CN114006560A - 一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法、系统及装置 - Google Patents

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CN114006560A CN202111280402.8A CN202111280402A CN114006560A CN 114006560 A CN114006560 A CN 114006560A CN 202111280402 A CN202111280402 A CN 202111280402A CN 114006560 A CN114006560 A CN 114006560A
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钟晓峰
刘家畅
刘伟
廖珈博
王永明
王佳宇
葛园园
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Abstract

本发明涉及一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法、系统及装置，方法包括，采用矢量控制方法控制电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度，并记录运行时间t以及驱动转矩做功量；采用矢量控制方法控制电机以恒定角速度稳速空载运行，并获取累积运行时间t的摩擦转矩做功量；基于电机的运动方程，根据驱动转矩做功量以及摩擦转矩做功量，计算出电机的转动惯量。本发明采用矢量控制的方式可实时获取电机空载的负载转矩，不仅避免了在驱动电机空载运行中电磁环境改变导致的摩擦转矩测量的不准确性，本发明排除了摩擦转矩对转动惯量的影响，电机转动惯量辨识精度高，可大大提高矢量控制的性能。

Description

一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法、系统及装置
技术领域
本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法、系统及装置。
背景技术
电机的矢量控制在传动领域得到了很广泛的应用，其控制思路是选择电机转子磁链矢量作为基准矢量，实现转矩和磁链的解耦，即电动机负载转矩的变化不影响磁链，调节系统将电机的定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量两部分，仿照直流电动机的控制思路，通过控制定子电流的励磁电流分量来控制电动机的磁通和通过控制定子电流的转矩电流分量来控制输出转矩。
图1是目前应用最为广泛的电机矢量控制系统结构图。系统的输入(给定量)是角速度给定(ω*)和磁通给定(ψr *)。检测量有：角速度实际值(ωm)；定子电流实际值(ia,ib,ic)---来自电流传感器的三相电流实际值信号；检测信号经VMIM混合模型框中的磁链观测变换获得励磁反馈电流id与转矩反馈电流iq。图中定子电流的转矩分量指令iq *和励磁电流分量指令id *都是同步旋转坐标系中的电流值。转矩电流和励磁电流的调节是在同步旋转坐标系中进行的，两个电流调节器的输出即为定子电压矢量在同步旋转坐标系中两个坐标轴上的分量。电流调节器输岀的两个电压指令分量经坐标变换后得到三相电压指令的瞬时值，这三个电压瞬时值就是脉冲宽度调制(PWM)逆变器的输入指令。另一方面，检测的三相电流值经过坐标变换得到电流在同步旋转坐标系中的两个电流反馈分量，这两个电流分量作为电流闭环控制的反馈。另外，根据转矩电流分量计算出滑差角频率，加上反馈的电机角速度，得到额定同步旋转角频率，积分得到同步旋转坐标系的旋转角度，用于三相静止坐标系到同步旋转坐标系的坐标变换中。
电机的转动惯量是与电机的动态过程相关的参数，有些方法通过控制电机速度突变，利用电机运动方程辩识转动惯量,但电机速度突变的过程电流很大，容易产生过流故障，所以这种方法很难在工程上实用；还有的方法通过固定加速度的方式驱动电机加减速进行，但对阻力矩的检测精度不高导致最终辨识的数据精度不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法、系统及装置，可以精准的识别出电机的转动惯量。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法，包括以下步骤，
S1，采用矢量控制方法控制电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度，并记录所述电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度所花费的时间t以及获取在所述时间t内的驱动转矩做功量；
S2，采用矢量控制方法控制所述电机以恒定角速度稳速空载运行，并获取所述电机以恒定角速度稳速空载累积运行所述时间t的摩擦转矩做功量；其中，所述恒定角速度为所述第一角速度与所述第二角速度的算数平均值；
S3，基于所述电机的运动方程，根据所述驱动转矩做功量以及所述摩擦转矩做功量，计算出所述电机的转动惯量。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，在所述S1中，获取在所述时间t内的驱动转矩做功量的过程为，
获取所述电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度的驱动转矩；
计算所述驱动转矩在所述时间t内的驱动转矩做功量；
其中，所述驱动转矩做功量为
Figure BDA0003328100830000031
Ta为所述电机的驱动转矩。
进一步，在所述S1中，所述驱动转矩做功量通过所述矢量控制方法中的速度闭环计算并输出。
进一步，在所述S2中，获取所述摩擦转矩做功量的具体方法为，
采用矢量控制方法控制所述电机以所述恒定角速度稳速运行时间t，并获取所述电机的负载转矩；
根据所述电机的负载转矩获取所述电机以恒定角速度稳速空载累积运行所述时间t的负载转矩做功量；
其中，所述负载转矩做功量即为所述摩擦转矩做功量。
进一步，所述电机的负载转矩通过所述矢量控制方法实时获取。
进一步，所述S3具体为，
基于所述电机的运动方程，利用所述电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度所花费的时间t，构建所述电机的转动惯量与所述电机的摩擦转矩做功量以及驱动转矩做功量之间的数学模型；
将所述S1中获取的所述驱动转矩做功量以及所述S2中获取的所述摩擦力矩做功量代入所述数学模型中，计算出所述电机的转动惯量。
进一步，所述电机的运动方程为，
Figure BDA0003328100830000032
其中，J为所述电机的转动惯量，ω为电机转子的瞬时角速度，Te为电机转子的瞬时电磁转矩，T1为所述电机的负载转矩；
当所述电机空载运行时，所述电机的负载转矩即为所述电机的摩擦转矩；
所述数学模型具体为
Figure BDA0003328100830000041
其中，ω1为所述第一角速度，ω2为所述第二角速度，Tf为所述电机的摩擦转矩，
Figure BDA0003328100830000042
为摩擦转矩做功量，Ta为所述电机的驱动转矩，
Figure BDA0003328100830000043
为所述驱动转矩做功量。
进一步，所述第一角速度小于所述第二角速度，且所述第一角速度以及所述第二角速度均小于所述电机的额定角速度。
基于上述一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法，本发明还提供一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识系统。
一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识系统，包括以下模块，
加速驱动及数据获取模块，其用于采用矢量控制方法控制电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度，并记录所述电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度所花费的时间t以及获取在所述时间t内的驱动转矩做功量；
匀速驱动及数据获取模块，其用于采用矢量控制方法控制所述电机以恒定角速度稳速空载运行，并获取所述电机以恒定角速度稳速空载运行所述时间t的摩擦转矩做功量；其中，所述恒定角速度为所述第一角速度与所述第二角速度的算数平均值；
转动惯量计算模块，其用于基于所述电机的运动方程，根据所述驱动转矩做功量以及所述摩擦转矩做功量，计算出所述电机的转动惯量。
基于上述一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法，本发明还提供一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识装置。
一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述所述的基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法。
本发明的有益效果是：本发明一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法、系统及装置利用矢量控制中转矩电流分量与励磁电流分量解耦，转矩易于控制的特点，使用矢量控制方法分别控制电机以恒定加速度运行以及恒定角速度运行，容易计算出速度矢量控制中转矩，从而辩识出电机的转动惯量；其中，采用矢量控制的方式可实时获取电机空载的负载转矩，不仅避免了在驱动电机空载运行中电磁环境改变导致的摩擦转矩测量的不准确性，而且打破了现有技术中测量转动惯量需要电机带载运行的局限性，根据相同时间内摩擦力转矩做功不变的原理，可得到转动惯量的计算公式；因此，本发明排除了摩擦转矩对转动惯量的影响，电机转动惯量辨识精度高，可大大提高矢量控制的性能。
附图说明
图1为现有技术中电机矢量控制系统结构图；
图2为本发明一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法的流程图；
图3为本发明一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法中电机运行时角速度随时间变化的曲线图；
图4为本发明一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识系统的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图2所示，一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法，包括以下步骤，
S1，采用矢量控制方法控制电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度，并记录所述电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度所花费的时间t以及获取在所述时间t内的驱动转矩做功量；
S2，采用矢量控制方法控制所述电机以恒定角速度稳速空载运行，并获取所述电机以恒定角速度稳速空载累积运行所述时间t的摩擦转矩做功量；其中，所述恒定角速度为所述第一角速度与所述第二角速度的算数平均值；
S3，基于所述电机的运动方程，根据所述驱动转矩做功量以及所述摩擦转矩做功量，计算出所述电机的转动惯量。
在本具体实施例中：所述第一角速度小于所述第二角速度，且所述第一角速度以及所述第二角速度均小于所述电机的额定角速度。
在本具体实施例中：在所述S1中，获取在所述时间t内的驱动转矩做功量的过程为，获取所述电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度的驱动转矩；计算所述驱动转矩在所述时间t内的驱动转矩做功量；其中，所述驱动转矩做功量为∫0 tTa，Ta为所述电机的驱动转矩。
具体的，在所述S1中，所述驱动转矩做功量通过所述矢量控制方法中的速度闭环计算并输出。
在本具体实施例中：在所述S2中，获取所述摩擦转矩做功量的具体方法为，
采用矢量控制方法控制所述电机以所述恒定角速度稳速运行时间t，并获取所述电机的负载转矩；
根据所述电机的负载转矩获取所述电机以恒定角速度稳速空载累积运行所述时间t的负载转矩做功量；
其中，所述负载转矩做功量即为所述摩擦转矩做功量。
当电机带载运行时，负载转矩为带载负载转矩与摩擦转矩的合力矩。当所述电机空载运行时，电机带载为零，亦即带载负载转矩为零，那么此时所述电机的负载转矩即为所述电机的摩擦转矩。因此电机空载运行时，电机的负载转矩等于所述电机的摩擦转矩。
具体的，所述电机的负载转矩通过所述矢量控制方法实时获取。
在本具体实施例中，所述S3具体为，
基于所述电机的运动方程，利用所述电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度所花费的时间t，构建所述电机的转动惯量与所述电机的摩擦转矩做功量以及驱动转矩做功量之间的数学模型；
将所述S1中获取的所述驱动转矩做功量以及所述S2中获取的所述摩擦力矩做功量代入所述数学模型中，计算出所述电机的转动惯量。
具体的，所述电机的运动方程为，
Figure BDA0003328100830000071
其中，J为所述电机的转动惯量，ω为电机转子的瞬时角速度，Te为电机转子的瞬时电磁转矩，T1为所述电机的负载转矩；
当电机带载运行时，负载转矩为带载负载转矩与摩擦转矩的合力矩。当所述电机空载运行时，电机带载为零，亦即带载负载转矩为零，那么此时所述电机的负载转矩即为所述电机的摩擦转矩。因此电机空载运行时，电机的负载转矩等于所述电机的摩擦转矩，此时对所述电机的运动方程在电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度所花费的时间t内进行时间积分，即可得到所述电机的转动惯量与所述电机的摩擦转矩做功量以及驱动转矩做功量之间的数学模型。
所述数学模型具体为
Figure BDA0003328100830000072
其中，ω1为所述第一角速度，ω2为所述第二角速度，Tf为所述电机的摩擦转矩，
Figure BDA0003328100830000073
为摩擦转矩做功量，Ta为所述电机的驱动转矩，
Figure BDA0003328100830000074
为所述驱动转矩做功量。
根据相同时间内摩擦转矩做功不变的原理可以判定：电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度所花费的时间t内摩擦转矩做功量与电机以恒定角速度稳速空载累积运行所述时间t的摩擦转矩做功量相等；因此，可以快速、容易地获取电机摩擦转矩，且可在驱动电机空载运行中电磁环境改变导致的摩擦转矩测量的不准确性。另外，所述恒定角速度为所述第一角速度与所述第二角速度的算数平均值，通过稳速运行于该恒定角速度来获取电机的摩擦转矩均值，可以保证获取的摩擦转矩更加精准。
下面以实例来具体说明本发明的方法：
本发明方法在高性能的矢量控制变频器中得到成功应用。该变频器釆用TMS320C6713芯片作为核心控制CPU,变频器的输出控制电机运行。在该实例中，首先用矢量控制方法参见图3示出的角速度随时间变化的关系，控制电机稳定运行于一定角速度ω1，驱动电机匀加速经时间t至角速度ω2，即可获取驱动转矩；然后驱动电机稳速运行于(ω1+ω2)/2，持续时间t以获取摩擦转矩数值，利用上述数学模型即可计算出电机的转动惯量。
用一台500kW变频器分别带400KW、200KW以及55kW的电机进行了转动惯量辩识试验，并把辩识的结果与电机铭牌参数相比较，试验电机铭牌数据如表1所示，变频器转动惯量辩识的结果如表2所示。
表1试验电机铭牌数据
Figure BDA0003328100830000081
表2变频器转动惯量辩识结果
Figure BDA0003328100830000082
从上表试验数据可以看出，变频器辩识的转动惯量与电机实际转动惯量值相差甚微，误差在3％以内。利用辩识出来的转动惯量,可以用来设计速度调节器的参数，实现自适应控制。
实验表明，本发明提供的转动惯量辩识方法辩识参数精度高，可大大提高矢量控制的性能。
基于上述一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法，本发明还提供一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识系统。
如图4所示，一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识系统，包括以下模块，
加速驱动及数据获取模块，其用于采用矢量控制方法控制电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度，并记录所述电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度所花费的时间t以及获取在所述时间t内的驱动转矩做功量；
匀速驱动及数据获取模块，其用于采用矢量控制方法控制所述电机以恒定角速度稳速空载运行，并获取所述电机以恒定角速度稳速空载运行所述时间t的摩擦转矩做功量；其中，所述恒定角速度为所述第一角速度与所述第二角速度的算数平均值；
转动惯量计算模块，其用于基于所述电机的运动方程，根据所述驱动转矩做功量以及所述摩擦转矩做功量，计算出所述电机的转动惯量。
基于上述一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法，本发明还提供一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识装置。
一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述所述的基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法。
本发明一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法、系统及装置利用矢量控制中转矩电流分量与励磁电流分量解耦，转矩易于控制的特点，使用矢量控制方法分别控制电机以恒定加速度运行以及恒定角速度运行，容易计算出速度矢量控制中转矩，从而辩识出电机的转动惯量；其中，采用矢量控制的方式可实时获取电机空载的负载转矩，不仅避免了在驱动电机空载运行中电磁环境改变导致的摩擦转矩测量的不准确性，而且打破了现有技术中测量转动惯量需要电机带载运行的局限性，根据相同时间内摩擦力转矩做功不变的原理，可得到转动惯量的计算公式；因此，本发明排除了摩擦转矩对转动惯量的影响，电机转动惯量辨识精度高，可大大提高矢量控制的性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1，采用矢量控制方法控制电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度，并记录所述电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度所花费的时间t以及获取在所述时间t内的驱动转矩做功量；
S2，采用矢量控制方法控制所述电机以恒定角速度稳速空载运行，并获取所述电机以恒定角速度稳速空载累积运行所述时间t的摩擦转矩做功量；其中，所述恒定角速度为所述第一角速度与所述第二角速度的算数平均值；
S3，基于所述电机的运动方程，根据所述驱动转矩做功量以及所述摩擦转矩做功量，计算出所述电机的转动惯量。
2.根据权利要求1所述的基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法，其特征在于：在所述S1中，获取在所述时间t内的驱动转矩做功量的过程为，
获取所述电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度的驱动转矩；
计算所述驱动转矩在所述时间t内的驱动转矩做功量；
其中，所述驱动转矩做功量为
Figure FDA0003328100820000011
Ta为所述电机的驱动转矩。
3.根据权利要求1所述的基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法，其特征在于：在所述S1中，所述驱动转矩做功量通过所述矢量控制方法中的速度闭环计算并输出。
4.根据权利要求1所述的基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法，其特征在于：在所述S2中，获取所述摩擦转矩做功量的具体方法为，
采用矢量控制方法控制所述电机以所述恒定角速度稳速运行时间t，并获取所述电机的负载转矩；
根据所述电机的负载转矩获取所述电机以恒定角速度稳速空载累积运行所述时间t的负载转矩做功量；
其中，所述负载转矩做功量即为所述摩擦转矩做功量。
5.根据权利要求4所述的基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法，其特征在于：所述电机的负载转矩通过所述矢量控制方法实时获取。
6.根据权利要求1所述的基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法，其特征在于：所述S3具体为，
基于所述电机的运动方程，利用所述电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度所花费的时间t，构建所述电机的转动惯量与所述电机的摩擦转矩做功量以及驱动转矩做功量之间的数学模型；
将所述S1中获取的所述驱动转矩做功量以及所述S2中获取的所述摩擦力矩做功量代入所述数学模型中，计算出所述电机的转动惯量。
7.根据权利要求6所述的基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法，其特征在于：所述电机的运动方程为，
Figure FDA0003328100820000021
其中，J为所述电机的转动惯量，ω为电机转子的瞬时角速度，Te为电机转子的瞬时电磁转矩，T1为所述电机的负载转矩；
当所述电机空载运行时，所述电机的负载转矩即为所述电机的摩擦转矩；
所述数学模型具体为
Figure FDA0003328100820000022
其中，ω1为所述第一角速度，ω2为所述第二角速度，Tf为所述电机的摩擦转矩，
Figure FDA0003328100820000023
为摩擦转矩做功量，Ta为所述电机的驱动转矩，
Figure FDA0003328100820000024
为所述驱动转矩做功量。
8.根据权利要求1至7任一项所述的基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法，其特征在于：所述第一角速度小于所述第二角速度，且所述第一角速度以及所述第二角速度均小于所述电机的额定角速度。
9.一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识系统，其特征在于：包括以下模块，
加速驱动及数据获取模块，其用于采用矢量控制方法控制电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度，并记录所述电机以恒定的加速度从第一角速度空载运行到第二角速度所花费的时间t以及获取在所述时间t内的驱动转矩做功量；
匀速驱动及数据获取模块，其用于采用矢量控制方法控制所述电机以恒定角速度稳速空载运行，并获取所述电机以恒定角速度稳速空载运行所述时间t的摩擦转矩做功量；其中，所述恒定角速度为所述第一角速度与所述第二角速度的算数平均值；
转动惯量计算模块，其用于基于所述电机的运动方程，根据所述驱动转矩做功量以及所述摩擦转矩做功量，计算出所述电机的转动惯量。
10.一种基于矢量控制的电机转动惯量辩识装置，其特征在于：包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的基于矢量控制的电机转动惯量辩识方法。
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