CN1988371A - 电机的负载惯量估计方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种电机的负载惯量估计方法，即便在电机的齿槽转矩较大或在负载机械系统中出现共振的时候，这种方法也能够估计负载惯量。在加速反馈信号中检测振动。当检测到的振动等于或高于预定水平的时候，用系数α乘以估计惯量增益K_n，其中，系数α为零(0)或大于零但小于一(1)；或者，当检测到的振动低于预定水平的时候，用等于一(1)的系数α乘以估计惯量增益K_n。

Description

电机的负载惯量估计方法

技术领域

本发明涉及一种电机的负载惯量估计方法，更具体地说，涉及一种机器人或机床进给轴用的伺服电机的负载惯量估计方法。

背景技术

图3是传统电机速度控制器的示意图，传统的电机速度控制器使用估计的负载惯量自动调节电机速度。该控制器利用编码器3检测电机M的转动。速度计算器4根据编码器3的输出计算出电机速度。加速度计算器5根据算得的电机速度计算加速度，并输出加速反馈信号。速度控制器1输出转矩指令，从而，从速度计算器4输出的速度反馈信号与速度指令信号之间的差值可能为零(0)。转矩控制器2按照转矩指令驱动电机M。惯量估计器6估计电机M的负载惯量，其接收从加速度计算器5输出的加速反馈信号和从速度控制器1输出的转矩指令信号，并根据这些信号估计负载惯量。然后，惯量估计器6将估计惯量输出至增益调节器7。增益调节器7根据估计惯量将速度控制器1的增益调节至适当值。

图4是传统的惯量估计器的示意图，该惯量估计器被用在图3的速度控制器中。实际上，该估计器是用软件来实现的。在日本的the Institute ofElectrical Engineers期刊中、名为“使用低精度编码器的伺服电机高性能控制-瞬时速度观测器和惯性矩识别”(High Performance Control of ServoMotor Using Low Accuracy Encoder-Instant Speed Observer andIdentification of Moment of Inertia)(vol.114-D，No.4，’94，pp.424-431)的文章中详细描述了在图3中所示的惯量估计器中实现的惯量估计方法。根据该期刊中所述的技术，惯性矩或简称惯量按如下方式识别：根据速度控制器的转矩指令和加速反馈信号、通过递归最小二乘法确定估计惯量增益K_n。根据图4中所示的构造，在已经通过低通滤波器LPF的加速反馈信号的值与已经通过低通滤波器LPF的、之前的加速反馈信号的值之间计算加速反馈差值Δa_n。用加速反馈差值Δa_n乘以之前估计的惯量J_n-1从而获得值Δa_nJ_n-1，从值Δa_nJ_n-1获得转矩反馈差值ΔT_n。接着，在已经通过另一低通滤波器LPF的转矩指令信号的值和已经通过该低通滤波器LPF的、之前的转矩指令信号的值之间计算转矩指令差值ΔT_cn。然后，在转矩反馈差值ΔT_n和转矩指令差值ΔT_cn之间计算误差e_n，其表达为：e_n＝ΔT_cn-ΔT_n。最后，用估计惯量增益K_n乘以误差e_n从而获得值e_nK_n，并且，将值e_nK_n加到之前估计惯量值J_n-1、从而获得估计惯量J_n。在电机被控制的同时，惯量估计在预定的采样间隔内递归实现。估计惯量J_n、从而使误差e_n可以更小。估计惯量增益K_n以K_n＝(P_n-1Δa_n)/(λ+P_n-1Δa_n ²)来计算，这里，P_n是相关系数误差，其表示为P_n＝P_n-1/(λ+P_n-1Δa_n ²)，而λ是遗忘系数或因子。

在自动调节中，根据估计惯量J_n来确定速度控制器1的增益，从而使电机即便在惯量波动时也可以稳定地操作。当除速度控制之外还实施位置控制的时候，可根据估计惯量来确定位置控制器的增益。

当估计惯量增益K_n是通过递归最小二乘法算得的时候，如重力吸引和恒定负载之类的干扰对计算影响较小。根据图4中所示的构造，由于使用转矩指令信号和加速反馈信号中的差值检测误差e_n，故可在加速开始或加速度改变或加速完成的时候、或者在减速开始或完成的时候使用高增益K_n估计惯量。然而，当电机的齿槽转矩(cogging torque)较大、或者在负载机械系统(mechanical system of the load)中引起振动的时候，该振动也可能出现在加速反馈信号中。如果这种振动出现的周期接近于惯量估计器的采样频率，则惯量估计器的估计部分受到该振动的影响，从而将惯量估计成跟在正常情况下应当计算出的值不相同的值。

发明内容

本发明旨在改进上述缺点。因此，本发明的目的在于提供一种电机的负载惯量估计方法，通过所述方法，即便在电机的齿槽转矩较大、或者在负载机械系统中出现共振等情况的时候，也能够估计高度准确的负载惯量值。

在根据本发明所述的电机的负载惯量估计方法中，按如下方式估计惯量：

首先，在已经通过滤波器的加速反馈信号的值与已经通过所述滤波器的、之前的加速反馈信号的值之间计算加速反馈差值Δa_n。用加速反馈差值Δa_n乘以之前估计的惯量J_n-1、从而获得值Δa_nJ_n-1。然后，从值Δa_nJ_n-1获得转矩反馈差值ΔT_n。接着，在已经通过另一滤波器的转矩指令信号的值和已经通过所述另一滤波器的、之前的转矩指令信号的值之间计算转矩指令差值ΔT_cn。在转矩反馈差值ΔT_n和转矩指令差值ΔT_cn之间计算误差e_n。用估计惯量增益K_n乘以误差e_n、从而获得值e_nK_n。然后，通过将值e_nK_n加到之前估计的惯量值J_n-1来获得估计惯量J_n。

可选地，可用已经通过高通滤波器的加速反馈信号的值Δb乘以之前估计的惯量J_n-1从而获得值ΔbJ_n-1；从值ΔbJ_n-1获得转矩反馈差值ΔT_n；并且，可在转矩反馈差值ΔT_n与已经通过高通滤波器的转矩指令信号的值ΔTb之间计算误差e_n。

在本发明中，检测加速反馈信号中的振动。当所述振动等于或高于预定水平的时候，用系数α乘以所述估计惯量增益K_n，其中，系数α为零(0)或大于零但小于一(1)。当所述振动低于预定水平的时候，用等于一(1)的系数α乘以所述估计惯量增益K_n。以这种设置能够检测当电机的齿槽转矩较大或在负载机械系统中出现共振的时候所引起的振动。当检测到的振动等于或高于预定水平时，用系数α乘以所述估计惯量增益K_n，其中所述系数α减小所述估计惯量增益K_n，从而减小振动分量所造成的影响。为了令该影响最小，使用等于零(0)的系数α，并且，估计惯量J_n因此而与之前估计的惯量J_n-1相同。可通过测试来确定应当将在零(0)或大于零但小于一(1)的范围内的哪一个值设给系数α。当所述振动没有那么大的时候，系数α将是一(1)，在这种情况下，以跟传统做法相同的方式来估计惯量。

优选地，可像传统做法那样通过递归最小二乘或固定轨迹法(fixedtrace method)来确定所述估计惯量增益K_n。

按如下方式检测在加速反馈信号中的振动：

首先，加速反馈差值Δa_n的n(n为整数)个采样值被分别变成绝对值，且然后通过n次移动平均(n-time moving-average)滤波器，从而获得第一移动平均值。并且，所述的加速反馈差值Δa_n的n个采样值通过另一个n次移动平均滤波器，从而获得第二移动平均值，然后所述第二移动平均值被变成绝对值。接着，在所述第一移动平均值和所述第二移动平均值的所述绝对值之间计算差值。然后，根据这样得到的差值是否超过阈值来确定加速反馈信号中的振动是否超过预定水平。从而检测到振动的水平。

用于采样时间的值n可根据情况任意确定。优选通过惯量估计器所做的采样来获得n个采样值。一般而言，n可以是2至32之间的整数。

根据本发明，尽管出现在加速反馈信号中的振动等于或高于预定水平，用减小估计惯量增益K_n的系数α乘以估计惯量增益K_n，从而减小对惯量估计的影响，并提高惯量估计的准确性。因此，当电机的齿槽转矩较大的时候，或者当在负载机械系统中出现共振等情况的时候，估计惯量几乎不受振动影响。因此，可以比从前更加稳定地估计惯量。使用这种估计惯量的自动调节装置能够以比从前稳定得多的方式被操作。

附图说明

图1是示意图，图示出惯量估计器的实施例，该惯量估计器实现了根据本发明所述的电机的负载惯量估计方法。

图2是示意图，图示出用于确定系数的系数确定装置的一个例子。

图3是示意图，图示出传统的电机速度控制器，其使用估计负载惯量实现自动调节。

图4是示意图，图示出图3的传统惯量估计器的构造。

图5A至图5I是波形图，图示出在图1的惯量估计器被应用于图3的电机速度控制器、且具有较大齿槽转矩的电机被驱动时的模拟惯量估计。

图6是示意图，图示出惯量估计器的另一个实施例，该惯量估计器实现了根据本发明所述的电机的负载惯量估计方法。

具体实施方式

图1是示意图，图示出惯量估计器的实施例，该惯量估计器实现了根据本发明所述的电机的负载惯量估计方法。在该实施例中，用于计算加速反馈差值的差值计算装置12计算已经通过低通滤波器11的加速反馈信号的值与已经通过低通滤波器11的、之前的加速反馈信号的值(1-Z^-1)之间的加速反馈差值Δa_n。然后，乘法装置14用加速反馈差值Δa_n乘以之前的估计惯量J_n-1从而获得值Δa_nJ_n-1。从值Δa_nJ_n-1获得转矩反馈差值ΔT_n。之前估计的惯量J_n-1存储在增益估计装置13中。

用于计算转矩指令差值的差值计算装置15计算已经通过低通滤波器10的转矩指令信号的值和已经通过低通滤波器10的、之前的转矩指令信号的值之间的转矩指令差值ΔT_cn。减法装置16计算转矩反馈差值ΔT_n和转矩指令差值ΔT_cn之间的误差e_n，其表达为e_n＝ΔT_cn-ΔT_n。乘法装置17用已经乘了系数α的估计惯量增益K_n乘以误差e_n、从而输出值e_nαK_n。增益估计装置18像传统做法那样通过递归最小二乘法确定估计惯量增益K_n，其表示为以下表达式。

K_n＝(P_n-1Δa_n)/(λ+P_n-1Δa_n ²)

这里，P_n是相关系数误差，表示为P_n＝P_n-1/(λ+P_n-1Δa_n ²)，而λ是遗忘系数或因子。

系数确定装置19用系数α乘以估计惯量增益K_n从而输出结果，它具有检测加速反馈信号中的振动的功能。系数确定装置19在振动期间当振动等于或高于预定水平的时候用等于零(0)或大于零但小于一(1)的系数α乘以估计惯量增益K_n，或者，当振动低于预定水平的时候，用等于一(1)的系数α乘以估计惯量增益K_n。

加法装置20通过将从乘法装置17输出的值e_nαK_n加到之前估计的惯量值J_n-1来获得估计惯量J_n。在电机被控制的时候，惯量估计在预定的采样间隔内递归实现。估计惯量J_n从而使得误差e_n可以更小。

图2是示意图，图示出用于系数确定装置19的一个例子。在这个例子中，加速反馈差值Δa_n的n(n为整数)个采样值被绝对化装置26分别变成绝对值。这样获得的绝对值通过n次移动平均滤波器27，从而获得第一移动平均值。这里，加速反馈差值是指已经通过低通滤波器的、之前的加速反馈信号的值和已经通过低通滤波器的加速反馈信号的值之间的差值。在这个例子中，加速反馈差值Δa_n的n个采样值通过另一个n次移动平均滤波器28，从而获得第二移动平均值。然后，第二移动平均值被绝对化装置29变成绝对值。

如图2中所示，减法装置21计算第一移动平均值与第二移动平均值的绝对值之间的差值。比较器22将这样计算出的差值与阈值相比较。根据这样获得的差值是否超过阈值来确定加速反馈信号中的振动是否超过预定水平。如果该差值等于或大于阈值，则上述振动等于或高于预定水平。如果该差值小于阈值，则上述振动低于预定水平。系数计算装置23根据比较器22的输出来确定系数α的值。

具体地说，在上述差值等于或高于阈值时，α＝G1(0＜＝G1＜1)；并且，在上述差值小于阈值时，α＝1。因此振动能够被检测到。当这样的振动被检测到的时候，能够用较小的惯量估计器增益K_n值来估计惯量。因此，能够抑制作用于惯量估计的振动影响。特别是，当电机要停止的时候，如果电机的齿槽转矩较大，则估计惯量很可能受到振动的影响而波动。根据本发明，当电机因齿槽转矩而开始振动时，出现在加速反馈信号中的振动能够被检测到、并且估计惯量增益被减小，从而减轻了影响。当负载机械系统不是刚性的、并正在振动的时候，出现在加速反馈信号中的振动能够被检测到、并且估计惯量增益被减小，从而减轻了影响。

移动平均滤波的平均时间被设定为2至32、以便检测加速反馈信号中的振动，其中，上述加速反馈信号中的振动大到足够可以对惯量估计产生不利的影响。阈值可通过测试来预先确定。一般而言，对阈值采用大约为10rad/sec²的值。图5A至5I图示出在图1的惯量估计器被应用于图3的电机速度控制器、且具有较大齿槽转矩的电机被驱动时的模拟惯量估计。图5A图示出输入电机控制器的差分定位指令。图5B图示出加速反馈信号。由图5B可知，因齿槽转矩(振动分量)而产生的振动在加速开始或减速完成的时候出现。图5C图示出已经通过低通滤波器11的加速反馈信号的值与已经通过低通滤波器11的、之前的加速反馈信号的值(1-Z^-1)之间的加速反馈差值Δa_n。图5C中显著出现的波形为振动分量。图5D图示出取样差值Δa_n的8次移动平均值的绝对值。图5E图示出取样差值Δa_n的8次移动平均值的绝对值。图5F图示出图5D的值与图5E的值之间的差值。图5G图示出通过比较器22与阈值相比较的差值。因此，图5G指示振动间隔，在振动间隔中，振动持续进行。图5H图示出在振动间隔中当估计惯量增益K_n因系数α是零(0)或大于零但小于一(1)而被减小时的估计惯量。为了比较，图5I图示出当系数α像传统做法那样被设为一(1)时的估计惯量。在比较图5H和5I时，可以清楚地看到，根据本发明，估计惯量基本不受到出现在加速反馈信号中的振动的影响。与此对比，根据传统的惯量估计方法，估计惯量受到振动的影响而波动，其中，所述振动是因齿槽转矩而导致的，并在加速开始或减速完成的同时出现在加速反馈信号中。

在本发明的这个实施例中，阈值被用来确定振动有多大。可根据振动有多大来计算系数α。

如图6中所示，可不使用低通滤波器10和11，而是通过使用高通滤波器24和25来处理加速反馈信号和转矩指令信号、以获得值Δb和ΔTb，从而计算误差e_n，其中，值Δb和ΔTb对应于图1中所示的差值Δa_n和ΔT_cn。在这种情况下，在获得误差之后的处理跟图1中所示的处理相同，并将该描述略去。

此外，本发明并不仅限于这些实施例，而是可以在不脱离本发明范围的情况下作出多种变化和修改。

Claims (6)

1.一种电机的负载惯量估计方法，包括步骤：

计算已经通过滤波器的加速反馈信号的值与已经通过所述滤波器的、之前的加速反馈信号的值之间的加速反馈差值Δa_n，

用加速反馈差值Δa_n乘以之前估计的惯量J_n-1从而获得值Δa_nJ_n-1，

从值Δa_nJ_n-1获得转矩反馈差值ΔT_n，

计算已经通过另一滤波器的转矩指令信号的值和已经通过所述另一滤波器的、之前的转矩指令信号的值之间的转矩指令差值ΔT_cn，

计算转矩反馈差值ΔT_n和转矩指令差值ΔT_cn之间的误差e_n，

用估计惯量增益K_n乘以误差e_n，从而获得值e_nK_n，以及

通过将值e_nK_n加到之前估计的惯量值J_n-1来获得估计惯量J_n，

其中，当加速反馈信号中的振动等于或高于预定水平的时候，用系数α乘以所述估计惯量增益K_n，其中，系数α为零(0)或大于零但小于一(1)；或者，当加速反馈信号中的振动低于预定水平的时候，用等于一(1)的系数α乘以所述估计惯量增益K_n。

2.如权利要求1所述的电机的负载惯量估计方法，其中，通过递归最小二乘或固定轨迹法来确定所述估计惯量增益K_n。

3.如权利要求1所述的电机的负载惯量估计方法，其中，加速反馈差值Δa_n的n(n为整数)个采样值被分别变成绝对值，且然后通过n次移动平均滤波器，从而获得第一移动平均值；所述加速反馈差值Δa_n的n个采样值通过另一个n次移动平均滤波器，从而获得第二移动平均值；并且，然后所述第二移动平均值被变成绝对值；在所述第一移动平均值和所述第二移动平均值的所述绝对值之间计算差值；并且，根据这样得到的差值是否超过阈值来确定加速反馈信号中的振动是否超过所述预定水平。

4.如权利要求3所述的电机的负载惯量估计方法，其中，n是2至32之间的整数。

5.一种电机的负载惯量估计方法，包括步骤：

用已经通过高通滤波器的加速反馈信号的值Δb乘以之前估计的惯量J_n-1从而获得值ΔbJ_n-1，

从值ΔbJ_n-1获得转矩反馈差值ΔT_n，

计算转矩反馈差值ΔT_n与已经通过另一高通滤波器的转矩指令信号的值ΔTb之间的误差e_n，

用估计惯量增益K_n乘以误差e_n，从而获得值e_nK_n，以及

通过将值e_nK_n加到之前估计的惯量值J_n-1来获得估计惯量J_n，

其中，当加速反馈信号中的振动等于或高于预定水平的时候，用系数α乘以所述估计惯量增益K_n，其中，系数α为零(0)或大于零但小于一(1)；或者，当加速反馈信号中的振动低于预定水平的时候，用等于一(1)的系数α乘以所述估计惯量增益K_n。

6.如权利要求5所述的电机的负载惯量估计方法，其中，通过递归最小二乘或固定轨迹法来确定所述估计惯量增益K_n。

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