CN111969913A - 一种确定转矩的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定转矩的方法及系统，本发明实施例对机构在计算机辅助设计(CAD)软件中进行建模后，基于所述模型确定机构的转动惯量；测量获取到机构运行的角速度，将所述实时角速度采用设置的跟踪微分器模型计算，得到机构运行的角加速度；根据所述角加速及转动惯量确定机构运行的转矩。由于本发明实施例在确定转动惯量时是基于CAD软件确定，且在由所述角速度得到角加速度时克服了直接微分法的噪声敏感问题，所以本发明实施例可以准确地确定转矩，易于实现。

Description

一种确定转矩的方法及系统
技术领域
本发明涉及电机驱动控制技术领域，特别涉及一种确定转矩的方法及系统。
背景技术
电机可以驱动很多种类型的机构运行，其中包括通道闸机的门翼的自动开闭，使用户通行。闸机是人行通道的出入口管理设备，对用户进出的人行通道进行自动化管理和监控，当用户认证通过后，开启门翼；用户通过闸机后，则关闭门翼。
闸机门翼是在电机的驱动下开启或关闭。闸机门翼的转矩大小决定了闸机门翼的开启或关闭的力量，从安全性能(如门翼的碰伤人程度)及功能安全(如抗台风级别)等方面考虑，有必要估算出闸机门翼在实际运行过程中的转矩大小。
目前，闸机门翼转矩可以采用手动测量方式确定，采用的测量仪器为测力计，通过测力计测量出闸机门翼转矩。由于闸机门翼置于闸机的不同位置、所具有的长度不同及在不同转速下转矩是动态变化的，因此采用测力计测量得到的闸机门翼转矩的误差较大，只能提供定性分析。
闸机门翼转矩还可以通过计算获得：获取闸机门翼运行时的加速度及转动惯量，将两个参数相乘得到闸机门翼转矩，其中闸机门翼运行时的加速度可以通过安装在闸机门翼上的加速度传感器直接获得；或根据驱动闸机门翼的电机的角速度求微分后滤波得到。基于直接获得的闸机门翼运行时的加速度计算得到闸机门翼转矩比较准确，但是由于加速度传感器属于精密仪器，成本较高且对安装空间有一定要求，不容易实现；基于间接获得的闸机门翼运行时的加速度计算得到闸机门翼转矩则不准确，这是因为对角速度求微分，微分对噪声信号敏感，得到的闸机门翼运行时的加速度信号出现失真，有一定的局限性，导致闸机门翼运行时的加速度不准确，最终造成计算得到闸机门翼转矩则不准确。
综上，在确定机构的转矩时，特别是闸机门翼转矩在确定时，存在不易实现的问题或所确定的准确性不高的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种确定转矩的方法，该方法能够准确地确定机构的转矩，易于实现。
本发明实施例提供一种确定门翼转矩的系统，该系统能够准确地确定机构的转矩，易于实现。
本发明实施例是这样实现的：
一种确定转矩的方法，所述方法包括：
针对机构在CAD软件中建模，基于所述模型确定所述机构的转动惯量；
测量获取到所述机构运行时的角速度，将所述角速度采用设置的跟踪微分器模型进行计算，得到角加速度；
根据所述角加速度及所述转动惯量确定所述机构的转矩。
较佳地，所述测量获取到所述机构运行时的角速度包括：
所述机构的驱动采用电机驱动；
在所述电机的输出端安装速度传感器，将测量得到的所述电机的角速度作为测量获取到所述机构运行时的角速度。
较佳地，将所述角速度采用设置的跟踪微分器模型进行计算，得到角加速度包括：
将所述角速度输入到跟踪微分器模型中，所述跟踪微分器模型对所述角速度进行跟踪得到跟踪信号，对所述角速度的微分信号基于跟踪信号进行估计，得到角加速度。
较佳地，所述跟踪微分器模型采用定点型芯片或浮点型芯片实现，所设置的跟踪微分器模型中还包括：
基于设置的角速度的标幺值、角加速度的标幺值及角加加速度的标幺值，对在计算过程中的跟踪信号、角速度的微分信号及角加速度的微分信号，分别进行浮点到定点的处理，适应所述芯片执行所述跟踪微分器模型。
较佳地，所述根据所述角加速度及所述转动惯量确定所述机构的转矩包括：所述角加速度与所述转动惯量之间的乘积作为所述机构的转矩。
较佳地，所述机构为闸机门翼。
一种确定转矩的系统，包括：位置及转速计算单元和转矩计算单元，其中，
所述位置及转速计算单元，用于根据速度传感器测得机构运行的角速度，输入到设置的跟踪微分器模型中进行计算，得到所述机构运行的角加速度；
所述转矩计算单元，用于基于所获取的所述机构的转动惯量及所述机构运行的角加速度计算得到所述机构的转矩。
较佳地，还包括安装在驱动所述机构的电机输出单元中的速度传感器，用于测量所述机构运行的角速度；
所述转矩计算单元所获取的所述机构的转动惯量是离线计算得到的。
较佳地，所述系统设置在驱动所述机构的电机的控制系统中或单独实施。
较佳地，所述机构为闸机门翼。
如上所见，本发明实施例对机构在计算机辅助设计(CAD)软件中进行建模后，基于所述模型确定机构的转动惯量；测量获取到机构运行的角速度，将所述实时角速度采用设置的跟踪微分器模型计算，得到机构运行的角加速度；根据所述角加速度及转动惯量确定机构运行的转矩。由于本发明实施例在确定转动惯量时是基于CAD软件确定，且在由所述角速度得到角加速度时克服了直接微分法的噪声敏感问题，所以本发明实施例可以准确地确定转矩，易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例提供的确定门翼转矩的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的确定门翼转矩的方法具体例子流程图；
图3为本发明实施例提供的确定门翼转矩的系统具体例子结构示意图；
图4为本发明实施例提供的实验结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
从背景技术可以看出，确定闸机门翼的转矩不容易实现且误差比较大的原因主要是：直接测量闸机门翼转矩的测量仪器测量无法测量准确、或直接测量用于计算闸机门翼转矩的角加速度的加速度传感器测量不容易实现、或根据间接测量的角速度微分计算得到的用于计算闸机门翼转矩的角加速度误差比较大。
目前，还有几种方法可以应用于确定闸机门翼的转矩，具体地说：
公告号为CN103777143A，名称为“一种电机模拟惯性负载的测量方法”的专利申请中，对转动惯量直接采用了规则圆柱体的计算方法J＝1/2MR2，其中M为物体质量，R 为物体半径。但是，由于闸机门翼常常是不规则的，且是由不同材料所组成(钢管或亚克力材料等)，如果直接采用这种方式确定计算闸机门翼的转矩所需的转动惯量，则误差较大且计算复杂。此外，在该申请中，对于角加速度的求法，其是采用了角速度直接微分的求法，也存在由于微分噪声而导致得到的角加速度失真的缺陷，基于这两个误差比较大的参数计算得到闸机门翼的转矩，误差也比较大。
公告号为CN107294451A，名称为“永磁同步电机输出转矩在线计算方法”的专利申请，及公告号为CN102193003A，名称为“加速度计算方法及加速度计算装置”的专利申请中，都是直接设置扭矩仪或高精度的加速度传感器来测量确定计算闸机门翼的转矩所需的参数，这两个申请中虽然测量得到的参数能够具有很高的精度，但是会导致成本上升，且其对设置空间有要求，而对于闸机门翼来说，其空间非常有限，因此采用这两种方式应用于确定闸机门翼的转矩具有局限性。
因此，本发明实施例在确定闸机门翼的转矩时就需要避免上述问题。本发明实施例对闸机门翼在CAD软件中进行建模后，基于所述模型确定闸机门翼的转动惯量；测量获取到闸机门翼运行的角速度，将所述实时角速度采用设置的跟踪微分器模型计算，得到闸机门翼运行的角加速度；根据所述角加速度及转动惯量确定闸机门翼运行的转矩。
由于本发明实施例在确定转动惯量时是基于CAD软件确定，且在由所述角速度得到角加速度时克服了直接微分法的噪声敏感问题，所以本发明实施例可以准确地确定门翼转矩，易于实现。
本发明实施例不仅仅可以应用在闸机门翼的转矩确定上，还可以应用在其他各种由电机驱动运行的各种机构上，这里不限定。本发明实施例以确定闸机门翼的转矩为例，进行详细说明。
在本发明实施例中，应用到了CAD软件，CAD软件是一种广泛应用于机械产品设置等领域的交互式图形开发系统，随着CAD软件技术向智能化技术的发展，大部分CAD 软件能够对机械零部件的质量、惯性矩以及强度等性能，进行建模计算。在本发明实施例中，就利用了CAD软件的建模计算功能，来确定闸机门翼的转动惯量。在本发明实施例中，可以将闸机门翼的转动惯量采用J表示，也可以称为惯性矩。转动惯量在旋转动力学中，可形象地理解为一个物体对于旋转运行的惯性，用于建立角动量、角速度、力矩与角加速度等数个量之间的关联关系。
在本发明实施例中，将测量得到的实时角速度采用设置的跟踪微分器模型计算，得到角加速度的过程中，所述设置的跟踪微分器模型实际上是对连续信号进行跟踪，并对连续信号的微分信号基于跟踪信号进行估计的数值计算方法，能够克服简单的微分计算时噪声放大效应的缺点，从所被污染的噪声信号中提取微分信号，具有良好的跟踪性能及抗干扰性能。
图1为本发明实施例提供的确定门翼转矩的方法流程图，其具体步骤包括：
步骤101、针对闸机门翼在CAD软件中建模，基于所述模型确定闸机门翼的转动惯量；
步骤102、测量获取到闸机门翼运行时的角速度，将所述角速度采用设置的跟踪微分器模型进行计算，得到角加速度；
步骤103、根据角加速度及转动惯量确定闸机门翼的转矩。
在该方法中，所述角速度及角加速度都是随时间变化的信号值，覆盖了闸机门翼运行时的整个过程。
在该方法中，所述测量获取到闸机门翼运行时的角速度包括：
闸机门翼的驱动采用电机驱动；
在所述电机的输出端安装速度传感器，将测量得到的所述电机的角速度作为测量获取到闸机门翼运行时的角速度。
在这里，所述电机采用FOC方式控制，步骤102及步骤103的过程都在电机的FOC 单元中实现，具体可以在FOC单元的慢速环中实现。步骤102的过程由所述电机的FOC 单元的慢速环中的位置及转速计算单元实现，步骤103的过程由所述电机的FOC单元的慢速环中的转矩计算单元实现。
电机的FOC也可以称为电机的矢量控制，其实质是将电机的定子电流解耦成一个控制磁场的电流分量及一个控制转矩的电流分量，在经过解耦后，电机的两个电流分量独立受控，互不干扰。
在这里，所设置的速度传感器是机构运行的传感器件，由于电机是旋转运行，因此采用角速度传感器，电机常用的速度传感器有霍尔传感器、光电编码器和旋转变压器等。
在该方法中，所述根据角加速度及转动惯量确定闸机门翼的转矩包括：
根据转矩计算公式T＝转动惯量J*角加速度，得到。
也就是说，加速度信号与转动惯量之间的乘积为闸机门翼的转矩。
在该方法中，将所述角速度采用设置的跟踪微分器模型进行计算，得到角加速度包括：
将所述角速度输入到跟踪微分器模型中，所述跟踪微分器模型对所述角速度进行跟踪得到跟踪信号，对所述角速度的微分信号基于跟踪信号进行估计，得到角加速度。
所述跟踪微分器模型采用定点型芯片实现，所设置的跟踪微分器模型中还包括：
设置角速度的标幺值、角加速度的标幺值及角加加速度的标幺值，对在计算过程中的跟踪信号、角速度的微分信号及角速度的微分信号的微分信号，进行浮点到定点的处理，适应定点型芯片执行所述跟踪微分器模型。
具体地说，跟踪微分器的离散化形式具体如公式(1)所示：
Figure BDA0002572727630000051
其中，fhan()为设置的最速控制跟踪函数，h为采样步长，v(k)为k时刻的角速度，也就是输入信号，x1(k)为k时刻的跟踪信号，x2(k)为k时刻的微分信号，也就是角加速度，r为决定跟踪速度的跟踪因子，设置的r越大越快达到所跟踪的实时角速度；
要确定fhan()，采用公式(2)确定：
fhan(x1(k)-v(k),x2(k),r,h0) (2)
基于离散化形式的公式(1)，具体计算角速度信号的公式如公式(3)所示：
Figure BDA0002572727630000061
在公式(3)中，h0为滤波因子，用于有效抑制微分信号中的噪声放大。
跟踪微分器模型通常采用定点计算单元实现，定点计算单元的特点是在计算时无法处理小数，所以需要定点定标。本发明为了适应定点计算单元的计算，对公式(3)进行处理，在计算中涉及的参数出现小数范围时，采用公式(4)、(5)及(6)进行处理，从而提高跟踪微分器模型的处理精度。当然，本发明实施例也可以适应浮点计算单元的计算，这里不限定。
Figure BDA0002572727630000062
Figure BDA0002572727630000063
Figure BDA0002572727630000071
其中，ωMAX为角速度的标幺值，AMAX为角加速度的标幺值，JMAX为角加加速度的标幺值(角加加速度就是角加速度再经过微分后得到的值)，这几个值是基于经验获取到的。
根据公式(6)，vFRAC(k)为k时刻的角速度，x1 FRAC(k)为k时刻的角速度的跟踪信号，x2 FRAC(k)为k时刻跟踪信号x1 FRAC(k)的微分信号，即输出得到的角加速度α，这样，就可以根据公式(4)、(5)及(6)得到各个时刻的角加速度值了。
图2为本发明实施例提供的确定门翼转矩的方法具体例子流程图，整个过程分为两个部分，一个部分为离线计算，另一个部分为在线计算，也就是在驱动门翼运行的电机中的控制系统中执行，具体步骤包括：
离线计算部分：
步骤201、针对闸机门翼在CAD软件中建模，基于所述模型确定闸机门翼的转动惯量；
在这个步骤中，在CAD软件中设置好所述模型的材料属性及旋转轴信息，就可以由CAD软件自动计算得到闸机门翼的转动惯量；
步骤202、将得到的闸机门翼的转动惯量输出；
在线计算部分：
步骤203、在驱动闸机门翼的电机输出单元中安装速度传感器；
步骤204、将速度传感器测得的信号输入到所述电机的控制系统设置的位置及转速计算单元中；
步骤205、所述电机的控制系统设置的位置及转速计算单元，将角速度输入到设置的跟踪微分器模型中进行计算，得到闸机门翼运行的角加速度；
步骤205、将所得到的闸机门翼运行的角加速度输入到所述电机的控制系统设置的转矩计算单元中，由所述转矩计算单元基于闸机门翼的转动惯量及闸机门翼运行的角加速度计算得到闸机门翼的转矩。
本发明实施例还提供了一种确定门翼转矩的系统，该系统包括：位置及转速计算单元和转矩计算单元，所述系统设置在驱动闸机门翼运行的电机的控制系统中或者单独实施，这里不限定，其中，
所述位置及转速计算单元，用于根据速度传感器测得闸机门翼运行的角速度，输入到设置的跟踪微分器模型中进行计算，得到闸机门翼运行的角加速度；
转矩计算单元，用于基于所获取的闸机门翼的转动惯量及闸机门翼运行的角加速度计算得到闸机门翼的转矩。
在该系统中，还包括设置在驱动闸机门翼的电机输出单元中的速度传感器，用于测量闸机门翼的角速度。
在该系统中，所获取的闸机门翼的转动惯量是离线计算得到的，发送给转矩计算单元。
图3为本发明实施例提供的确定门翼转矩的系统具体例子结构示意图，在该例子中，驱动闸机门翼的电机的控制系统采用FOC方式，速度传感器采用光电编码器，所述电机采用永磁同步电机(PMSM)，该系统具体包括：
所述光电编码器，安装在PMSM的输出端，用于测量得到闸机门翼的角速度，发送给所述位置及转速计算单元；
所述位置及转速计算单元，设置在所述电机的FOC系统的慢速环中，用于将所述角速度信号，输入到设置的跟踪微分器模型中进行计算，得到闸机门翼运行的角加速度，输出给转矩计算单元；
所述转矩计算单元，设置在所述电机的FOC系统的慢速环中，用于基于所获取的闸机门翼的转动惯量及闸机门翼运行的角加速度计算得到闸机门翼的转矩。
在该系统中，所述电机的FOC系统包括慢速环及快速环，慢速环中具有位置环及速度环，快速环具有电流环，通过对所述电机的输入进行位置、速度及电流的控制，调整所述电机的输出。本系统将所述位置及转速计算单元的位置信息具体接入到位置环上，将所述位置及转速计算单元的位速度信息分别接入到速度环上和位置及转速计算单元，在所述电机的FOC系统进行输入控制时，分别作为位置环及速度环的输入参数在进行对所述电机的位置及速度控制时考虑。
采用本发明实施例就可以确定出闸机门翼的运行时的转矩，如图4所示，图4为本发明实施例提供的实验结果示意图。
本发明实施例采用软件的方法准确估算出闸机门翼运行时的转矩，不需要价格昂贵的转矩传感器，在现有的硬件基础上既可以实施，降低了成本。本发明实施例与现有的人为手动测量转矩的离线方法或采用直接微分来求角加速度的方法相比，弥补了手动测量精度太差和直接微分对噪声敏感的不足。本发明实施例只需要测量得到实时角速度信号，就可以在驱动闸机门翼的电机的FOC系统中实施，当然也可以单独实施，结构更加简洁，控制更加灵活。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种确定转矩的方法，其特征在于，所述方法包括：
针对机构在CAD软件中建模，基于所述模型确定所述机构的转动惯量；
测量获取到所述机构运行时的角速度，将所述角速度采用设置的跟踪微分器模型进行计算，得到角加速度；
根据所述角加速度及所述转动惯量确定所述机构的转矩。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量获取到所述机构运行时的角速度包括：
所述机构的驱动采用电机驱动；
在所述电机的输出端安装速度传感器，将测量得到的所述电机的角速度作为测量获取到所述机构运行时的角速度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述角速度采用设置的跟踪微分器模型进行计算，得到角加速度包括：
将所述角速度输入到跟踪微分器模型中，所述跟踪微分器模型对所述角速度进行跟踪得到跟踪信号，对所述角速度的微分信号基于跟踪信号进行估计，得到角加速度。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述跟踪微分器模型采用定点型芯片或浮点型芯片实现，所设置的跟踪微分器模型中还包括：
基于设置的角速度的标幺值、角加速度的标幺值及角加加速度的标幺值，对在计算过程中的跟踪信号、角速度的微分信号及角加速度的微分信号，分别进行浮点到定点的处理，适应所述芯片执行所述跟踪微分器模型。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述角加速度及所述转动惯量确定所述机构的转矩包括：所述角加速度与所述转动惯量之间的乘积作为所述机构的转矩。
6.如权利要求1～5任一所述的方法，其特征在于，所述机构为闸机门翼。
7.一种确定转矩的系统，其特征在于，包括：位置及转速计算单元和转矩计算单元，其中，
所述位置及转速计算单元，用于根据速度传感器测得机构运行的角速度，输入到设置的跟踪微分器模型中进行计算，得到所述机构运行的角加速度；
所述转矩计算单元，用于基于所获取的所述机构的转动惯量及所述机构运行的角加速度计算得到所述机构的转矩。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括安装在驱动所述机构的电机输出单元中的速度传感器，用于测量所述机构运行的角速度；
所述转矩计算单元所获取的所述机构的转动惯量是离线计算得到的。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统设置在驱动所述机构的电机的控制系统中或单独实施。
10.如权利要求7～9任一所述的系统，其特征在于，所述机构为闸机门翼。
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