CN111865161A - 电机转动惯量的测量装置、测量方法及电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电机转动惯量的测量装置、测量方法及电机控制系统。其中，一种电机转动惯量的测量装置包括给定模块，用于给定预设电压矢量以使电机的转子从静止位置向预设位置转动，并静止在预设位置；采样模块，用于在电机的转子从静止位置向预设位置转动并静止在预设位置的过程中，对电机的定子电流进行采样以获得采样电流；计算模块，与采样模块相连接，计算模块用于根据采样电流计算电机的转动惯量。通过本发明提供的电机转动惯量的测量装置，能够实现转动惯量的准确测量，并且在测量时不考虑负载转矩是否为零，能够在带载的情况下完成测量，且测量精度高，操作简单，易于实现，测量成本低，可运用于工程实践。

Description

电机转动惯量的测量装置、测量方法及电机控制系统

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体而言，涉及一种电机转动惯量的测量装置，一种电机转动惯量的测量方法，及一种电机控制系统。

背景技术

随着矢量变频控制技术的发展及成熟，越来越多的设备配备了变频驱动器来驱动电机的运行。例如，家用空调、厨房电器、洗衣机、冰箱、电梯等设备均配备了变频驱动器。然而，在变频驱动器采用矢量控制技术对电机进行驱动时，对电机的参数有较强的依赖性，如果电机的参数不准确，则会对电机的驱动性能、节能效果、启动特性等造成较大影响。通常电机的厂家都会给出电机常用参数，例如，电阻、电感随电流变化的曲线、反电动势系数、磁极对数等，但是，电机厂家一般不提供转动惯量这个参数或所给转动惯量参数存在较大误差。相关技术中提出了多种计算转动惯量的方法，但存在运用场合的局限、测量精度差、测量成本高等问题。因此，对转动惯量参数进行准确有效的测量非常必要。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的一方面在于提出了一种电机转动惯量的测量装置。

本发明的另一方面在于提出了一种电机转动惯量的测量方法。

本发明的又一方面在于提出了一种电机控制系统。

有鉴于此，本发明的一方面提出了一种电机转动惯量的测量装置，包括：给定模块，用于给定预设电压矢量以使电机的转子从静止位置向预设位置转动，并静止在预设位置；采样模块，用于在电机的转子从静止位置向预设位置转动并静止在预设位置的过程中，对电机的定子电流进行采样以获得采样电流；计算模块，与采样模块相连接，计算模块用于根据采样电流计算电机的转动惯量。

本发明提供的电机转动惯量的测量装置，通过给定模块给定预设电压矢量以使电机的转子从静止位置向预设位置转动，并最终静止在预设位置，在电机的转子从静止位置向预设位置转动并静止在预设位置的过程中，通过采样模块对电机的定子电流进行采样以获得采样电流，然后，计算模块根据采样电流计算电机的转动惯量。通过本发明提供的电机转动惯量的测量装置，能够实现转动惯量的准确测量，并且在测量时不考虑负载转矩是否为零，能够在带载的情况下完成测量，且测量精度高，操作简单，易于实现，测量成本低，可运用于工程实践。

根据本发明提供的上述电机转动惯量的测量装置，还可以具有以下技术特征：

在上述技术方案中，优选地，采样模块具体包括：第一采样模块，用于根据采样电流，获取电机的转子静止在预设位置时的定子电流以作为基准电流采样值；第二采样模块，用于获取多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点；计算模块具体用于：根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点、基准电流采样值和采样电流计算电机的转动惯量。

在该技术方案中，在对电机的定子电流进行采样时，通过第一采样模块获取电机的转子静止在预设位置时的定子电流以作为基准电流采样值，通过第二采样模块获取多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点，以使计算模块根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点、基准电流采样值和采样电流计算电机的转动惯量，从而实现了转动惯量的准确测量。

在上述任一技术方案中，优选地，计算模块具体用于：根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点中的第一采样时刻点与第二采样时刻点之间的采样电流和基准电流采样值计算从第一采样时刻点到第二采样时刻点电机消耗的电能、电机的电阻消耗的电能；根据电机消耗的电能和电机的电阻消耗的电能计算电机的转动惯量。

在该技术方案中，在电机的转子从静止转动到预设位置并静止的过程中，电机遵循能量守恒定律。假设，电机的转子转动过程中的任意两个时刻t_a和t_b，则根据能量守恒定律，从t_a时刻到t_b时刻有：

W_rotor(t_b)+W_L(t_b)-W_L(t_a)-W_rotor(t_a)＝W_source-W_R-W₀

其中，W_rotor(t_b)为电机的转子在t_b时刻的动能，W_L(t_b)为电机在t_b时刻的电感储能，W_L(t_a)为电机在t_a时刻的电感储能，W_rotor(ta)为电机的转子在t_a时刻的动能，W_source为从t_a时刻到t_b时刻电机消耗的电能，W_R为从t_a时刻到t_b时刻电机的电阻消耗的电能，W₀为从t_a时刻到t_b时刻电机因摩擦、风阻等消耗的能量。因此，可以通过对t_a时刻到t_b时刻之间的电机的定子电流进行采样以获得采样电流，并根据采样电流和能量守恒定律计算电机的转动惯量。具体而言，由于第一采样时刻点的电流采样值和第二采样时刻点的电流采样值相等、且都等于基准电流采样值，故电机在第一采样时刻点的电感储能和在第二采样时刻点电感储能相互抵消，因此，在不考虑摩擦、风阻等损耗的情况下，可以通过对第一采样时刻点到第二采样时刻点之间的电机的定子电流进行采样以获得采样电流，并根据采样电流和能量守恒定律计算电机的转动惯量。

在上述任一技术方案中，优选地，计算模块具体用于：根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点中的第一采样时刻点与第二采样时刻点之间的采样电流、第二采样时刻点与第三采样时刻点之间的采样电流和基准电流采样值计算从第一采样时刻点到第三采样时刻点电机消耗的电能及摩擦损耗，以及电机的电阻消耗的电能；根据电机消耗的电能、摩擦损耗和电机的电阻消耗的电能计算电机的转动惯量。

在该技术方案中，在考虑摩擦、风阻等损耗的情况下，可以通过计算模块根据第一采样时刻点至第二采样时刻点时间段和第二采样时刻点至第三采样时刻点时间段内的采样电流和基准电流采样值计算电机从第一采样时刻点到第三采样时刻点电机消耗的电能及摩擦损耗，以及电机的电阻消耗的电能，并根据能量守恒定律计算电机的转动惯量。

在上述任一技术方案中，优选地，预设电压矢量的幅值和位置角均恒定，且预设电压矢量的位置角对应的转子位置为预设位置；预设电压矢量与静止位置对应的电压矢量不同。

在该技术方案中，通过在静止参考坐标系中给定幅值恒定、位置角恒定的电压矢量，使电机的转子在转矩的作用下，从静止位置向预设位置处运行，并在预设位置处摇摆并最终静止。

本发明的另一方面提供了一种电机转动惯量的测量方法，包括：给定预设电压矢量以使电机的转子从静止位置向预设位置转动，并静止在预设位置；在电机的转子从静止位置向预设位置转动并静止在预设位置的过程中，对电机的定子电流进行采样以获得采样电流；根据采样电流计算电机的转动惯量。

本发明提供的电机转动惯量的测量方法，通过给定预设电压矢量以使电机的转子从静止向预设位置转动，并最终静止在预设位置，并在电机的转子从静止向预设位置转动并静止在预设位置的过程中，对电机的定子电流进行采样以获得采样电流，以及根据采样电流计算电机的转动惯量。通过本发明提供的电机转动惯量的测量方法，能够实现转动惯量的准确测量，并且在测量时不考虑负载转矩是否为零，能够在带载的情况下完成测量，且测量精度高，操作简单，易于实现，测量成本低，可运用于工程实践。

在上述技术方案中，优选地，对电机的定子电流进行采样以获得采样电流的步骤，具体包括：根据采样电流，获取电机的转子静止在预设位置时的定子电流以作为基准电流采样值；获取多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点；根据采样电流计算电机的转动惯量的步骤，具体包括：根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点、基准电流采样值和采样电流计算电机的转动惯量。

在该技术方案中，在对电机的定子电流进行采样时，通过获取电机的转子静止在预设位置时的定子电流以作为基准电流采样值，获取多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点，以根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点、基准电流采样值和采样电流计算电机的转动惯量，从而实现了转动惯量的准确测量。

在上述任一技术方案中，优选地，根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点、基准电流采样值和采样电流计算电机的转动惯量的步骤，具体包括：根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点中的第一采样时刻点与第二采样时刻点之间的采样电流和基准电流采样值计算从第一采样时刻点到第二采样时刻点电机消耗的电能、电机的电阻消耗的电能；根据电机消耗的电能和电机的电阻消耗的电能计算电机的转动惯量。

在该技术方案中，在电机的转子从静止转动到预设位置并静止的过程中，电机遵循能量守恒定律。假设，电机的转子转动过程中的任意两个时刻t_a和t_b，则根据能量守恒定律，从t_a时刻到t_b时刻有：

W_rotor(t_b)+W_L(t_b)-W_L(t_a)-W_rotor(t_a)＝W_source-W_R-W₀

其中，W_rotor(t_b)为电机的转子在t_b时刻的动能，W_L(t_b)为电机在t_b时刻的电感储能，W_L(t_a)为电机在t_a时刻的电感储能，W_rotor(ta)为电机的转子在t_a时刻的动能，W_source为从t_a时刻到t_b时刻电机消耗的电能，W_R为从t_a时刻到t_b时刻电机的电阻消耗的电能，W₀为从t_a时刻到t_b时刻电机因摩擦、风阻等消耗的能量。因此，可以通过对t_a时刻到t_b时刻之间的电机的定子电流进行采样以获得采样电流，并根据采样电流和能量守恒定律计算电机的转动惯量。具体而言，由于第一采样时刻点的电流采样值和第二采样时刻点的电流采样值相等、且都等于基准电流采样值，故电机在第一采样时刻点的电感储能和在第二采样时刻点电感储能相互抵消，因此，在不考虑摩擦、风阻等损耗的情况下，可以通过对第一采样时刻点到第二采样时刻点之间的电机的定子电流进行采样以获得采样电流，并根据采样电流和能量守恒定律计算电机的转动惯量。

在上述任一技术方案中，优选地，根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点、基准电流采样值和采样电流计算电机的转动惯量的步骤，具体包括：根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点中的第一采样时刻点与第二采样时刻点之间的采样电流、第二采样时刻点与第三采样时刻点之间的采样电流和基准电流采样值计算从第一采样时刻点到第三采样时刻点电机消耗的电能及摩擦损耗，以及电机的电阻消耗的电能；根据电机消耗的电能、摩擦损耗和电机的电阻消耗的电能计算电机的转动惯量。

在该技术方案中，在考虑摩擦、风阻等损耗的情况下，可以通过计算模块根据第一采样时刻点至第二采样时刻点时间段和第二采样时刻点至第三采样时刻点时间段内的采样电流和基准电流采样值计算电机从第一采样时刻点到第三采样时刻点电机消耗的电能及摩擦损耗，以及电机的电阻消耗的电能，并根据能量守恒定律计算电机的转动惯量。

在上述任一技术方案中，优选地，预设电压矢量的幅值和位置角均恒定，且预设电压矢量的位置角对应的转子位置为预设位置；预设电压矢量与静止位置对应的电压矢量不同。

在该技术方案中，通过在静止参考坐标系中给定幅值恒定、位置角恒定的电压矢量，使电机的转子在转矩的作用下，从静止位置向预设位置处运行，并在预设位置处摇摆并最终静止。

本发明的又一方面提供了一种电机控制系统，包括如上述任一技术方案所述的电机转动惯量的测量装置，因此，该电机控制系统具有如上述任一技术方案的电机转动惯量的测量装置的全部有益效果。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的电机转动惯量的测量装置的示意框图；

图2示出了根据本发明的另一个实施例的电机转动惯量的测量装置的示意框图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的电机转动惯量的测量方法的流程示意图；

图4示出了根据本发明的另一个实施例的电机转动惯量的测量方法的流程示意图；

图5示出了根据本发明的再一个实施例的电机转动惯量的测量方法的流程示意图；

图6示出了根据本发明的又一个实施例的电机转动惯量的测量方法的流程示意图；

图7示出了根据本发明的一个实施例的预设电压矢量的示意图；

图8示出了根据本发明的一个实施例的采样电流的获取示意图；

图9示出了根据本发明的一个实施例的电机控制系统的示意框图；

图10示出了根据本发明的一个具体实施例的电机控制系统的结构图。

其中，图10中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

802电机，804电流采样模块，806第一坐标转换模块，808直流电流校正模块，810交流电流校正模块，812直轴电压模块，814交轴电压模块，816第二坐标转换模块，818SVPWM驱动模块，820逆变器，822直流电源。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明的一方面实施例提供了一种电机转动惯量的测量装置。

图1示出了本发明的一个实施例的电机转动惯量的测量装置100的示意框图。其中，该电机转动惯量的测量装置100包括：

给定模块102，用于给定预设电压矢量以使电机的转子从静止位置向预设位置转动，并静止在预设位置；

采样模块104，用于在电机的转子从静止位置向预设位置转动并静止在预设位置的过程中，对电机的定子电流进行采样以获得采样电流；

计算模块106，与采样模块104相连接，计算模块106用于根据采样电流计算电机的转动惯量。

本发明实施例提供的电机转动惯量的测量装置100，通过给定模块102给定预设电压矢量以使电机的转子从静止位置向预设位置转动，并最终静止在预设位置，在电机的转子从静止位置向预设位置转动并静止在预设位置的过程中，通过采样模块104对电机的定子电流进行采样以获得采样电流，然后，计算模块106根据采样电流计算电机的转动惯量。通过本发明提供的电机转动惯量的测量装置100，能够实现转动惯量的准确测量，并且在测量时不考虑负载转矩是否为零，能够在带载的情况下完成测量，且测量精度高，操作简单，易于实现，测量成本低，可运用于工程实践。

图2示出了本发明的另一个实施例的电机转动惯量的测量装置200的示意框图。其中，该电机转动惯量的测量装置200包括：

给定模块202，用于给定预设电压矢量以使电机的转子从静止位置向预设位置转动，并静止在预设位置；

采样模块204包括：第一采样模块2042，用于根据采样电流，获取电机的转子静止在预设位置时的定子电流以作为基准电流采样值；第二采样模块2044，用于获取多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点；

计算模块206，与采样模块204相连接，计算模块206用于根据采样电流计算电机的转动惯量。

在该实施例中，在对电机的定子电流进行采样时，通过第一采样模块2042获取电机的转子静止在预设位置时的定子电流以作为基准电流采样值，通过第二采样模块2044获取多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点，以使计算模块206根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点、基准电流采样值和采样电流计算电机的转动惯量，从而实现了转动惯量的准确测量。

在本发明的一个实施例中，优选地，计算模块206具体用于：根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点中的第一采样时刻点与第二采样时刻点之间的采样电流和基准电流采样值计算从第一采样时刻点到第二采样时刻点电机消耗的电能、电机的电阻消耗的电能；根据电机消耗的电能和电机的电阻消耗的电能计算电机的转动惯量。

在该实施例中，在电机的转子从静止转动到预设位置并静止的过程中，电机遵循能量守恒定律。假设，电机的转子转动过程中的任意两个时刻t_a和t_b，则根据能量守恒定律，从t_a时刻到t_b时刻有：

W_rotor(t_b)+W_L(t_b)-W_L(t_a)-W_rotor(t_a)＝W_source-W_R-W₀

其中，W_rotor(t_b)为电机的转子在t_b时刻的动能，W_L(t_b)为电机在t_b时刻的电感储能，W_L(t_a)为电机在t_a时刻的电感储能，W_rotor(ta)为电机的转子在t_a时刻的动能，W_source为从t_a时刻到t_b时刻电机消耗的电能，W_R为从t_a时刻到t_b时刻电机的电阻消耗的电能，W₀为从t_a时刻到t_b时刻电机因摩擦、风阻等消耗的能量。因此，可以通过对t_a时刻到t_b时刻之间的电机的定子电流进行采样以获得采样电流，并根据采样电流和能量守恒定律计算电机的转动惯量。具体而言，由于第一采样时刻点的电流采样值和第二采样时刻点的电流采样值相等、且都等于基准电流采样值，故电机在第一采样时刻点的电感储能和在第二采样时刻点电感储能相互抵消，因此，在不考虑摩擦、风阻等损耗的情况下，可以通过对第一采样时刻点到第二采样时刻点之间的电机的定子电流进行采样以获得采样电流，并根据采样电流和能量守恒定律计算电机的转动惯量。

在本发明的一个实施例中，优选地，计算模块206具体用于：根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点中的第一采样时刻点与第二采样时刻点之间的采样电流、第二采样时刻点与第三采样时刻点之间的采样电流和基准电流采样值计算从第一采样时刻点到第三采样时刻点电机消耗的电能及摩擦损耗，以及电机的电阻消耗的电能；根据电机消耗的电能、摩擦损耗和电机的电阻消耗的电能计算电机的转动惯量。

在该实施例中，在考虑摩擦、风阻等损耗的情况下，可以通过计算模块根据第一采样时刻点至第二采样时刻点时间段和第二采样时刻点至第三采样时刻点时间段内的采样电流和基准电流采样值计算电机从第一采样时刻点到第三采样时刻点电机消耗的电能及摩擦损耗，以及电机的电阻消耗的电能，并根据能量守恒定律计算电机的转动惯量。

在上述任一实施例中，优选地，预设电压矢量的幅值和位置角均恒定，且预设电压矢量的位置角对应的转子位置为预设位置；预设电压矢量与静止位置对应的电压矢量不同。

具体而言，如图7所示，通过在静止ABC参考坐标系中给定幅值恒定、位置角为βrad的电压矢量，使电机的转子在转矩的作用下，从静止位置向预设位置S2轴处运行，并在预设位置S2轴处摇摆并最终静止。

在本发明的一个具体实施例中，若不考虑摩擦损耗W0，则可以根据下述公式计算电机的转动惯量：

若考虑摩擦损耗W0，则可以根据下述公式计算电机的转动惯量：

其中，J为所述电机的转动惯量，p₀为所述电机的极对数，ψ_f为所述电机的永磁磁链，i_B为所述采样电流，i_∞为所述基准电流采样值，t₁为第一个电流采样值等于i_∞的采样时刻点，t₂为第二个电流采样值等于i_∞的采样时刻点，t₃为第三个电流采样值等于i_∞的采样时刻点。

具体而言，如图8所示，由于电机的转子在转矩的作用下将在预设位置处来回摆动，因此在转子摆动过程中，可以以转子静止在预设位置时的定子电流作为基准电流采样值i_∞，并获取转子处于预设位置时的时间点，即获取多个电流采样值等于基准电流采样值i_∞时的采样时刻点，以根据多个采样时刻点、基准电流采样值和采样电流计算电机的转动惯量。例如，可以选择采样时刻点t₁和t₂，然后将采样时刻点t₁和t₂、以及t₁至t₂时间段内的采样电流、以及基准电流采样值i_∞代入上述公式(1)，即可计算出电机的转动惯量；也可以选择采样时刻点t₁、t₂和t₃，然后将采样时刻点t₁、t₂和t₃、以及t₁至t₂时间段和t₂至t₃时间段内的采样电流、以及基准电流采样值i_∞代入上述公式(2)，也可计算出电机的转动惯量，而且整个测量过程简单，易于实现，并且该方法不考虑负载转矩是否为零，即可以空载测量，也可以带载测量。

本发明的另一方面实施例提供了一种电机转动惯量的测量方法。

图3示出了本发明的一个实施例的电机转动惯量的测量方法的流程示意图。其中，该电机转动惯量的测量方法包括：

步骤302，给定预设电压矢量以使电机的转子从静止位置向预设位置转动，并静止在预设位置；

步骤304，在电机的转子从静止位置向预设位置转动并静止在预设位置的过程中，对电机的定子电流进行采样以获得采样电流；

步骤306，根据采样电流计算电机的转动惯量。

本发明实施例提供的电机转动惯量的测量方法，通过给定预设电压矢量以使电机的转子从静止向预设位置转动，并最终静止在预设位置，并在电机的转子从静止向预设位置转动并静止在预设位置的过程中，对电机的定子电流进行采样以获得采样电流，以及根据采样电流计算电机的转动惯量。通过本发明提供的电机转动惯量的测量方法，能够实现转动惯量的准确测量，并且在测量时不考虑负载转矩是否为零，能够在带载的情况下完成测量，且测量精度高，操作简单，易于实现，测量成本低，可运用于工程实践。

图4示出了本发明的另一个实施例的电机转动惯量的测量方法的流程示意图。其中，该电机转动惯量的测量方法包括：

步骤402，给定预设电压矢量以使电机的转子从静止位置向预设位置转动，并静止在预设位置；

步骤404，在电机的转子从静止位置向预设位置转动并静止在预设位置的过程中，根据采样电流，获取电机的转子静止在预设位置时的定子电流以作为基准电流采样值；获取多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点；

步骤406，根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点、基准电流采样值和采样电流计算电机的转动惯量。

在该实施例中，在对电机的定子电流进行采样时，通过获取电机的转子静止在预设位置时的定子电流以作为基准电流采样值，获取多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点，以根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点、基准电流采样值和采样电流计算电机的转动惯量，从而实现了转动惯量的准确测量。

图5示出了本发明的再一个实施例的电机转动惯量的测量方法的流程示意图。其中，该电机转动惯量的测量方法包括：

步骤502，给定预设电压矢量以使电机的转子从静止位置向预设位置转动，并静止在预设位置；

步骤504，在电机的转子从静止位置向预设位置转动并静止在预设位置的过程中，根据采样电流，获取电机的转子静止在预设位置时的定子电流以作为基准电流采样值；获取多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点；

步骤506，根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点中的第一采样时刻点与第二采样时刻点之间的采样电流和基准电流采样值计算从第一采样时刻点到第二采样时刻点电机消耗的电能、电机的电阻消耗的电能；根据电机消耗的电能和电机的电阻消耗的电能计算电机的转动惯量。

在该实施例中，在电机的转子从静止转动到预设位置并静止的过程中，电机遵循能量守恒定律。假设，电机的转子转动过程中的任意两个时刻t_a和t_b，则根据能量守恒定律，从t_a时刻到t_b时刻有：

W_rotor(t_b)+W_L(t_b)-W_L(t_a)-W_rotor(t_a)＝W_source-W_R-W₀

其中，W_rotor(t_b)为电机的转子在t_b时刻的动能，W_L(t_b)为电机在t_b时刻的电感储能，W_L(t_a)为电机在t_a时刻的电感储能，W_rotor(ta)为电机的转子在t_a时刻的动能，W_source为从t_a时刻到t_b时刻电机消耗的电能，W_R为从t_a时刻到t_b时刻电机的电阻消耗的电能，W₀为从t_a时刻到t_b时刻电机因摩擦、风阻等消耗的能量。因此，可以通过对t_a时刻到t_b时刻之间的电机的定子电流进行采样以获得采样电流，并根据采样电流和能量守恒定律计算电机的转动惯量。具体而言，由于第一采样时刻点的电流采样值和第二采样时刻点的电流采样值相等、且都等于基准电流采样值，故电机在第一采样时刻点的电感储能和在第二采样时刻点电感储能相互抵消，因此，在不考虑摩擦、风阻等损耗的情况下，可以通过对第一采样时刻点到第二采样时刻点之间的电机的定子电流进行采样以获得采样电流，并根据采样电流和能量守恒定律计算电机的转动惯量。

图6示出了本发明的再一个实施例的电机转动惯量的测量方法的流程示意图。其中，该电机转动惯量的测量方法包括：

步骤602，给定预设电压矢量以使电机的转子从静止位置向预设位置转动，并静止在预设位置；

步骤604，在电机的转子从静止位置向预设位置转动并静止在预设位置的过程中，根据采样电流，获取电机的转子静止在预设位置时的定子电流以作为基准电流采样值；获取多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点；

步骤606，根据多个电流采样值等于基准电流采样值时的采样时刻点中的第一采样时刻点与第二采样时刻点之间的采样电流、第二采样时刻点与第三采样时刻点之间的采样电流和基准电流采样值计算从第一采样时刻点到第三采样时刻点电机消耗的电能及摩擦损耗，以及电机的电阻消耗的电能；根据电机消耗的电能、摩擦损耗和电机的电阻消耗的电能计算电机的转动惯量。

在该实施例中，在考虑摩擦、风阻等损耗的情况下，可以通过计算模块根据第一采样时刻点至第二采样时刻点时间段和第二采样时刻点至第三采样时刻点时间段内的采样电流和基准电流采样值计算电机从第一采样时刻点到第三采样时刻点电机消耗的电能及摩擦损耗，以及电机的电阻消耗的电能，并根据能量守恒定律计算电机的转动惯量。

在上述任一实施例中，优选地，预设电压矢量的幅值和位置角均恒定，且预设电压矢量的位置角对应的转子位置为预设位置；预设电压矢量与静止位置对应的电压矢量不同。

具体而言，如图7所示，通过在静止ABC参考坐标系中给定幅值恒定、位置角为βrad的电压矢量，使电机的转子在转矩的作用下，从静止位置向预设位置S2轴处运行，并在预设位置S2轴处摇摆并最终静止。

在本发明的一个具体实施例中，若不考虑摩擦损耗W0，则可以根据下述公式计算电机的转动惯量：

若考虑摩擦损耗W0，则可以根据下述公式计算电机的转动惯量：

其中，J为所述电机的转动惯量，p₀为所述电机的极对数，ψ_f为所述电机的永磁磁链，i_B为所述采样电流，i_∞为所述基准电流采样值，t₁为第一个电流采样值等于i_∞的采样时刻点，t₂为第二个电流采样值等于i_∞的采样时刻点，t₃为第三个电流采样值等于i_∞的采样时刻点。

具体而言，如图8所示，由于电机的转子在转矩的作用下将在预设位置处来回摆动，因此在转子摆动过程中，可以以转子静止在预设位置时的定子电流作为基准电流采样值i_∞，并获取转子处于预设位置时的时间点，即获取多个电流采样值等于基准电流采样值i_∞时的采样时刻点，以根据多个采样时刻点、基准电流采样值和采样电流计算电机的转动惯量。例如，可以选择采样时刻点t₁和t₂，然后将采样时刻点t₁和t₂、以及t₁至t₂时间段内的采样电流、以及基准电流采样值i_∞代入上述公式(1)，即可计算出电机的转动惯量；也可以选择采样时刻点t₁、t₂和t₃，然后将采样时刻点t₁、t₂和t₃、以及t₁至t₂时间段和t₂至t₃时间段内的采样电流、以及基准电流采样值i_∞代入上述公式(2)，也可计算出电机的转动惯量，而且整个测量过程简单，易于实现，并且该方法不考虑负载转矩是否为零，即可以空载测量，也可以带载测量。

本发明的又一方面实施例提供了一种电机控制系统。

图9示出了本发明的一个实施例的电机控制系统700的示意框图。其中，该电机控制系统700包括如上述任一实施例所述的电机转动惯量的测量装置702，因此，该电机控制系统700具有如上述任一实施例的电机转动惯量的测量装置702的全部有益效果。

图10示出了本发明的一个具体实施例的电机控制系统800的结构图。其中，该电机控制系统800包括：电机802、电流采样模块804、第一坐标转换模块806、直流电流校正模块808、交流电流校正模块810、直轴电压模块812、交轴电压模块814、第二坐标转换模块816、SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，电压空间矢量脉宽调制)驱动模块818、逆变器820和直流电源822。

其中，电流采样模块804用于采样电机802的三相电流。第一坐标转换模块806用于根据转子初始位置对三相电流进行Clarke坐标变换和Park坐标变换以获得直轴电流和交轴电流。直流电流校正模块808用于根据直轴参考电流对直轴电流进行电流校正以获得直轴电压变化值。交流电流校正模块810用于根据交轴参考电流对交轴电流进行电流校正以获得交轴电压变化值。直轴电压模块812用于根据转子电角速度调整直轴电压。交轴电压模块814用于根据转子电角速度调整交轴电压。第二坐标转换模块816根据初始位置对直轴电压与直轴电压变化值之和和交轴电压与交轴电压变化值之和进行Clarke坐标反变换和Park坐标反变换以获得三相电压。SVPWM驱动模块818用于根据三相电压输出驱动信号。逆变器820用于根据驱动信号控制电机802的电流。直流电源822用于为逆变器820供电。

这样，基于上述的电机控制系统800给定预设电压矢量以使电机802的转子从静止向预设位置转动，并最终静止在预设位置；在电机802的转子从静止向预设位置转动并静止在预设位置的过程中，对电机802的定子电流进行采样以获得采样电流，之后，电机控制系统800根据采样电流计算电机802的转动惯量。

本发明实施例的电机控制系统800，能够实现转动惯量的准确测量，并且在测量时不考虑负载转矩是否为零，能够在带载的情况下完成测量，且测量精度高，操作简单，易于实现，测量成本低，可运用于工程实践。

在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，除非另有明确的规定和限定；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (11)

1.一种电机转动惯量的测量装置，其特征在于，包括：

给定模块，用于给定预设电压矢量以使所述电机的转子从静止位置向预设位置转动，并静止在所述预设位置；

采样模块，用于在所述电机的转子从所述静止位置向所述预设位置转动并静止在所述预设位置的过程中，对所述电机的定子电流进行采样以获得采样电流；

计算模块，与所述采样模块相连接，所述计算模块用于根据所述采样电流计算所述电机的转动惯量。

2.根据权利要求1所述的电机转动惯量的测量装置，其特征在于，所述采样模块具体包括：

第一采样模块，用于根据所述采样电流，获取所述电机的转子静止在所述预设位置时的定子电流以作为基准电流采样值；

第二采样模块，用于获取多个电流采样值等于所述基准电流采样值时的采样时刻点；

所述计算模块具体用于：根据所述多个电流采样值等于所述基准电流采样值时的采样时刻点、所述基准电流采样值和所述采样电流计算所述电机的转动惯量。

3.根据权利要求2所述的电机转动惯量的测量装置，其特征在于，所述计算模块具体用于：

根据所述多个电流采样值等于所述基准电流采样值时的采样时刻点中的第一采样时刻点与第二采样时刻点之间的采样电流和所述基准电流采样值计算从所述第一采样时刻点到所述第二采样时刻点所述电机消耗的电能、所述电机的电阻消耗的电能；

根据所述电机消耗的电能和所述电机的电阻消耗的电能计算所述电机的转动惯量。

4.根据权利要求2所述的电机转动惯量的测量装置，其特征在于，所述计算模块具体用于：

根据所述多个电流采样值等于所述基准电流采样值时的采样时刻点中的第一采样时刻点与第二采样时刻点之间的采样电流、所述第二采样时刻点与第三采样时刻点之间的采样电流和所述基准电流采样值计算从所述第一采样时刻点到所述第三采样时刻点所述电机消耗的电能及摩擦损耗，以及所述电机的电阻消耗的电能；

根据所述电机消耗的电能、所述摩擦损耗和所述电机的电阻消耗的电能计算所述电机的转动惯量。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电机转动惯量的测量装置，其特征在于，所述预设电压矢量的幅值和位置角均恒定，且所述预设电压矢量的位置角对应的转子位置为所述预设位置。

6.一种电机转动惯量的测量方法，其特征在于，包括：

给定预设电压矢量以使所述电机的转子从静止位置向预设位置转动，并静止在所述预设位置；

在所述电机的转子从所述静止位置向所述预设位置转动并静止在所述预设位置的过程中，对所述电机的定子电流进行采样以获得采样电流；

根据所述采样电流计算所述电机的转动惯量。

7.根据权利要求6所述的电机转动惯量的测量方法，其特征在于，所述对所述电机的定子电流进行采样以获得采样电流的步骤，具体包括：根据所述采样电流，获取所述电机的转子静止在所述预设位置时的定子电流以作为基准电流采样值；获取多个电流采样值等于所述基准电流采样值时的采样时刻点；

所述根据所述采样电流计算所述电机的转动惯量的步骤，具体包括：根据所述多个电流采样值等于所述基准电流采样值时的采样时刻点、所述基准电流采样值和所述采样电流计算所述电机的转动惯量。

8.根据权利要求7所述的电机转动惯量的测量方法，其特征在于，所述根据所述多个电流采样值等于所述基准电流采样值时的采样时刻点、所述基准电流采样值和所述采样电流计算所述电机的转动惯量的步骤，具体包括：

根据所述多个电流采样值等于所述基准电流采样值时的采样时刻点中的第一采样时刻点与第二采样时刻点之间的采样电流和所述基准电流采样值计算从所述第一采样时刻点到所述第二采样时刻点所述电机消耗的电能、所述电机的电阻消耗的电能；

根据所述电机消耗的电能和所述电机的电阻消耗的电能计算所述电机的转动惯量。

9.根据权利要求7所述的电机转动惯量的测量方法，其特征在于，所述根据所述多个电流采样值等于所述基准电流采样值时的采样时刻点、所述基准电流采样值和所述采样电流计算所述电机的转动惯量的步骤，具体包括：

根据所述多个电流采样值等于所述基准电流采样值时的采样时刻点中的第一采样时刻点与第二采样时刻点之间的采样电流、所述第二采样时刻点与第三采样时刻点之间的采样电流和所述基准电流采样值计算从所述第一采样时刻点到所述第三采样时刻点所述电机消耗的电能及摩擦损耗，以及所述电机的电阻消耗的电能；

根据所述电机消耗的电能、所述摩擦损耗和所述电机的电阻消耗的电能计算所述电机的转动惯量。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的电机转动惯量的测量方法，其特征在于，所述预设电压矢量的幅值和位置角均恒定，且所述预设电压矢量的位置角对应的转子位置为所述预设位置。

11.一种电机控制系统，其特征在于，包括：如权利要求1至5中任一项所述的电机转动惯量的测量装置。

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