，特别涉及一种电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法及装置。

背景技术

目前，机电设备在工业界获得了广泛的应用，由于机电设备的性能在很大程度上取决于自身的动力学特性，因此对机电设备进行动力学分析具有重要的意义。然而，机电设备的动力学性能呈现复杂的机电耦合特性，具体表现为机电设备中的机械部分、控制部分以及电气部分之间互相作用，互相影响。由于这种内在的复杂性，目前通过数学模型对机电设备进行的研究通常局限于单轴机电系统，没有考虑多轴机电系统中各轴之间的力相互作用以及系统惯量的时变特性。为了弥补数学模型这方面的不足，在许多研究与工程实践中采用物理模型对分析结果进行检验和修正，但是，物理模型制造成本通常比较高昂，这一问题在对复杂的多轴系统进行分析时尤为明显，因此采用物理模型的方法在分析成本上存在不足。

综合来看，目前对机电设备常用的分析方法，无法有效地平衡分析准确性和分析成本之间的矛盾，需要一种新的分析方法作为补充。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法，该方法有效提升了对机电设备开展的相似分析的效率和准确性。

本发明的另一个目的在于提出一种电机参数畸变情况下的机电设备相似分析装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法，包括：确定机电设备的机械部分与控制-电气部分；基于拉格朗日方程推导得到所述机械部分的动力学方程式；基于所述动力学方程式得到与所述机械部分有关的参数；利用所述与所述机械部分有关的参数基于量纲分析法，推导得到与所述机械部分有关的相似准的表达式；基于反拉氏变换，将所述控制算法从s域的代数方程描述转换为时域中的常微分方程描述，确定转换后的控制算法的表达式；基于所述转换后的控制算法的表达式利用方程分析法，得到与所述控制-电气部分有关的相似准则的表达式；基于所述机械部分与所述控制-电气部分之间依靠的参数并利用量纲分析法，得到机电设备相似分析时的补充相似准则的表达式；根据预设相似准则，判断电机参数是否发生畸变问题；在电机的转动惯量发生所述畸变问题时，对电机减速器减速比的相似比进行调整；在电机的电阻发生畸变问题时，对比例-积分控制方式的电流环控制器比例常数和积分常数的相似比进行调整，并在缩尺模型中增设一条从电机角速度至电机输入电压的负反馈回路，以补偿电机的反电动势常数；根据基本相似比，且根据所述与所述机械部分有关的相似准的表达式、与所述控制-电气部分有关的相似准则的表达式、机电设备相似分析时的补充相似准则的表达式结合相似比调整，得到与机电设备有关的各参数的相似比，计算缩尺模型中各参数的值。

本发明实施例的电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法，首先基于拉格朗日方程，得到与机电设备机械部分有关的物理量，并通过量纲分析法得到与机械部分有关的相似准则；之后，基于反拉氏变换，将s域中代数方程描述的控制算法用时域中的常微分方程进行描述，并利用方程分析法得到与机电设备控制-电气部分有关的相似准则；此外，根据机械部分与控制-电气部分之间的相互作用关系，进一步得到补充的相似准则；考虑电机的实际畸变情况，采用对部分相似比进行调整以及增设反馈回路进行参数补偿两个措施，解决电机转动惯量以及电机电阻的畸变问题，并计算修正后缩尺模型中各参数的取值；该方法能够有效解决机电设备相似分析过程中，电机转动惯量以及电机电阻的畸变问题，提升了缩尺模型电机选型的灵活性，有利于针对复杂机电设备开展相似分析。

另外，根据本发明上述实施例的电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，所述机械部分包括除电机及驱动电路以外的所有实体部分，所述控制-电气部分包括电机及其驱动电路、控制器以及相应的控制算法。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述动力学方程式表示为：

其中，N为构件总数，t为时间，q为驱动角度，

为驱动角速度，m_n与J_n分别为第n个构件的质量和转动惯量矩阵，r_n与

分别为第n个构件的质心位置矢量和速度矢量，r_n0为第n个构件的初始位置矢量，ω_n为第n个构件的角速度矢量，g为重力加速度矢量，Q为驱动力矩。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述相似准的表达式为：

π₁＝[q]，

其中，[q]、

[J_n]、[Q]分别表示q、

J_n、Q中的任意元素。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述转换后的控制算法的表达式为：

其中，Ni、Mi分别为前馈通路中第i个环节的传递函数的分子阶数和分母阶数，u_i、v_i分别为前馈通路中第i个环节的输入与输出变量，p_ij只有0和1两种取值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述与所述控制-电气部分有关的相似准则的表达式为：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述机电设备相似分析时的补充相似准则的表达式为

其中，电机角度θ、驱动角度q、电机输出力矩T、驱动力矩Q。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述预设相似准则为：

其中，J_m表示电机的转动惯量，K_t表示电机的力矩常数，R表示电机的电阻，并分别计算π_m和π_R在原型样机以及缩尺模型中的值，如果π_m在原型样机以及缩尺模型中的值不相同，则发生电机的转动惯量发生畸变问题，如果π_R在原型样机以及缩尺模型中的值不相同，则电机的电阻发生畸变问题。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种电机参数畸变情况下的机电设备相似分析装置，包括：确定模块，用于确定机电设备的机械部分与控制-电气部分；第一推导模块，用于基于拉格朗日方程推导得到所述机械部分的动力学方程式；匹配模块，用于基于所述动力学方程式得到与所述机械部分有关的参数；第二推导模块，用于利用所述与所述机械部分有关的参数基于量纲分析法，推导得到与所述机械部分有关的相似准的表达式；转换模块，用于基于反拉氏变换，将所述控制算法从s域的代数方程描述转换为时域中的常微分方程描述，确定转换后的控制算法的表达式；第三推导模块，用于基于所述转换后的控制算法的表达式利用方程分析法，得到与所述控制-电气部分有关的相似准则的表达式；第四推导模块，用于基于所述机械部分与所述控制-电气部分之间依靠的参数并利用量纲分析法，得到机电设备相似分析时的补充相似准则的表达式；判断模块，用于根据预设相似准则，判断电机参数是否发生畸变问题；第一调整模块，用于在电机的转动惯量发生所述畸变问题时，对电机减速器减速比的相似比进行调整；第二调整模块，用于在电机的电阻发生畸变问题时，并对比例-积分控制方式的电流环控制器比例常数和积分常数的相似比进行调整，并在缩尺模型中增设一条从电机角速度至电机输入电压的负反馈回路，以补偿电机的反电动势常数；计算模块，用于根据基本相似比，且根据所述与所述机械部分有关的相似准的表达式、与所述控制-电气部分有关的相似准则的表达式、机电设备相似分析时的补充相似准则的表达式结合相似比调整，得到与机电设备有关的各参数的相似比，计算缩尺模型中各参数的值。

本发明实施例的电机参数畸变情况下的机电设备相似分析装置，首先基于拉格朗日方程，得到与机电设备机械部分有关的物理量，并通过量纲分析法得到与机械部分有关的相似准则；之后，基于反拉氏变换，将s域中代数方程描述的控制算法用时域中的常微分方程进行描述，并利用方程分析法得到与机电设备控制-电气部分有关的相似准则；此外，根据机械部分与控制-电气部分之间的相互作用关系，进一步得到补充的相似准则；考虑电机的实际畸变情况，采用对部分相似比进行调整以及增设反馈回路进行参数补偿两个措施，解决电机转动惯量以及电机电阻的畸变问题，并计算修正后缩尺模型中各参数的取值；该方法能够有效解决机电设备相似分析过程中，电机转动惯量以及电机电阻的畸变问题，提升了缩尺模型电机选型的灵活性，有利于针对复杂机电设备开展相似分析。

另外，根据本发明上述实施例的电机参数畸变情况下的机电设备相似分析装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，所述机械部分包括除电机及驱动电路以外的所有实体部分，所述控制-电气部分包括电机及其驱动电路、控制器以及相应的控制算法。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的机械部分结构示意图；

图3为根据本发明实施例的控制算法框图；

图4为根据本发明实施例的增加反电动势补偿后，用于解决电阻畸变问题的控制算法框图；

图5为根据本发明实施例的电机参数畸变情况下的机电设备相似分析装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-喷枪，2-小臂，3-大臂，4-旋转台。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

针对背景技术存在的问题，发明人发现采用缩尺模型进行分析是解决这一问题的一种有效方法。使用缩尺模型时，最核心的问题是相似分析，即如何建立缩尺模型与原型样机之间的对应关系。目前，针对机电设备的相似分析仍然较少，同时对于分析过程中可能出现的畸变问题以及对应的解决方法也仍然缺乏了解，总体上看，缺乏机电设备相似分析方法的系统性研究。因此，提出一种电机参数畸变情况下，针对机电设备进行相似分析的方法具有十分重要的意义。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法。

图1是本发明一个实施例的电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法的流程图。

如图1所示，该电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法包括以下步骤：

在步骤S101中，确定机电设备的机械部分与控制-电气部分。

其中，机械部分包括除电机及驱动电路以外的所有实体部分，控制-电气部分包括电机及其驱动电路，控制器以及相应的控制算法。

在步骤S102中，基于拉格朗日方程推导得到机械部分的动力学方程式。

具体而言，基于拉格朗日方程，推导机械部分的动力学方程一般表达形式，其公式如下所示：

其中，N为构件总数，t为时间，q为驱动角度，

为驱动角速度，m_n与J_n分别为第n个构件的质量和转动惯量矩阵，r_n与

分别为第n个构件的质心位置矢量和速度矢量，r_n0为第n个构件的初始位置矢量，ω_n为第n个构件的角速度矢量，g为重力加速度矢量，Q为驱动力矩。

在步骤S103中，基于动力学方程式得到与机械部分有关的参数。

可以理解的是，本发明实施例可以基于动力学方程式使得缩尺模型所用材料与原型样机相同，得到与机械部分有关的参数。当然，选用相同的材料只是为了制造上的便利，材料不一样时，本发明实施例依然可以进行分析。

具体而言，基于步骤S102中所得动力学方程一般表达形式，为保证加工工艺性，令缩尺模型所用材料与原型样机相同，进而m_n和J_n仅与构件尺寸l有关；又由于缩尺模型与原型样机均处于相同的重力场中，因此与机械部分有关参数分别为时间t、驱动角度q、驱动角速度

构件质量m_n、构件转动惯量J_n、构件尺寸l、驱动力矩Q。

在步骤S104中，利用与机械部分有关的参数基于量纲分析法，推导得到与机械部分有关的相似准的表达式。

具体而言，利用步骤S103中所得与机械部分有关参数，基于量纲分析法，推导与机械部分有关的相似准则一般形式为：

π₁＝[q]，

其中，[q]、

[J_n]、[Q]分别表示q、

J_n、Q中的任意元素。

在步骤S105中，基于反拉氏变换，将控制算法从s域的代数方程描述转换为时域中的常微分方程描述，确定转换后的控制算法的表达式。

具体而言，基于反拉氏变换，将控制算法从s域的代数方程描述转换为时域中的常微分方程描述，转换后的控制算法的一般表达形式为

其中，Ni、Mi分别为前馈通路中第i个环节的传递函数的分子阶数和分母阶数，u_i、v_i分别为前馈通路中第i个环节的输入与输出变量，第二个公式表示反馈回路中输入与输出变量的关系，p_ij只有0和1两种取值。

在步骤S106中，基于转换后的控制算法的表达式利用方程分析法，得到与控制-电气部分有关的相似准则的表达式。

具体而言，基于步骤S105中以常微分方程描述的控制算法，利用方程分析法，得到与控制-电气部分有关的相似准则的一般形式为：

在步骤S107中，基于机械部分与控制-电气部分之间依靠的参数并利用量纲分析法，得到机电设备相似分析时的补充相似准则的表达式。

具体而言，机械部分与控制-电气部分之间依靠电机角度θ、驱动角度q、电机输出力矩T、驱动力矩Q四个参数相互作用，基于这些参数并利用量纲分析法，可以得到机电设备相似分析时的补充相似准则为：

在步骤S108中，根据预设相似准则，判断电机参数是否发生畸变问题。

具体而言，由于电机的转动惯量以及电阻不能独立选择，以如下相似准则为依据判断电机参数是否发生畸变问题：

其中，J_m表示电机的转动惯量，K_t表示电机的力矩常数，R表示电机的电阻。分别计算π_m和π_R在原型样机以及缩尺模型中的值，如果π_m在原型样机以及缩尺模型中的值不相同，则发生电机的转动惯量发生畸变问题，如果π_R在原型样机以及缩尺模型中的值不相同，则电机的电阻发生畸变问题。

在步骤S109中，在电机的转动惯量发生畸变问题时，对电机减速器减速比的相似比进行调整。

具体而言，根据步骤S108的判断结果，在电机的转动惯量发生畸变问题时，对电机减速器减速比的相似比作出如下调整：

其中，C_n表示减速比的相似比，C_l表示构件尺寸的相似比，C_Jm表示电机转动惯量的相似比。对电机转角的相似比作出如下调整

C_θ＝C_n

其中，C_θ表示电机转角的相似比。对电机输出力矩的相似比作出如下调整

其中，C_T表示电机输出力矩的相似比。

在步骤S110中，在电机的电阻发生畸变问题时，对比例-积分控制方式的电流环控制器比例常数和积分常数的相似比进行调整，并在缩尺模型中增设一条从电机角速度至电机输入电压的负反馈回路，以补偿电机的反电动势常数。

具体而言，根据步骤S108的判断结果，在电机的电阻发生畸变问题时，令相似准则π_R在原型样机与缩尺模型中取值的比值为误差比例δ，并对比例-积分控制方式的电流环控制器比例常数的相似比作出如下调整：

其中，C_Ki表示电流环控制器比例常数的相似比，C_Kt表示电机力矩常数的相似比。对比例-积分控制方式的电流环控制器积分常数的相似比作出如下调整：

其中，C_Ii表示电流环控制器比例常数的相似比。此外，在缩尺模型中增设一条从电机角速度至电机输入电压的负反馈回路，用于补偿电机的反电动势常数，该回路的反馈系数为：

其中，K_eadd为反馈系数，

为缩尺模型中电机固有的反电势常数。

在步骤S111中，根据基本相似比，且根据与机械部分有关的相似准的表达式、与控制-电气部分有关的相似准则的表达式、机电设备相似分析时的补充相似准则的表达式结合相似比调整，得到与机电设备有关的各参数的相似比，计算缩尺模型中各参数的值。

具体而言，以C_l、C_Jm和C_Kt为基本相似比，根据步骤S104、S106、S107所得到的相似准则以及步骤S109和S110进行的处理，得到与机电设备有关的各参数的相似比；根据相似比计算缩尺模型中各参数的值。

需要说明的是，本发明的上述方法中，电流环控制器的控制形式不局限于比例-积分控制方式。

本发明的上述方法中，用于补偿电机反电动势常数的负反馈回路，不局限于的从电机角速度至电机输入电压的负反馈回路的形式，任何通过移动反馈输入输出位置而得到的负反馈形式均应视为同一的负反馈。

本发明的上述方法中，基本相似比的选取方式不局限于的以C_l、C_Jm和C_Kt为基本相似比，任何等价的基本相似比选取方式均应视为同一的基本相似比。

下面将通过具体实施例并结合图2、图3和图4对电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法进行进一步阐述。

以一台混联式汽车喷涂机器人为研究对象。混联机器人由底部两自由度旋转台以及三自由度并联机械臂组成。并联机械臂以串联方式安装在旋转台上，其主体结构包含三个平行四边形机构，其中，机械臂的大臂由电机直接驱动，小臂由一个平行四边形机构作为传动机构，由安装在机械臂底部的电机驱动，喷枪位子则由两个首尾相接的平行四边形机构作为传动机构，由安装在机械臂底部的电机驱动。该喷涂机器人采用三环控制与速度、加速度前馈控制相结合的控制方式，其中，位置环与速度环均为比例控制，电流环为比例-积分控制。对其进行相似分析的具体方法步骤如下：

1)将混联式汽车喷涂机器人划分为机械部分与控制-电气部分。其中，机械部分包括除电机及驱动电路以外的所有实体部分，控制-电气部分包括电机及其驱动电路，控制器以及相应的控制算法。

2)基于拉格朗日方程，推导机械部分的动力学方程一般表达形式，其公式如下所示

其中，t为时间，q为驱动角度，

为驱动角速度，m_n与J_n分别为第n个构件的质量和转动惯量矩阵，r_n与

分别为第n个构件的质心位置矢量和速度矢量，r_n0为第n个构件的初始位置矢量，ω_n为第n个构件的角速度矢量，g为重力加速度矢量，Q为驱动力矩。

3)基于步骤2)中所得动力学方程一般表达形式，为保证加工工艺性，令缩尺模型所用材料与原型样机相同，进而m_n和J_n仅与构件尺寸l有关；又由于缩尺模型与原型样机均处于相同的重力场中，因此与机械部分有关参数分别为时间t、驱动角度q、驱动角速度

构件质量m_n、构件转动惯量J_n、构件尺寸l、驱动力矩Q。

4)利用步骤3)中所得与机械部分有关参数，基于量纲分析法，推导与机械部分有关的相似准则一般形式为

π₁＝[q]，

其中，[q]、

[J_n]、[Q]分别表示q、

J_n、Q中的任意元素；

5)基于反拉氏变换，将控制算法从s域的代数方程描述转换为时域中的常微分方程描述，转换后的控制算法的一般表达形式为

其中，Ni、Mi分别为前馈通路中第i个环节的传递函数的分子阶数和分母阶数，u_i、v_i分别为前馈通路中第i个环节的输入与输出变量，第二个公式表示反馈回路中输入与输出变量的关系，p_ij只有0和1两种取值。

6)基于步骤5)中以常微分方程描述的控制算法，利用方程分析法，得到与控制-电气部分有关的相似准则如下表所示

表1控制-电气部分有关相似准则

7)机械部分与控制-电气部分之间依靠电机角度θ、驱动角度q、电机输出力矩T、驱动力矩Q四个参数相互作用，基于这些参数并利用量纲分析法，可以得到机电设备相似分析时的补充相似准则为

8)由于电机的转动惯量以及电阻不能独立选择，以如下相似准则为依据判断电机参数是否发生畸变问题

其中，J_m表示电机的转动惯量，K_t表示电机的力矩常数，R表示电机的电阻。分别计算π_m和π_R在原型样机以及缩尺模型中的值。在缩尺模型中，通过额定扭矩、额定功率等参数确定电机选型，之后根据模型电机参数确定电机转动惯量与电阻同时发生畸变问题(缩尺模型电机参数在这里未给出)。

9)根据步骤8)的判断结果，为解决电机转动惯量畸变问题，对电机减速器减速比的相似比作出如下调整

其中，C_n表示减速比的相似比，C_l表示构件尺寸的相似比，C_Jm表示电机转动惯量的相似比。对电机转角的相似比作出如下调整

C_θ＝C_n

其中，C_θ表示电机转角的相似比。对电机输出力矩的相似比作出如下调整

其中，C_T表示电机输出力矩的相似比。

10)根据步骤8)的判断结果，为解决电机电阻畸变问题，令相似准则π_R在原型样机与缩尺模型中取值的比值为误差比例δ，并对比例-积分控制方式的电流环控制器比例常数的相似比作出如下调整

其中，C_Ki表示电流环控制器比例常数的相似比，C_Kt表示电机力矩常数的相似比。对比例-积分控制方式的电流环控制器积分常数的相似比作出如下调整：

其中，C_Ii表示电流环控制器比例常数的相似比。此外，在缩尺模型中增设一条从电机角速度至电机输入电压的负反馈回路，用于补偿电机的反电动势常数，该回路的反馈系数为：

其中，K_eadd为反馈系数，

为缩尺模型中电机固有的反电势常数。由于这条回路在现实中的实现难度较大，将其等效为从电机加速度至电机角度指令的负反馈回路。比例系数相应地调整为：

其中，K'_eadd为调整后的比例系数，

分别为缩尺模型中位置环、速度换和电流环的比例常数。

11)以C_l、C_Jm和C_Kt为基本相似比，根据步骤4)6)7)所得到的相似准则以及步骤9)10)进行的处理，得到与机电设备有关的各参数的相似比如下表所示。

表2机电设备有关的各参数的相似比

12)确定基本相似比的值，并根据步骤11)所得到的相似比，计算缩尺模型中各参数的值。

综上，本发明实施例提出的电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法，首先基于拉格朗日方程，得到与机电设备机械部分有关的物理量，并通过量纲分析法得到与机械部分有关的相似准则；之后，基于反拉氏变换，将s域中代数方程描述的控制算法用时域中的常微分方程进行描述，并利用方程分析法得到与机电设备控制-电气部分有关的相似准则；此外，根据机械部分与控制-电气部分之间的相互作用关系，进一步得到补充的相似准则；考虑电机的实际畸变情况，采用对部分相似比进行调整以及增设反馈回路进行参数补偿两个措施，解决电机转动惯量以及电机电阻的畸变问题，并计算修正后缩尺模型中各参数的取值；该方法能够有效解决机电设备相似分析过程中，电机转动惯量以及电机电阻的畸变问题，提升了缩尺模型电机选型的灵活性，有利于针对复杂机电设备开展相似分析。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的电机参数畸变情况下的机电设备相似分析装置。

图5是本发明一个实施例的电机参数畸变情况下的机电设备相似分析装置的结构示意图。

如图5所示，该电机参数畸变情况下的机电设备相似分析装置10包括：确定模块100、第一推导模块200、匹配模块300、第二推导模块400、转换模块500、第三推导模块600、第四推导模块700、判断模块800、第一调整模块900、第二调整模块1000和计算模块1100。

其中，确定模块100用于确定机电设备的机械部分与控制-电气部分；第一推导模块200用于基于拉格朗日方程推导得到机械部分的动力学方程式；匹配模块300用于基于动力学方程式得到与机械部分有关的参数；第二推导模块400用于利用与机械部分有关的参数基于量纲分析法，推导得到与机械部分有关的相似准的表达式；转换模块500用于基于反拉氏变换，将控制算法从s域的代数方程描述转换为时域中的常微分方程描述，确定转换后的控制算法的表达式；第三推导模块600用于基于转换后的控制算法的表达式利用方程分析法，得到与控制-电气部分有关的相似准则的表达式；第四推导模块700用于基于机械部分与控制-电气部分之间依靠的参数并利用量纲分析法，得到机电设备相似分析时的补充相似准则的表达式；判断模块800用于根据预设相似准则，判断电机参数是否发生畸变问题；第一调整模块900用于在电机的转动惯量发生畸变问题时，对电机减速器减速比的相似比进行调整；第二调整模块1000用于在电机的电阻发生畸变问题时，对比例-积分控制方式的电流环控制器比例常数和积分常数的相似比进行调整，并在缩尺模型中增设一条从电机角速度至电机输入电压的负反馈回路，以补偿电机的反电动势常数；计算模块1100用于根据基本相似比，且根据与机械部分有关的相似准的表达式、与控制-电气部分有关的相似准则的表达式、机电设备相似分析时的补充相似准则的表达式结合相似比调整，得到与机电设备有关的各参数的相似比，计算缩尺模型中各参数的值

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，机械部分包括除电机及驱动电路以外的所有实体部分，控制-电气部分包括电机及其驱动电路、控制器以及相应的控制算法。

需要说明的是，前述对电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法实施例的解释说明也适用于该实施例的电机参数畸变情况下的机电设备相似分析装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的电机参数畸变情况下的机电设备相似分析装置首先基于拉格朗日方程，得到与机电设备机械部分有关的物理量，并通过量纲分析法得到与机械部分有关的相似准则；之后，基于反拉氏变换，将s域中代数方程描述的控制算法用时域中的常微分方程进行描述，并利用方程分析法得到与机电设备控制-电气部分有关的相似准则；此外，根据机械部分与控制-电气部分之间的相互作用关系，进一步得到补充的相似准则；考虑电机的实际畸变情况，采用对部分相似比进行调整以及增设反馈回路进行参数补偿两个措施，解决电机转动惯量以及电机电阻的畸变问题，并计算修正后缩尺模型中各参数的取值；该方法能够有效解决机电设备相似分析过程中，电机转动惯量以及电机电阻的畸变问题，提升了缩尺模型电机选型的灵活性，有利于针对复杂机电设备开展相似分析。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种电机参数畸变情况下的机电设备相似分析方法，其特征在于，包括：

确定机电设备的机械部分与控制-电气部分；

基于拉格朗日方程推导得到所述机械部分的动力学方程式；

基于所述动力学方程式得到与所述机械部分有关的参数；

利用所述与所述机械部分有关的参数基于量纲分析法，推导得到与所述机械部分有关的相似准的表达式；

基于反拉氏变换，将所述控制算法从s域的代数方程描述转换为时域中的常微分方程描述，确定转换后的控制算法的表达式；

基于所述转换后的控制算法的表达式利用方程分析法，得到与所述控制-电气部分有关的相似准则的表达式；

基于所述机械部分与所述控制-电气部分之间依靠的参数并利用量纲分析法，得到机电设备相似分析时的补充相似准则的表达式；

根据预设相似准则，判断电机参数是否发生畸变问题；

在电机的转动惯量发生所述畸变问题时，对电机减速器减速比的相似比进行调整；

在电机的电阻发生畸变问题时，对比例-积分控制方式的电流环控制器比例常数和积分常数的相似比进行调整，并在缩尺模型中增设一条从电机角速度至电机输入电压的负反馈回路，以补偿电机的反电动势常数；

根据基本相似比，且根据所述与所述机械部分有关的相似准的表达式、与所述控制-电气部分有关的相似准则的表达式、机电设备相似分析时的补充相似准则的表达式结合相似比调整，得到与机电设备有关的各参数的相似比，计算缩尺模型中各参数的值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述机械部分包括除电机及驱动电路以外的所有实体部分，所述控制-电气部分包括电机及其驱动电路、控制器以及相应的控制算法。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动力学方程式表示为：

其中，N为构件总数，t为时间，q为驱动角度，

为驱动角速度，m_n与J_n分别为第n个构件的质量和转动惯量矩阵，r_n与

分别为第n个构件的质心位置矢量和速度矢量，r_n0为第n个构件的初始位置矢量，ω_n为第n个构件的角速度矢量，g为重力加速度矢量，Q为驱动力矩。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相似准的表达式为：

π₁＝[q]，

其中，[q]、

[J_n]、[Q]分别表示q、

J_n、Q中的任意元素。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转换后的控制算法的表达式为：

其中，Ni、Mi分别为前馈通路中第i个环节的传递函数的分子阶数和分母阶数，u_i、v_i分别为前馈通路中第i个环节的输入与输出变量，p_ij只有0和1两种取值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述与所述控制-电气部分有关的相似准则的表达式为：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机电设备相似分析时的补充相似准则的表达式为：

其中，电机角度θ、驱动角度q、电机输出力矩T、驱动力矩Q。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设相似准则为：

其中，J_m表示电机的转动惯量，K_t表示电机的力矩常数，R表示电机的电阻，并分别计算π_m和π_R在原型样机以及缩尺模型中的值，如果π_m在原型样机以及缩尺模型中的值不相同，则发生电机的转动惯量发生畸变问题，如果π_R在原型样机以及缩尺模型中的值不相同，则电机的电阻发生畸变问题。

9.一种电机参数畸变情况下的机电设备相似分析装置，其特征在于，包括：

确定模块，用于确定机电设备的机械部分与控制-电气部分；

第一推导模块，用于基于拉格朗日方程推导得到所述机械部分的动力学方程式；

匹配模块，用于基于所述动力学方程式得到与所述机械部分有关的参数；

第二推导模块，用于利用所述与所述机械部分有关的参数基于量纲分析法，推导得到与所述机械部分有关的相似准的表达式；

转换模块，用于基于反拉氏变换，将所述控制算法从s域的代数方程描述转换为时域中的常微分方程描述，确定转换后的控制算法的表达式；

第三推导模块，用于基于所述转换后的控制算法的表达式利用方程分析法，得到与所述控制-电气部分有关的相似准则的表达式；

第四推导模块，用于基于所述机械部分与所述控制-电气部分之间依靠的参数并利用量纲分析法，得到机电设备相似分析时的补充相似准则的表达式；

判断模块，用于根据预设相似准则，判断电机参数是否发生畸变问题；

第一调整模块，用于在电机的转动惯量发生所述畸变问题时，对电机减速器减速比的相似比进行调整；

第二调整模块，用于在电机的电阻发生畸变问题时，对比例-积分控制方式的电流环控制器比例常数和积分常数的相似比进行调整，并在缩尺模型中增设一条从电机角速度至电机输入电压的负反馈回路，以补偿电机的反电动势常数；

计算模块，用于根据基本相似比，且根据所述与所述机械部分有关的相似准的表达式、与所述控制-电气部分有关的相似准则的表达式、机电设备相似分析时的补充相似准则的表达式结合相似比调整，得到与机电设备有关的各参数的相似比，计算缩尺模型中各参数的值。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，其中，所述机械部分包括除电机及驱动电路以外的所有实体部分，所述控制-电气部分包括电机及其驱动电路、控制器以及相应的控制算法。

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