CN102539070A - 交流伺服系统的转动惯量辨识方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电机领域，本发明提供了一种交流伺服系统的转动惯量的辨识方法及系统，该方法包括：在交流伺服系统的第一变速阶段中，获取第一变速阶段的时间、速度变化值和平均转矩，得到第一变速阶段运动方程；在交流伺服系统的第二变速阶段中，获取第二变速阶段的时间、速度变化值和平均转矩，得到第二变速阶段运动方程；根据第一变速阶段运动方程与第二变速阶段运动方程的差值计算得到转动惯量；所述第一变速阶段与所述第二变速阶段的平均速度相同。本发明提供的技术方案具有转动惯量辨识准确，精度高的优点。

Description

交流伺服系统的转动惯量辨识方法及系统

技术领域

本发明属于电机领域，尤其涉及一种交流伺服系统的转动惯量辨识方法及系统。

背景技术

高性能交流伺服系统是一个高端技术产品，在宇航、军事、机器人以及精密数控机床等方面具有十分重要地位。作为执行机构的交流伺服系统，与其它机电装置相比，具有高精度、稳定性好、快速响应、调速范围宽和低速扭矩大的优点。现有的交流伺服驱动系统近似动态结构图如图1所示，在不同的应用场景，交流伺服系统性能受负载扰动及转动惯量的影响较大，尤其是转动惯量对伺服系统性能影响较大，又由于转动惯量是难以直接测量的物理量，所以转动惯量的辨识精度尤其重要，现有技术提供的交流伺服系统的转动惯量辨识方法具体包括：对伺服系统进行加减速运动，得到此段时间内的系统输出转矩和电机平均转速，由系统输出转矩得到伺服系统平均转矩，在根据电机平均转速、伺服系统平均转矩和系统加减速运行的总时间，得到惯量的值。

按照现有技术所提供的技术方案，发现现有技术中存在如下技术问题：

现有技术提供的辨识方法仅考虑到了平均转矩、平均转速和加减速运行的总时间，根据转动惯量的计算公式可知，在转动惯量计算时还需要考虑系统的粘滞系数，由于现有技术提供的技术方案并没有考虑粘滞系统，所以该方法得到的转动惯量精度低。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种交流伺服系统的转动惯量的辨识方法，旨在解决现有技术由于未考虑系统的粘滞系数而导致的转动惯量精度低的问题。

本发明实施例是这样实现的，本发明提供一种交流伺服系统的转动惯量的辨识方法，所述方法包括：

在交流伺服系统的第一变速阶段中，获取第一变速阶段的时间、速度变化值和平均转矩，得到第一变速阶段运动方程；

在交流伺服系统的第二变速阶段中，获取第二变速阶段的时间、速度变化值和平均转矩，得到第二变速阶段运动方程；

根据第一变速阶段运动方程与第二变速阶段运动方程的差值计算得到转动惯量；所述第一变速阶段与所述第二变速阶段的平均速度相同。

本发明还提供一种交流伺服系统，所述系统包括：

获取单元，用于在交流伺服系统的第一变速阶段中，获取第一变速阶段的时间、速度变化值和平均转矩，得到第一变速阶段运动方程；

所述获取单元还用于在交流伺服系统的第二变速阶段中，获取第二变速阶段的时间、速度变化值和平均转矩，得到第二变速阶段运动方程；

转动惯量识别单元，用于根据第一变速阶段运动方程与第二变速阶段运动方程的差值计算得到转动惯量；所述第一变速阶段与所述第二变速阶段的平均速度相同。

本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明的技术方案的第一变速阶段和第二变速阶段的平均速度相同，所以在根据第一变速阶段运动方程与第二变速阶段运动方程的差值进行转动惯量计算时，可以有效的消除粘滞系数的影响，所以其具有转动惯量辨识准确，精度高的优点。

附图说明

图1是现有技术提供的交流伺服系统近似动态结构图；

图2为本发明提供的一种交流伺服系统的转动惯量的辨识方法的流程图；

图3为本发明提供的交流伺服系统惯量辨识过程电流与转速波形示意图；

图4为本发明提供的转动惯量的识别及参数整定控制框图；

图5为本发明提供的交流伺服系统的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种交流伺服系统的转动惯量的辨识方法，该方法如图2所示，包括如下步骤：

S21、在交流伺服系统的第一变速阶段中，获取第一变速阶段的时间、速度变化值和平均转矩，得到第一变速阶段运动方程；

S22、在交流伺服系统的第二变速阶段中，获取第二变速阶段的时间、速度变化值和平均转矩，得到第二变速阶段运动方程；

S23、根据第一阶段运动方程与第二阶段运动方程的差值计算得到转动惯量。

需要说明的是，上述第一变速阶段与第二变速阶段的平均速度相同。

需要说明的是，第一变速阶段与第二变速阶段的平均速度相同具体可以包括：第一变速阶段和第二变速阶段均为匀变速运动(匀加速或匀减速)，且第一变速阶段的起始速度与第二变速阶段的截止速度相同，第一变速阶段的截止速度与第二变速阶段的起始速度相同。

上述得到变速阶段(以第一阶段为例)运动方程的方法具体可以为，将第一阶段的时间、速度变化值和平均转矩输入运动方程得到第一阶段运动方程。

可选的，上述变速阶段(第一或第二)可以为：加速阶段或减速阶段，具体可以为匀加速阶段或匀减速阶段。

需要说明的是，上述速度变化值的获取方法可以为(以第一变速阶段为例)：测量第一变速阶段中起始时间点对应的起始速度值和第一变速阶段截止时间点的截止速度值，速度变化值＝截止速度值-起始速度值。

需要说明的是，上述获取平均转矩的方法可以为：获取变速阶段(第一或第二)的转矩电流，根据该转矩电流计算得到转矩累积，平均转矩＝转矩累积/变速阶段时间；另外，需要说明的是，转矩累积＝转矩电流*伺服系统电机转矩系数(已知常数)。当然获取平均转矩的方法还可以为现有技术中的其它方法。

需要说明的是，上述速度可以为角速度。

需要说明的是，上述方法可以多次重复上述S21-S23得到多个转动惯量，然后取多个转动惯量的平均值以提高转动惯量的准确率。

交流伺服系统惯量辨识过程电流与转速波形示意图如图3所示。

下面通过本发明的工作原理来说明本发明所达到的技术效果。

根据运动方程可以知道，转动惯量J由速度变化值Δω、时间Δt、粘滞系数B、平均速度

负载转矩T_L和平均转矩T_e决定；其中T_e、Δω、Δt可以测量或计算得到(具体方法参见上述描述)，此时我们只需消除B和T_L即可；在转动惯量的辨识中，负载通常是恒定的，所以T_L也恒定，所以通过第一阶段运动方程与第二阶段运动方程的差值可以消除B和T_L，理由为，在转动惯量的辨识中，负载通常是恒定的，所以第一阶段的T_L第二阶段的T_L相同，所以上述差值可以有效的消除负载转矩对转动惯量的影响，又有上述第一变速阶段与第二变速阶段的平均速度相同，则

和

也相同，所以该差值也可以很好的消除粘滞系数B的影响。所以上述方法在转动惯量辨识中，可以有效的消除粘滞系数和负载转矩的影响，具有转动惯量更准确，精度高的优点。

下面通过一个实际的例子来说明转动惯量的计算方法，该转动惯量的识别及参数整定控制框图如图4所示。

为了方便说明，这里将交流伺服系统启动后，将交流伺服系统的阶段定义为4个阶段，分别对应STEP1、STEP2、STEP3、STEP4；

需要说明的是，为了便于平均速度的控制，这里定义STEP1、STEP2、STEP3、STEP4均为匀加速或匀减速，定义STEP1的起始速度为ω_n/4，截止速度为ω_n/2；定义STEP2的起始速度为ω_n/2，截止速度为ω_n/4；定义STEP3的起始速度为-ω_n/4，截止速度为-ω_n/2；定义STEP4的起始速度为-ω_n/2，截止速度为-ω_n/4；

STEP1.0：设定Iq_ref＝Iq_set，即T_e_ref＝K_t*Iq_set进入STEP2.1；其中Iq_ref表示力矩电流分量指令，Iq_fbk表示力矩电流分量反馈；ω_n为额定角速度；

STEP1.1：判断速度是否到达ω_n/4，未到达则继续调速直至速度达到ω_n/4，IqSum＝0，开始计时(t11)，并进入STEP1.2；

STEP1.2：转矩电流IqSum′＝IqSum+Iq_fbk，即转矩累积：T_eSum＝K_t*IqSum′；判断速度是否到达ω_n/2，未到达则继续调速直至速度达到ω_n/2，结束计时(t12)，获得在整个加速过程所用的时间T1(t12-t11)以及所施加平均转矩T_e1＝T_eSum/T1；

需要说明的是，上述IqSum′表示当前的转矩电流，IqSum表示IqSum′的前一时刻的转矩电流；其中IqSum′的具体计算方法可以为，假设从ω_n/4到ω_n/2需要进行1000次调速，则IqSum₁＝IqSum₀+Iq_fbk、IqSum₂＝IqSum₁+Iq_fbk......IqSum₁₀₀₀＝IqSum₉₉₉+Iq_fbk；IqSum₁₀₀₀即为IqSum′。

STEP2.0：设定Iq_ref＝-Iq_set，即T_e_ref＝-K_t*Iq_set进入STEP2.1；

STEP2.1：判断速度是否到达ω_n/2，未到达则下次调度继续执行STEP3.1，速度到达ω_n/2，IqSum＝0则开始计时(t21)，并进入STEP2.2；

STEP2.2：转矩电流IqSum′₂＝IqSum₂+Iq_fbk，即转矩累积T_eSum₂＝K_t*IqSum′₂；判断速度是否到达ω_n/4，未到达则继续调速直至速度达到ω_n/4时结束计时(t22)，获得在整个减速过程所用的时间T2(t22-t21)以及所施加平均转矩T_e2＝T_eSum₂/T2；并进入STEP3.1；

STEP3.1：判断速度是否到达，-ω_n/4未到达则继续调速直至达到-ω_n/4，速度达到且IqSum₃＝0，开始计时(t31)，并进入STEP3.2；

STEP3.2转矩电流IqSum′₃＝IqSum₃+Iq_fbk，即转矩累积：T_eSum₃＝K_t*IqSum′₃；判断速度是否到达-ω_n/2，未到达则继续调速直至速度达到，结束计时(t32)，获得在整个加速过程所用的时间T3(t32-t31)以及所施加平均转矩T_e3＝T_eSum₃/T3；

STEP4.0：设定Iq_ref＝-Iq_set，进入STEP4.1；

STEP4.1：判断速度是否到达-ω_n/2，未到达则下次调度继续调速直至速度到达-ω_n/2，开始计时(t41)，并进入STEP4.2；

STEP4.2：转矩电流IqSum′₄＝IqSum₄+Iq_fbk，即转矩累积：T_eSum₄＝K_t*IqSum′₄，判断速度是否到达-ω_n/4，未到达则继续调速直至速度达到-ω_n/4，结束计时(t42)，获得在整个减速速过程所用的时间T4(t42-t41)以及所施加平均转矩T_e4＝T_eSum₄/T4；

根据运动方程：

以及STEP1～STEP4，可获得(1)～(4)

方程：

$\left\{\begin{array}{cc}J\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\Δt}}_1}+B\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_1}+T_L=T_{e1}& \left(1\right)\\ J\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_2}{{\mathrm{\Δt}}_2}+B\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_2}+T_L=T_{e2}& \left(2\right)\\ J\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_3}{{\mathrm{\Δt}}_3}+B\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_3}+T_L=T_{e3}& \left(3\right)\\ J\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_4}{{\mathrm{\Δt}}_4}+B\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_4}+T_L=T_{e4}& \left(4\right)\end{array}\right.$

其中：

T_L为负载转矩(未知量)，

Δω₁＝ω_n/2-ω_n/4＝ω_n/4；Δt₁＝t11-t12＝T1

Δω₂＝ω_n/4-ω_n/2＝-ω_n/4；Δt₂＝t21-t22＝T2

Δω₃＝-ω_n/2+ω_n/4＝-ω_n/4；Δt₃＝t31-t32＝T3

Δω₄＝-ω_n/4+ω_n/2＝ω_n/4；Δt₄＝t41-t42＝T4

由于为整个辨识过程为匀加速或匀减速，T1、T2、T3、T4平均速度为：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_1}={\mathrm{\Δ\ω}}_1/2+{\mathrm{\ω}}_n/4=3{\mathrm{\ω}}_n/8$

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_2}={\mathrm{\Δ\ω}}_2/2+{\mathrm{\ω}}_n/2=3{\mathrm{\ω}}_n/8$

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_3}={\mathrm{\Δ\ω}}_3/2-{\mathrm{\ω}}_n/4=-3{\mathrm{\ω}}_n/8$

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_4}={\mathrm{\Δ\ω}}_4/2-{\mathrm{\ω}}_n/2=-3{\mathrm{\ω}}_n/8$

通过(1)式-(2)式、(3)式-(4)式，剥离负载转矩T_L：

$\left\{\begin{array}{cc}J(\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_1}{{\mathrm{\Δt}}_1}-\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_2}{{\mathrm{\Δt}}_2})+B(\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_1}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_2})=T_{e1}-T_{e2}& \left(5\right)\\ J(\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_3}{{\mathrm{\Δt}}_3}-\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_4}{{\mathrm{\Δt}}_4})+B(\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_3}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_4})=T_{e3}-T_{e4}& \left(6\right)\end{array}\right.$

(5)-(6)式得：

$J(\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_1}{{\mathrm{\Δt}}_1}-\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_2}{{\mathrm{\Δt}}_2}-\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_3}{{\mathrm{\Δt}}_3}+\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_4}{{\mathrm{\Δt}}_4})+B(\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_1}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_2}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_3}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ω}}_4})=T_{e1}-T_{e2}-T_{e3}+T_{e4}---\left(7\right)$

由上述得

因而可完全消除粘滞系数所产生的影响：

$J=(T_{e1}-T_{e2}-T_{e3}+T_{e4})/(\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_1}{{\mathrm{\Δt}}_1}-\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_2}{{\mathrm{\Δt}}_2}-\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_3}{{\mathrm{\Δt}}_3}+\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}_4}{{\mathrm{\Δt}}_4})---\left(8\right);$

所以该方法在辨识转动惯量时，可以完全消除粘滞系数所产生的影响，所以其具有准确性高，精度高的优点。

本发明还提供一种交流伺服系统，该系统如图5所示，具体包括：

获取单元51，用于在交流伺服系统的第一变速阶段中，获取第一变速阶段的时间、速度变化值和平均转矩，得到第一变速阶段运动方程；

获取单元51还用于在交流伺服系统的第二变速阶段中，获取第二变速阶段的时间、速度变化值和平均转矩，得到第二变速阶段运动方程；

转动惯量识别单元52，用于根据第一变速阶段运动方程与第二变速阶段运动方程的差值计算得到转动惯量；所述第一变速阶段与所述第二变速阶段的平均速度相同。

可选的，上述系统还包括：

循环单元53，用于触发获取单元51和转动惯量识别单元52进行循环处理得到多个转动惯量，取多个转动惯量的平均值。

本发明提供的系统通过将第一变速阶段和第二变速阶段的平均速度调整至相同来消除粘滞系数对转动惯量的影响，所以其具有转动惯量辨识更准确，精度高的优点。

值得注意的是，上述系统，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，相应的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

综上所述，本发明提供的技术方案具有转动惯量辨识更准确，精度高的优点。

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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种交流伺服系统的转动惯量的辨识方法，其特征在于，所述方法包括：

在交流伺服系统的第一变速阶段中，获取第一变速阶段的时间、速度变化值和平均转矩，得到第一变速阶段运动方程；

在交流伺服系统的第二变速阶段中，获取第二变速阶段的时间、速度变化值和平均转矩，得到第二变速阶段运动方程；

根据第一变速阶段运动方程与第二变速阶段运动方程的差值计算得到转动惯量；所述第一变速阶段与所述第二变速阶段的平均速度相同。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变速阶段包括：匀加速或匀减速阶段。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一变速阶段与所述第二变速阶段的平均速度相同具体包括：

所述第一变速阶段为匀变速阶段，所述第二变速阶段为匀变速阶段；所述第一阶段的起始速度与所述第二阶段的截止速度相同，所述第二阶段的起始速度与所述第一阶段的截止速度相同。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取平均转矩的方法具体为：

获取变速阶段的转矩电流，根据该转矩电流计算得到转矩累积，平均转矩＝转矩累积/变速阶段时间。

5.一种交流伺服系统，其特征在于，所述系统包括：

获取单元，用于在交流伺服系统的第一变速阶段中，获取第一变速阶段的时间、速度变化值和平均转矩，得到第一变速阶段运动方程；

所述获取单元还用于在交流伺服系统的第二变速阶段中，获取第二变速阶段的时间、速度变化值和平均转矩，得到第二变速阶段运动方程；

转动惯量识别单元，用于根据第一变速阶段运动方程与第二变速阶段运动方程的差值计算得到转动惯量；所述第一变速阶段与所述第二变速阶段的平均速度相同。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述变速阶段包括：匀加速或匀减速阶段。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一变速阶段与所述第二变速阶段的平均速度相同具体包括：

所述第一变速阶段为匀变速阶段，所述第二变速阶段为匀变速阶段；所述第一阶段的起始速度与所述第二阶段的截止速度相同，所述第二阶段的起始速度与所述第一阶段的截止速度相同。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

循环单元，用于触发所述获取单元和转动惯量识别单元进行循环处理得到多个转动惯量，取多个转动惯量的平均值。

Images