CN117452830A - 一种转矩实时补偿的电惯量模拟控制方法及模拟控制器 - Google Patents

Abstract

本申请公开的一种转矩实时补偿的电惯量模拟控制方法及模拟控制器，电惯量控制器整体结构包括底座、上盖和内部有信号处理及电机扭矩计算单元的电路板部分。本申请根据传入的转速脉冲及转矩模拟量信号，即可实现惯量模拟功能的自动启停，降低了改造成本。本发明通过量化系统阻力造成的惯量损失进行转矩补偿，提高了惯量模拟精度。此控制器还具有独立计算的能力，可以利用输入的转速、制动力矩、目标惯量值信号，计算使转动系统快速准确达到目标惯量所需要的电机扭矩；不受试验台固有阻力影响，因为算法将对系统阻力做功造成的惯量损失进行实时补偿。

Description

一种转矩实时补偿的电惯量模拟控制方法及模拟控制器

技术领域

本发明属于惯量模拟试验系统技术领域，具体为基于系统阻力量化模型进行转矩实时补偿的电惯量模拟控制方法及模拟控制器。

背景技术

电惯量模拟技术是在机械惯量制动试验台上，利用电惯量控制算法，控制电机的转速或转矩，使转动系统具有和目标惯量相同的制动速度变化效果，以增大或减小系统转动惯量。依靠电惯量模拟可以弥补机械惯量试验台增减惯量盘带来的惯量级差，节省制造成本，属于1:1制动试验台架的关键核心技术。目前的技术瓶颈在于惯量模拟精度难以提高，主要受转动系统阻力因素影响出现平均模拟惯量偏差。制动试验台的转动系统由于轴承装配误差、制动盘转轴及电机转轴的同心度、材料刚度等原因，存在着系统性的摩擦阻力影响转动系统的动力学状态，惯量模拟精度因而受到限制，尤其是对于列车制动试验台来讲，制动时间长、惯性载荷大，系统阻力造成的惯量模拟误差就更大。用于列车制动试验台的电惯量控制算法未建立对系统阻力的实时补偿模型，故电惯量模拟精度难以提高。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于系统固有摩擦阻力量化模型进行转矩实时补偿的电惯量模拟方法及模拟控制器，通过对算法的改进，可使制动试验台惯量模拟精度大大提升，并设计了惯量模拟控制器，用于机械惯量制动试验台进行电惯量功能的升级改造。

本申请提出一种转矩实时补偿的电惯量模拟控制方法包括以下步骤：

电机在制动过程中需要向系统输出能量，来补偿转动系统阻力损耗的惯量部分承载的系统动能，从而模拟转动系统总惯量/>的能量状态；由于电机扭矩、制动力矩、阻力矩的作用对象转速相同，转动系统总惯量/>可表示为：

，

式中，为系统总惯量，/>为电惯量试验台具有的机械惯量，/>为与电机输出转矩等效的电惯量部分，/>为转动系统阻力损耗的惯量部分；

由于能量守恒，电机需要补偿的能量大小与电机输出转矩等效的电惯量部分承担的转动动能相等，则有：

，

式中，为/>时刻的数据采集点序号，/>为制动角速度，/>为初始制动角速度，/>为时刻的制动角速度，/>为/>时刻电机输出的扭矩，/>为数据采集时间间隔；

在时刻，电机需要输出的扭矩：

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式中，为/>时刻的数据采集点序号，/>为/>时刻前一数据采集点序号，当i=0时刻/>的初始时刻电机输出扭矩初始给定值为0，/>为/>时刻电机输出的扭矩，/>为前一数据采集点电机输出的扭矩，/>为数据采集时间间隔，/>为制动角速度，/>为初始制动角速度，/>为/>时刻的制动角速度，/>为/>时刻前一数据采集点的制动角速度；

上式在制动过程中的任一时刻均需要对转矩进行调节并保持，以保证实时性。

本发明的进一步限定技术方案，前述的转矩实时补偿的电惯量模拟控制方法，当制动闸片与制动盘产生摩擦力矩使系统制动，在减速至停机这一过程中，摩擦功是制动力矩在每个数据采集间隔做功的累积，即制动力矩对角速度的积分，可以推导出制动闸片与制动盘产生摩擦力矩所做的功/>计算得出：

，

式中，是制动闸片与制动盘产生摩擦力矩所做的功，/>为/>时刻制动力矩，/>为/>时刻的制动角速度，/>为数据采集时间间隔；

将摩擦力矩做功等效为转动系统减小的动能，则该减小的动能等效惯量用表示为：

，

式中，为将摩擦力矩做功等效为转动系统减小的动能，折算得到的惯量；

针对转动系统构建转动动力学状态方程，由每个数据采集点时刻制动力矩及转动角速度，计算转动系统整体的转动惯量效果，用瞬时模拟惯量/>来表征：

，

式中，为/>时刻前一数据采集点序号，/>为/>时刻后一数据采集点序号，为/>时刻前一数据采集点制动闸片与制动盘的摩擦力矩，/>为/>时刻后一数据采集点制动闸片与制动盘的制动力矩，/>为/>时刻前一数据采集点的制动角速度，为/>时刻后一数据采集点的制动角速度，/>为/>时刻前一数据采集点的制动时间，/>为/>时刻后一数据采集点的制动时间；

瞬时模拟惯量，是制动力矩和系统固有摩擦阻力共同作用的结果，考虑转动系统固有摩擦阻力，若将系统固有摩擦阻力做功等效为转动系统减小的动能，则该转动系统阻力损耗的等效惯量用/>表示为：

；

联立以上各式可得转动系统阻力损耗造成的惯量为：

，

式中，为/>时刻制动力矩，/>为转动系统阻力损耗的惯量部分，/>为数据采集时间间隔，/>为制动角速度，/>为初始制动角速度，/>为/>时刻的制动角速度；

如此，所述电机扭矩的表达式中，转动系统阻力损耗的惯量部分/>即可被量化，从而可对系统阻力造成的惯量损失进行补偿。

电机扭矩由于制动试验台转动系统必定存在机械阻力，使电惯量模拟精度受到限制。而能量补偿法是在转速或转矩控制法的基础上，对系统的阻力做功进行补偿，从而提高惯量模拟精度。对于恒转矩制动，现有方法是将力矩控制法中电动机在整个制动过程中补偿的能量压缩到预先设定的补偿时间内进行补偿，从而提高惯量模拟精度。对于恒压力制动却未有相关研究，由于能量补偿最终仍通过制动力矩来实现电惯量模拟，故而本申请对恒压力制动条件下的能量补偿模型进行了推导，基于能量补偿思想构建了电机扭矩给定方程。

本发明还公开一种转矩实时补偿的电惯量模拟控制器，包括底座、上盖和内部有信号处理及电机扭矩计算单元的电路板，所述电路板上具有接线端子，用以采集转矩和转速信号；所述底座上具有安装位，所述底座的安装位为DIN导轨开槽或在底座上设置的多个螺栓安装孔，通过DIN导轨开槽将底座安装导轨上，通过所述螺栓安装孔采用螺栓进行平面安装固定。所述上盖上具有物理按键输入区域和显示区域。

前述的转矩实时补偿的电惯量模拟控制器，所述上盖具有LED显示器及物理按键，通过LED显示器及物理按键，可设定目标模拟惯量，以及显示瞬时模拟惯量、平均模拟惯量、惯量模拟精度等参数信息。该发明涉及的电惯量控制器可通过按键实现目标惯量数值的设定、惯量修正量设定、控制器采集转矩的校准、控制器采集的转速信号校准等功能。相关功能通过功能按键区进行操作。

进一步的，前述的转矩实时补偿的电惯量模拟控制器，所述接线端子为标准的压接端子并由螺母固定在所述底座上。

与现有技术相比，本申请涉及的电惯量控制器执行电惯量模拟时，控制器根据输入的制动力矩信号及转速数值，计算电机需要输出的转矩，通过转动系统固有摩擦阻力量化模型，对计算的电机输出转矩进行实时补偿，因此本申请方案的模型解决了现有算法进行电惯量模拟时模拟精度不高的问题，解决了现有算法模拟电惯量受转动系统阻力影响而出现平均惯量模拟偏差的问题。

本申请的控制器是独立于系统单独供电并运行的一个硬件设备，只要有特定的信号输入及电源供应，即能自动根据传入的信号实现自动启动和停止惯量模拟功能、并计算电机需要输出的转矩，降低了改造成本，具有使用方便的特点。该方案可使纯机械惯量试验台快速升级成为具备电惯量模拟功能的试验台，不需要重新进行测控软件的开发，升级非常方便。硬件加装方便，不需要更改原有试验台测控系统。键盘及显示屏可使用户可以在控制器上设定目标惯量，以提高控制器的适配性，即做到即插即用，方便试验台主机设备升级成为电惯量试验台。通过量化系统阻力造成的惯量损失并进行转矩补偿，提高了模拟精度。此控制器还具有独立计算的能力，可以利用输入的转速、制动力矩、目标惯量值信号，计算使转动系统快速准确达到目标惯量所需要的电机扭矩；不受试验台系统阻力影响，因为算法将对系统阻力做功造成的惯量损失进行实时补偿。

附图说明

图1 为本实施例制动试验台转动系统原理图。

图2为本实施例电惯量控制器整体结构图。

图3为本实施例接线端子示意图。

图4为本实施例信号传递逻辑图。

图5为本实施例信号逻辑判断图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

针对转动系统进行动力学建模，将系统的摩擦阻力造成的惯量损失部分进行了量化。其次，为了对摩擦阻力损失的惯量进行补偿，构建了考虑系统阻力的转矩实时修正模型，从而得到电机扭矩控制方程，解决了惯量模拟精度受转动系统阻力影响的问题。上述算法依赖转矩及转速信号的输入，故设计了惯量模拟控制器。为了使控制器适用于大多数的制动试验台测控系统，同时在机械惯量至电惯量的升级中，减少软硬件的改造成本，本实施例的设计了可直接接入试验台测控系统的惯量控制器，该控制器仅有转矩及转速两个输入信号接口，为了实现自动开启和关闭惯量模拟功能，设计了电惯量控制自动启停逻辑，使得机械惯量制动试验台无需进行任何的软件重写，以及系统硬件的重新设计，即可实现高精度的电惯量模拟功能。

本实施例以增加系统惯量为例，如图1所示，电机M带动制动试验台的飞轮旋转，此时电机M的扭矩方向与转动方向相同。由于制动试验台转动系统必定存在机械阻力，消耗一部分转动动能，相当于减小了系统的惯量。

现有方法的算法未考虑转动系统阻力做功带来的惯量偏差，为了对这一部分惯量损失进行补偿，本实施例对转动系统固有摩擦阻力造成的惯量损失进行了量化。

首先，当制动闸片与制动盘产生摩擦力矩使系统制动，在减速至停机这一过程中，摩擦功是制动力矩在每个数据采集间隔做功的累积，即制动力矩对角速度的积分，可以推导出制动闸片与制动盘产生摩擦力矩所做的功/>计算得出：

，

式中，是制动闸片与制动盘产生摩擦力矩所做的功，/>为/>时刻制动力矩，/>为/>时刻的制动角速度，/>为数据采集时间间隔；

将摩擦力矩做功等效为转动系统减小的动能，则该减小的动能等效惯量用表示为：

，

式中，为将摩擦力矩做功等效为转动系统减小的动能，折算得到的惯量；

针对转动系统构建转动动力学状态方程，由每个数据采集点时刻制动力矩及转动角速度，计算转动系统整体的转动惯量效果，用瞬时模拟惯量/>来表征：

，

式中，为/>时刻前一数据采集点序号，/>为/>时刻后一数据采集点序号，为/>时刻前一数据采集点制动闸片与制动盘的摩擦力矩，/>为/>时刻后一数据采集点制动闸片与制动盘的制动力矩，/>为/>时刻前一数据采集点的制动角速度，为/>时刻后一数据采集点的制动角速度，/>为/>时刻前一数据采集点的制动时间，/>为/>时刻后一数据采集点的制动时间；

瞬时模拟惯量，是制动力矩和系统固有摩擦阻力共同作用的结果，考虑转动系统固有摩擦阻力，若将系统固有摩擦阻力做功等效为转动系统减小的动能，则该转动系统阻力损耗的等效惯量用/>表示为：

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联立以上各式可得转动系统阻力损耗造成的惯量为：

，

式中，为/>时刻制动力矩，/>为转动系统阻力损耗的惯量部分，/>为数据采集时间间隔，/>为制动角速度，/>为初始制动角速度，/>为/>时刻的制动角速度；

如此，所述电机扭矩的表达式中，转动系统阻力损耗的惯量部分/>即可被量化，从而可对系统阻力造成的惯量损失进行补偿；

电机在制动过程中需要向系统输出能量，来补偿转动系统阻力损耗的惯量部分承载的系统动能，从而模拟转动系统总惯量/>的能量状态；由于电机扭矩、制动力矩、阻力矩的作用对象转速相同，转动系统总惯量/>可表示为：

，

式中，为系统总惯量，/>为电惯量试验台具有的机械惯量，/>为与电机输出转矩等效的电惯量部分，/>为转动系统阻力损耗的惯量部分；

由于能量守恒，电机需要补偿的能量大小与电机输出转矩等效的电惯量部分承担的转动动能相等，则有：

，

式中，为/>时刻的数据采集点序号，/>为制动角速度，/>为初始制动角速度，/>为时刻的制动角速度，/>为/>时刻电机输出的扭矩，/>为数据采集时间间隔；

在时刻，电机需要输出的扭矩：

，

式中，为/>时刻的数据采集点序号，/>为/>时刻前一数据采集点序号，当i=0时刻/>的初始时刻电机输出扭矩初始给定值为0，/>为/>时刻电机输出的扭矩，/>为前一数据采集点电机输出的扭矩，/>为数据采集时间间隔，/>为制动角速度，/>为初始制动角速度，/>为/>时刻的制动角速度，/>为/>时刻前一数据采集点的制动角速度；

上式在制动过程中的任一时刻均需要对转矩进行调节并保持，以保证实时性。

本实施例的电惯量控制器整体结构，如图2所示，分为底座1、上盖2和内部有信号处理及计算单元的电路板部分组成；底座部分具有DIN导轨开槽3，可安装于3.5毫米导轨上；也具有螺丝孔4，可用于平面固定安装。上盖部分具有LED显示器5及物理按键6，LED显示器可显示瞬时模拟惯量、平均模拟惯量、惯量模拟精度等参数信息。可通过物理按键实现目标惯量数值的设定、惯量修正量设定、控制器采集转矩的校准、控制器采集的转速信号校准等功能，相关功能通过功能按键区进行操作。

本实施例的按键区包含0~9、小数点、确认键12个数字输入按键，调整光标位置的上下左右按键，以及“菜单”键、“返回”键、“清除”键、“选择/确认”键组成的功能按键。LED显示器用于实时显示当前转矩、转速、瞬时模拟惯量、目标模拟惯量、惯量模拟精度等信息。本实施例涉及的电惯量控制器电路板具有若干接线端子7，由螺母固定在控制器底座部分，输入输出接线端子为标准的压接端子，如图3所示，其信号输入输出端子功能包括1：电源正极；2：电源负极；3：制动力矩模拟量输入+；4：转速脉冲信号输入+；5：电机扭矩模拟量输出+；6：GND参考零点；7：备用端子。电机扭矩按照上述端子定义连接电源、制动力矩、转速、电机扭矩后，可实现如下的信号传递逻辑。

本实施例电惯量控制器的工作流程如图4所示，首先由用户利用面板按键输入目标惯量并确认，此时，控制器根据制动阶段内信号的特异性判断是否应该进行电机扭矩输出：当制动力矩不为零，且转速也不为零时，开启电机扭矩输出功能，进行惯量模拟。电惯量控制器根据测得的转矩及转速，计算得到摩擦阻力造成的惯量损失，按照本文设计的控制器算法，得到电机应输出的转矩大小，并输出电机扭矩模拟量信号。

本实施例电惯量控制器应用的制动试验台，其一次完整的制动试验进程如图5所示，仅有t=3至t=4阶段内，制动力矩不为零且转速不为零，属于制动阶段，控制器可根据转速及制动力矩判断是否需要计算并输出额外的电机扭矩用于电惯量模拟，从而实现电惯量模拟功能的自动启停。

电惯量控制器在电机扭矩非零的状态下，将持续进行转速脉冲信号的采集，并持续计算转速信号，解决电惯量模拟初始时刻惯量偏差受到转速信号突变的影响造成电机扭矩超调。

本实施例方案是按照以下逻辑规则进行的。利用惯量实时修正模型，根据控制器输入的制动力矩信号及转速数值，计算转动系统阻力造成的惯量损失部分，并通过调整电机扭矩进行惯量补偿，实现高精度的电惯量模拟。这一模型解决了现有算法仅根据单一变量进行电惯量模拟而精度不高的问题。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种转矩实时补偿的电惯量模拟控制方法，其特征在于包括以下步骤：

当制动闸片与制动盘产生摩擦力矩使系统制动，在减速至停机这一过程中，摩擦功是制动力矩在每个数据采集间隔做功的累积，即制动力矩对角速度的积分，可以推导出制动闸片与制动盘产生摩擦力矩所做的功/>计算得出：

，

式中，是制动闸片与制动盘产生摩擦力矩所做的功，/>为/>时刻制动力矩，/>为/>时刻的制动角速度，/>为数据采集时间间隔；

将摩擦力矩做功等效为转动系统减小的动能，则该减小的动能等效惯量用表示为：

，

式中，为将摩擦力矩做功等效为转动系统减小的动能，折算得到的惯量；

针对转动系统构建转动动力学状态方程，由每个数据采集点时刻制动力矩及转动角速度，计算转动系统整体的转动惯量效果，用瞬时模拟惯量/>来表征：

，

式中，为/>时刻前一数据采集点序号，/>为/>时刻后一数据采集点序号，/>为/>时刻前一数据采集点制动闸片与制动盘的摩擦力矩，/>为/>时刻后一数据采集点制动闸片与制动盘的制动力矩，/>为/>时刻前一数据采集点的制动角速度，/>为时刻后一数据采集点的制动角速度，/>为/>时刻前一数据采集点的制动时间，/>为/>时刻后一数据采集点的制动时间；

瞬时模拟惯量，是制动力矩和系统固有摩擦阻力共同作用的结果，考虑转动系统固有摩擦阻力，若将系统固有摩擦阻力做功等效为转动系统减小的动能，则该转动系统阻力损耗的等效惯量用/>表示为：

；

联立以上各式可得转动系统阻力损耗造成的惯量为：

，

式中，为/>时刻制动力矩，/>为转动系统阻力损耗的惯量部分，/>为数据采集时间间隔，/>为制动角速度，/>为初始制动角速度，/>为/>时刻的制动角速度；

如此，所述电机扭矩的表达式中，转动系统阻力损耗的惯量部分/>即可被量化，从而可对系统阻力造成的惯量损失进行补偿；

电机在制动过程中需要向系统输出能量，来补偿转动系统阻力损耗的惯量部分承载的系统动能，从而模拟转动系统总惯量/>的能量状态；由于电机扭矩、制动力矩、阻力矩的作用对象转速相同，转动系统总惯量/>可表示为：

，

式中，为系统总惯量，/>为电惯量试验台具有的机械惯量，/>为与电机输出转矩等效的电惯量部分，/>为转动系统阻力损耗的惯量部分；

由于能量守恒，电机需要补偿的能量大小与电机输出转矩等效的电惯量部分承担的转动动能相等，则有：

，

式中，为/>时刻的数据采集点序号，/>为制动角速度，/>为初始制动角速度，/>为/>时刻的制动角速度，/>为/>时刻电机输出的扭矩，/>为数据采集时间间隔；

在时刻，电机需要输出的扭矩：

，

式中，为/>时刻的数据采集点序号，/>为/>时刻前一数据采集点序号，当i=0时刻的初始时刻电机输出扭矩初始给定值为0，/>为/>时刻电机输出的扭矩，/>为/>前一数据采集点电机输出的扭矩，/>为数据采集时间间隔，/>为制动角速度，/>为初始制动角速度，/>为/>时刻的制动角速度，/>为/>时刻前一数据采集点的制动角速度；

上式在制动过程中的任一时刻均需要对转矩进行调节并保持，以保证实时性。

2.一种实施如权利要求1转矩实时补偿的电惯量模拟控制方法的电惯量模拟控制器，其特征在于：包括底座、上盖和内部有信号处理及电机扭矩计算单元的电路板，所述电路板上具有接线端子，用以采集惯量模拟控制器的转矩和转速信号；所述底座上具有安装位，所述上盖上具有输入区域和显示区域，用以对惯量模拟控制器输入参数和显示结果。

3.根据权利要求2所述的电惯量模拟控制器，其特征在于：所述上盖具有LED显示器及物理按键。

4.根据权利要求2所述的电惯量模拟控制器，其特征在于：所述底座的安装位为DIN导轨开槽或在底座上设置的多个螺栓安装孔。

5.根据权利要求4所述的电惯量模拟控制器，其特征在于：通过DIN导轨开槽将底座安装导轨上，通过所述螺栓安装孔采用螺栓进行平面安装固定。

6.根据权利要求2所述的电惯量模拟控制器，其特征在于：所述接线端子为标准的压接端子并由螺母固定在所述底座上。