CN113169703A - 用于运行动力传动系的方法以及动力传动系 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行动力传动系的方法，其中，所述动力传动系具有电机和由电机驱动的负载或由被电机驱动的传动装置所驱动的负载，其中尤其在电机上布置有用于检测电机的转子的角位置的传感器，借助于变流器，尤其借助于变流器的电机控制装置为电机提供电机电压，以达到转矩理论值M_Soll，特别是在时间上重复地，由借助于传感器检测的转子角位置值来确定角速度实际值ω_ist和角加速度实际值α_ist，由转动惯量J_ges和角加速度理论值α_Soll确定转矩理论值M_Soll，该角加速度理论值作为控制量由转速调节器确定，角速度实际值ω_ist与角速度理论值ω_Soll之间的差值——尤其是调节偏差——被提供给该转速调节器，所述转动惯量J_ges由无负载时的动力传动系转动惯量J_Mot与负载的转动惯量J_Last的总和确定，负载的转动惯量J_Last由转矩实际值M_ist和角加速度实际值α_ist尤其在考虑转动惯量J_Mot的情况下确定。

Description

用于运行动力传动系的方法以及动力传动系
技术领域
本发明涉及一种用于运行动力传动系的方法以及动力传动系。
背景技术
对于由变流器供电的电机普遍已知的是，信号电子装置根据检测到的电机电流，电机电压和/或检测到的电机角位置的曲线来确定转矩的实际值。
对于变流器通常还已知的是，为电机提供电机电压，从而使电机被调节到转矩理论值。
作为最接近的现有技术，从DE102007028914A1中已知一种用于控制和/或调节电机速度的设备。
从DE69120486T2中已知一种在电机速度调节器中用于计算转动惯量的方法。
发明内容
因此本发明的目的是，在调节电机时实现尽可能高的调节品质。
根据本发明，该目的在方法方面根据权利要求1实现，在动力传动系方面根据在权利要求9中给出的特征实现。
在用于运行动力传动系的方法方面，本发明的重要特征在于，动力传动系具有电机和由电机驱动的负载或由被电机驱动的传动装置所驱动的负载，其中尤其在电机上布置有用于检测电机的转子的角位置的传感器，
借助于变流器，尤其借助于变流器的电机控制装置为电机提供电机电压，以达到转矩理论值M_Soll，
特别是在时间上重复地，由借助于传感器检测的转子角位置值来确定角速度实际值ω_ist和角加速度实际值α_ist，
由转动惯量J_ges和角加速度理论值α_Soll确定转矩理论值M_Soll，该角加速度理论值作为控制量由转速调节器确定，角速度实际值ω_ist与角速度理论值ω_Soll之间的差值——尤其是调节偏差——被提供给该转速调节器，
所述转动惯量J_ges由无负载时的动力传动系转动惯量J_Mot与负载的转动惯量J_Last的总和确定，
负载的转动惯量J_Last由转矩实际值M_ist和角加速度实际值α_ist尤其在考虑转动惯量J_Mot的情况下确定。
优点在于，可以以高的调节品质实施对负载的转速和转矩的调节。这是因为可以根据转矩实际值与角加速度实际值的比值来确定转动惯量J_ges。根据现有技术，转矩实际值可以由电机电流以及优选其它参量——诸如电机电压和/或电机的转子的角位置——来确定。因此，可以在当前确定转动惯量的真实值，并将其用于电机调节，尤其是转速调节。也可以根据现有技术来执行电机控制，其中根据本发明来确定转动惯量的使用的参数。因此，当动力传动系改变时，例如负载的转动惯量改变时，可以确定转动惯量，并且因此可以利用转动惯量相应当前值来执行调节。
在一个有利的设计方案中，由借助于电流传感器检测到的电机电流以及转子的角位置x的检测值，来确定所述转矩实际值M_ist。优点在于，可以使用现有技术中已知的方法来确定转矩实际值M_ist。
在一个有利的设计方案中，由借助于电流传感器检测到的电机电流以及由检测到的电机电压U和/或由所述转子的角位置x的检测值，来确定所述转矩实际值M_ist。优点在于，可以使用现有技术中已知的方法来确定转矩实际值M_ist。
在一个有利的设计方案中，无负载时的动力传动系转动惯量J_Mot作为参数被预先给定。优点在于，在制造电机时，可以高精度地确定电机转子的转动惯量，从而高精度地得知J_Mot。即只有负载侧或其他转动惯量才需要确定，以便获得可靠的转动惯量值。
在一个有利的设计方案中，转矩理论值M_Soll是转动惯量J_ges与角加速度理论值α_Soll的乘积。优点在于，可以简单地确定转矩。
在一个有利的设计方案中，从转矩实际值M_ist与角加速度实际值α_ist的比值中减去转动惯量J_Mot，并将其确定为负载的转动惯量J_Last。优点在于，可以确定负载的转动惯量的当前存在的值。
在一个有利的设计方案中，在第一时间点，从转矩实际值M_ist和角加速度实际值α_ist的第一比值中减去转动惯量J_Mot，从而确定负载的转动惯量J_Last，其中该角加速度实际值α_ist位于第一值域内，
在所述第一时间点之后的第二时间点，从转矩实际值M_ist和角加速度实际值α_ist的第二比值中减去转动惯量J_Mot，从而确定负载的转动惯量J_Last，其中该角加速度实际值α_ist位于第二值域内，
通过将第二比值与第一比值之间的差与先前确定的转动惯量值J_Last相加，来确定更新的转动惯量J_Last。优点在于，可以实现对转动惯量的跟踪，即更新。
在一个有利的设计方案中，第一值域与第二值域是不同的角加速度值域，
这两个值域不重叠，而是彼此间隔开。优点在于，在值域之间的距离足够大时可以实现尽可能好的信噪比，并且进而可以可靠地确定转动惯量值。
在一个有利的设计方案中，对分别确定的值，特别是负载的转动惯量J_Last的值进行滤波，特别是进行低通滤波。优点在于，可以降低测量噪声。
在一个有利的设计方案中，转速调节器实施为PI调节器，
该PI调节器具有比例环节和与所述比例环节并联的积分环节，
比例环节的比例常数与转动惯量J_Mot和总转动惯量J_ges相关，
积分环节的时间常数与转动惯量J_Last和总转动惯量J_ges相关。优点在于，可以对上述的相关性进行选择，从而使具有空隙的、尤其是具有间隙连接的动力传动系能以与如下情况相同的调节行为/调节特性、特别是以与如下情况相同的时间常数和相同的振荡特性运行：在该情况下动力传动系并不具有空隙的、特别是不具有带间隙的连接而非有间隙的连接。另外，比例环节与动力传动系的与电机的转子无间隙地连接的部分相对应地作出反应，从而能在空隙内实现相应的良好的调节行为。
在替代的有利设计方案中，转速调节器被实施为PI调节器，
其中该调节器具有比例环节和与比例环节并联的积分环节，
比例环节的比例常数与转动惯量J_Last和总转动惯量J_ges相关，
积分环节的时间常数与转动惯量J_Mot和总转动惯量J_ges相关。优点在于，可以对上述的相关性进行选择，从而使具有空隙的、尤其是具有间隙连接的动力传动系能以与如下情况相同的调节行为运行：在该情况下动力传动系并不具有空隙的、特别是不具有带间隙的连接而非有间隙的连接。此外，在空隙内已经激活了一种调节行为，该调节行为基本上与负载转动惯量相协调，从而无急动地实现从空隙区域到空隙外区域的过渡。但是，由于时间常数较小，因此也可以在空隙外实现无急动的、极平滑的调节行为。
在另一替代的有利设计方案中，转速调节器被实施为PI调节器，
该PI调节器具有比例环节和与所述比例环节并联的积分环节，
比例环节的比例常数与转动惯量J_Mot和负载的转动惯量J_Last相关，
和/或，积分环节的时间常数与转动惯量J_Mot和负载的转动惯量J_Last相关。优点在于，由于单独确定了转动惯量J_Mot和负载的转动惯量J_Last并用于相乘，因此可以实现对空隙的优化调整。
动力传动系的重要特征在于，其构造为执行前述方法。优点在于可以以高品质地实施对负载旋转的调节。
另外的优点由从属权利要求给出。本发明不局限于权利要求的特征组合。对于本领域技术人员，尤其是从提出的技术问题和/或通过与现有技术相比较而提出的技术问题，可得到权利要求和/或单项权利要求特征和/或说明书特征和/或附图特征的其它合理的组合可能性。
附图说明
下面根据附图详述本发明：
图1示意性地示出用于确定转矩实际值M_ist的装置1，其根据电机电流I和角位置x确定转矩M_ist的实际值M_ist。
图2示意性地示出用于确定转矩实际值M_ist的替代装置20，该替代装置根据电机电流I和电机电压U确定转矩的实际值M_ist。
图3示出根据本发明的转速调节器30，由该转速调节器的控制量α_Soll，特别是由角加速度的理论值α_Soll，利用转矩实际值M_ist确定转矩理论值M_Soll，该转矩理论值被提供给为电机33提供电机电压U的电机控制装置。
图4示出了用于确定转矩理论值M_Soll的示例性转矩调节器，其中比例环节具有比例常数Kp1，并且积分环节具有特征参数Tn1，并且选择值kp1和Tn1，从而存在针对具有恒定转动惯量的无间隙动力传动系的期望行为，例如时间常数和振荡特性。
在图5中，与图4不同的是动力传动系具有间隙，即空隙，并且选择比例环节的比例常数Kp2和积分环节的特征参数Tn2，使得行为尽可能与图4相似。
具体实施方式
如图所示，在根据本发明的用于调节电机的方法中，由逆变器为优选实施为三相电机的电机33提供电机电压U，特别是三相电压。
借助于传感器检测电机33的转子轴的角位置，并将其作为实际值x_ist提供给转速调节器，该转速调节器由实际值x_ist与尤其作为参数预先给定的理论值x_soll的控制偏差来确定控制量的值。
如图1所示，优选将控制量设置为角加速度的理论值α_Soll。
该控制量被提供给用于确定转矩理论值M_Soll的装置31，该装置在考虑转矩实际值M_ist的情况下确定转矩理论值M_Soll。
这作为理论值被提供给电机控制装置32，电机控制装置32根据该理论值将电机电压U提供给电机33。
由传感器检测电机33的转子的角位置，即角位置x，由此确定转速实际值ω_ist，并且将转速理论值ω_soll与转速实际值ω_ist之间的差作为调节偏差提供给转速调节器30，该转速调节器优选实施为线性调节器，例如PI调节器或PID调节器。
为了确定转矩理论值M_Soll，在装置31中首先根据下式确定由电机33驱动的负载的转动惯量J_Last
J_Last＝M_ist/(dω_ist/dt)–J_mot
这里J_mot是作为电机的参数已知的电机33的转子的转动惯量，dω_ist/dt是根据检测到的角度值确定的角速度对时间的导数。另外，转矩实际值M_ist由用于确定转矩实际值的装置1或由用于确定转矩实际值的装置20确定。
根据确定的转动惯量J_Last和作为参数的转动惯量J_Mot，可通过求和J_ges＝J_Mot+J_Last来确定总转动惯量J_ges，即总惯量。
这些用于根据下列公式确定转矩理论值M_Soll
M_Soll＝J_ges*α_Soll
因此，通过简单地将总转动惯量J_ges与转速调节器30的控制量α_Soll相乘来确定转矩理论值M_Soll。
根据本发明，始终有正确的负载惯量用于调节，因为在运行期间可以对该负载惯量进行跟踪。
在另一个实施例中，如果除了用于使驱动器加速的转矩之外，还出现其他转矩，例如负载转矩，即由负载引入动力传动系的转矩或摩擦转矩，则根据下式使用两个具有不同加速度的区域来确定转动惯量的变化量ΔJ_Last
ΔJ_Last＝M_ist_1/(dω_ist_1/dt)–M_ist_2/(dω_ist_2/dt)
其中dω_ist_1/dt是角速度对时间的导数，即角加速度，其位于第一区域内，其中M_ist_1是相关联的转矩实际值，
其中dω_ist_2/dt是角速度对时间的导数，即角加速度，其位于第二区域内，其中M_ist_2是相关联的转矩实际值。
电机转子的转动惯量J_Mot是恒定的，从而总转动惯量J_ges的变化量ΔJ_ges对应于负载的转动惯量J_Last的变化量ΔJ_Last。
第一区域是角加速度的一个值域，第二区域是角加速度的另一值域，这里，这两个值域彼此不重叠且彼此间隔开。
第一区域的转矩实际值M_ist_1和角加速度dω_ist_1/dt的确定与第二区域的转矩实际值M_ist_2和角加速度dω_ist_2/dt的确定在时间上间隔开。
因此可以跟踪转动惯量J_Last的变化。
例如，驱动器在第一时间段内使负载加速，其中出现第一加速度值。电机的转速在随后的时间段中保持恒定，并且在随后的第三时间段中负载被制动，从而出现第二加速度值。第二加速度值应当具有与第一加速度值相同的数量/绝对值。
因此，可以根据这种行驶过程来确定负载的转动惯量J_Last，其中消除了摩擦的影响。
以这种方式，在包括驱动装置的设备的持续运行中能确定转动惯量、特别是能对其进行跟踪。当加速度在第一区域或第二区域内时，可以更新相关联的转矩实际值与角加速度的相应比值。
即使负载惯量在运行期间发生变化，也可以以更新的方式确定转动惯量J_Last和包括负载和转子的动力传动系的总转动惯量。
这里，动力传动系理解为包括由变流器供电的电机33以及由电机33必要时经由传动装置驱动的负载。
在根据本发明的其他实施例中，还对负载转动惯量的值曲线进行适当滤波，以减少由测量变量中的噪声引起的噪声。
如图4所示，选择值Kp1和Tn1，使得当动力传动系没有空隙时、即无间隙时，发生期望的行为。这里由电机驱动的转动惯量为J_ges。
如图5所示，可以使用其他值，这些值在动力传动系具有空隙、即有间隙的情况下引起与根据图4的实施方式相同的行为。
这里，Kp2用作比例环节的比例常数，Tn2用作积分环节的时间常数。
特别地，如果满足下式可以实现稳定的调节行为：
Kp2＝Kp1*J_Mot/(J_Mot+J_Last)
Tn2＝Tn1*(J_Mot+J_Last)/J_Mot
这里，总转动惯量J_ges等于J_Mot和J_Last的总和，其中在这里转动惯量J_Mot与动力传动系的可转动支承的部分有关，该部分描述了动力传动系的电机的转子，直至带有间隙的连接，特别是直到动力传动系的空隙为止，并且J_Last描述了动力传动系的其余部分。
根据本发明，确定J_Last，进而可以对值进行适配。
在根据本发明的实施例中，根据下式使用值
Kp2＝Kp1*f(J_Mot,J_ges)
Tn2＝Tn1*g(J_Last,J_ges)
其中f和g是函数。
因此，有必要单独确定J_Last和J_Mot。为此，可以在第一方法步骤中确定J_Mot，其中在负载不存在或未耦合到动力传动系的电机的转子轴的情况下根据M_ist_1/(dω_ist_1/dt)确定J_Mot。在第二方法步骤中，根据下式确定负载转动惯量J_Last
M_ist_1/(dω_ist_1/dt)–M_ist_2/(dω_ist_2/dt)
然后，可以在其他方法步骤中相应地确定负载转动惯量J_Last的随后变化，即可以跟踪负载转动惯量J_Last的值。
在根据本发明的其他实施例中，根据下式使用值
Kp2＝Kp1*f(J_Last,J_ges)
Tn2＝Tn1*g(J_Mot,J_ges)
其中f和g是函数。
因此，有必要单独确定J_Last和J_Mot。为此，可以在第一方法步骤中确定J_Mot，其方法是：在负载不存在或未耦合到动力传动系的电机的转子轴的情况下根据M_ist_1/(dω_ist_1/dt)确定J_Mot。在第二方法步骤中，根据下式确定负载转动惯量J_Last
M_ist_1/(dω_ist_1/dt)–M_ist_2/(dω_ist_2/dt)
然后，可以在其他方法步骤中相应地确定负载转动惯量J_Last的随后变化，即可以跟踪负载转动惯量J_Last的值。
在根据本发明的其他实施例中，根据下式使用值
Kp2＝Kp1*f(J_Mot x J_Last)
Tn2＝Tn1*g(J_Mot x J_Last)
其中f和g是函数，并取决于两个转动惯量的积。
因此，有必要单独确定J_Last和J_Mot。为此，可以在第一方法步骤中确定J_Mot，其方法是在负载不存在或未耦合到动力传动系的电机的转子轴的情况下根据M_ist_1/(dω_ist_1/dt)确定J_Mot。在第二方法步骤中，根据下式确定负载转动惯量J_Last
M_ist_1/(dω_ist_1/dt)–M_ist_2/(dω_ist_2/dt)
然后可以在其他方法步骤中相应地确定负载转动惯量J_Last的随后变化，即可以跟踪负载转动惯量J_Last的值。
附图标记列表：
1 用于确定转矩实际值的装置
20 用于确定转矩实际值的装置
30 转速调节器
31 用于确定转矩理论值的装置
32 电机控制装置
33 电机，尤其是三相电机
I 电机电流，尤其是电机电流空间矢量
U 电机电压，尤其是电机电压空间矢量
X 角位置
ω_ist 角速度实际值
ω_soll 角速度理论值
α_Soll 角加速度理论值
M_ist 转矩实际值

Claims (13)

1.一种用于运行动力传动系的方法，其中，所述动力传动系具有电机和由电机驱动的负载或由被电机驱动的传动装置所驱动的负载，其中尤其在电机上布置有用于检测电机的转子的角位置的传感器，
借助于变流器，尤其借助于变流器的电机控制装置为电机提供电机电压，以达到转矩理论值M_Soll，
特别是在时间上重复地，由借助于传感器检测的转子角位置值来确定角速度实际值ω_ist和角加速度实际值α_ist，
其特征在于，
由转动惯量J_ges和角加速度理论值α_Soll确定转矩理论值M_Soll，该角加速度理论值作为控制量由转速调节器确定，角速度实际值ω_ist与角速度理论值ω_Soll之间的差值——尤其是调节偏差——被提供给该转速调节器，
所述转动惯量J_ges由无负载时的动力传动系转动惯量J_Mot与负载的转动惯量J_Last的总和确定，
负载的转动惯量J_Last由转矩实际值M_ist和角加速度实际值α_ist尤其在考虑转动惯量J_Mot的情况下确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由借助于电流传感器检测到的电机电流以及转子的角位置x的检测值，来确定所述转矩实际值M_ist，
或者由借助于电流传感器检测到的电机电流以及由检测到的电机电压U和/或由所述转子的角位置x的检测值，来确定所述转矩实际值M_ist。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，无负载时的动力传动系转动惯量J_Mot作为参数被预先给定。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，转矩理论值M_Soll是转动惯量J_ges与角加速度理论值α_Soll的乘积。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，从转矩实际值M_ist与角加速度实际值α_ist的比值中减去转动惯量J_Mot，从而确定负载的转动惯量J_Last。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，
转速调节器实施为PI调节器，
该PI调节器具有比例环节和与所述比例环节并联的积分环节，
比例环节的比例常数与转动惯量J_Mot和总转动惯量J_ges相关，
积分环节的时间常数与转动惯量J_Last和总转动惯量J_ges相关。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，
所述转速调节器实施为PI调节器，
该PI调节器具有比例环节和与所述比例环节并联的积分环节，
比例环节的比例常数与转动惯量J_Last和总转动惯量J_ges相关，
积分环节的时间常数与转动惯量J_Mot和总转动惯量J_ges相关。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，
所述转速调节器实施为PI调节器，
该PI调节器具有比例环节和与所述比例环节并联的积分环节，
比例环节的比例常数与转动惯量J_Mot和负载的转动惯量J_Last相关，和/或，积分环节的时间常数与转动惯量J_Mot和负载的转动惯量J_Last相关。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，
在第一时间点，从转矩实际值M_ist和角加速度实际值α_ist的第一比值中减去转动惯量J_Mot，从而确定负载的转动惯量J_Last，其中该角加速度实际值α_ist位于第一值域内，
在所述第一时间点之后的第二时间点，从转矩实际值M_ist和角加速度实际值α_ist的第二比值中减去转动惯量J_Mot，从而确定负载的转动惯量J_Last，其中该角加速度实际值α_ist位于第二值域内，
通过将第二比值与第一比值之间的差与先前确定的转动惯量值J_Last相加，来确定更新的转动惯量J_Last。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
第一值域与第二值域是不同的角加速度值域，
这两个值域不重叠，而是彼此间隔开。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对分别确定的值，特别是负载的转动惯量J_Last的值进行滤波，特别是进行低通滤波。
12.一种用于运行动力传动系的方法，
其中，动力传动系具有电机和由电机驱动的或由被电机驱动的传动装置所驱动的随时间变化的负载，其中特别是在电机上布置有用于检测电机的转子的角位置的传感器，
其中无负载时的动力传动系转动惯量J_Mot在时间上是恒定的，并作为参数被预先给定，
借助于变流器，尤其借助于变流器的电机控制装置为电机提供电机电压，以达到转矩理论值M_Soll，
特别是在时间上重复地，由借助于传感器检测的转子角位置值来确定角速度实际值ω_ist和角加速度实际值α_ist，
其特征在于，
由转动惯量J_ges和角加速度理论值α_Soll确定转矩理论值M_Soll，该角加速度理论值作为控制量由转速调节器确定，角速度实际值ω_ist与角速度理论值ω_Soll之间的差值——尤其是调节偏差——被提供给该转速调节器，
所述转动惯量J_ges由无负载时的动力传动系转动惯量J_Mot与负载的转动惯量J_Last的总和确定，
负载的转动惯量J_Last由转矩实际值M_ist和角加速度实际值α_ist尤其在考虑转动惯量J_Mot的情况下确定，
在第一方法步骤中通过确定转矩实际值M_ist确定转动惯量J_Last的值，其中无负载时的动力传动系转动惯量J_Mot作为参数被预先给定，其中从转矩实际值M_ist与角加速度实际值α_ist的比值中减去转动惯量J_Mot，从而确定负载的转动惯量J_Last，
在所述第一方法步骤之后执行的第二方法步骤中，确定转动惯量J_Last的更新值，其方式为：在第一时间点从转矩实际值M_ist与角加速度实际值α_ist的第一比值中减去转动惯量J_Mot，从而确定负载的转动惯量J_Last，其中角加速度实际值α_ist在第一值域内，在第一时间点之后在第二时间点，从转矩实际值M_ist与角加速度实际值α_ist的第二比值中减去转动惯量J_Mot，从而确定负载的转动惯量J_Last，其中角加速度实际值α_ist在第二值域内，
通过将第二比值与第一比值之间的差与先前确定的转动惯量J_Last的值相加来确定更新的转动惯量J_Last。
13.一种动力传动系，其构造用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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