專利名稱：交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種交流永磁同步電機伺服系統，特別涉及一種交流永磁同步電機伺
服系統的轉動慣量辨識器。
背景技術：
在實際生產現場中，交流永磁同步電機伺服系統存在機械和電氣相互配合的問題。當電機所帶的負載轉動慣量變化時，會對系統的伺服特性造成明顯的影響。轉動慣量加大會使系統響應變慢，容易造成系統不穩定，產生爬升現象；轉動慣量減小雖然會使系統動態響應速度加快，但會使速度出現超調甚至震蕩現象。為達到伺服系統高精度控制的良好動態和靜態特性，需要辨識出轉動慣量值及其變化量，再據此相應地調整控制器的參數。
申請號為CN200810018783. 0的發明專利"交流伺服系統的轉動慣量辨識方法"提供了一種轉動慣量辨識方法，其采用的技術手段為將負載慣量與電機的轉子慣量看作一個整體慣量，伺服系統進行加減速運動，得出此段時間內的系統輸出轉矩和電機平均轉速，由系統輸出轉矩得到伺服系統平均轉矩，再根據電機平均轉速、伺服系統平均轉矩和系統加減速運行的總時間，得到所述整體慣量的值，即辨識出交流伺服系統的轉動慣量。
但是，按照上述這個方法設計的轉動慣量辨識器存在以下兩點不足
A、在辨識過程中交流伺服系統加減速運行時，如果其負載轉矩是無規則實時變化的，也就是說當加速過程的負載轉矩與減速過程的負載轉矩是不對稱時，或者是相差很大時，就會導致辨識結果遠遠偏離真實結果的現象； B、如果系統的轉動慣量在加減速運行時發生變化，上述轉動慣量辨識器是無法辨識出這個轉動慣量變化的，甚至會辨識出 一個錯誤的結果。
發明內容
本發明要解決的技術問題是為了克服現有技術的缺陷，提供一種交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器，其在轉動慣量辨識過程中，在負載轉矩無規則變化條件下，保證轉動慣量辨識的成功完成，并保證較高的辨識精度；而且還可以在轉動慣量辨識過程中，在系統的轉動慣量(即電機與負載的轉動慣量之和)無規則變化的條件下，保證轉動慣量辨識的成功完成，將轉動慣量的變化量辨識出來并加以記錄；另外，本發明使轉動慣量辨識過程所必需的電機行程盡可能的小，以滿足絕大多數的應用場合中機械行程限制的要求。 本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的一種交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器，其特征在于，其包括速度指令生成器、速度控制器、轉矩控制器、轉動慣量計算器、數字低通濾波器、存儲顯示器、電機和負載，速度指令生成器的一路輸出作為速度控制器的輸入，另一路輸出作為轉動慣量計算器的輸入，速度控制器的輸出作為轉矩控制器的輸入，轉矩控制器的輸出作為電機和負載的輸入，轉矩控制器將電磁轉矩的數值傳輸到轉動慣量計算器，轉動慣量計算器的輸出作為數字低通濾波器的輸入，數字低通濾波器的輸出作為存儲顯示器的輸入。 優選地，所述速度指令生成器產生速度指令，所述交流永磁同步電機伺服系統的 轉動慣量辨識器還包括一個轉矩指令生成器，轉矩指令生成器產生轉矩指令。
優選地，所述速度控制器使電機的實際轉速跟隨速度指令。
優選地，所述轉矩控制器使電機的實際轉矩跟隨轉矩指令。 優選地，所述轉動慣量計算器每隔固定周期檢測速度指令和轉矩指令，并計算出 轉動慣量結果。 優選地，所述數字低通濾波器對交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量結果做低 通濾波，并將在不同速度指令的循環中辨識出的不同的轉動慣量結果以序列的形式傳送到 存儲顯示器。 優選地，所述存儲顯示器將辨識出的轉動慣量結果與時間對應起來作為一個序列 存儲起來并顯示。 本發明的積極進步效果在于本發明在轉動慣量辨識過程中的加減速運行時，無 論負載轉矩是恒定的還是無規則變化的，只要負載轉矩變化時間比轉動慣量辨識過程的加 速階段的時間長，也就是說只要負載轉矩變化時間長于20毫秒，本發明都可以成功辨識轉 動慣量，并且可以保證較高的辨識精度，由于工業實際應用中的負載轉矩變化時間普遍長 于20毫秒，于是本發明可以適合絕大多數的工業應用場合，減速階段與加速階段的原理是 相同的。另外，本發明在轉動慣量辨識過程中加速時間非常短暫，如果轉動慣量變化的周期 不快于20毫秒，也就是轉動慣量變化的周期比轉動慣量辨識過程的加速階段的時間長，本 發明就可以辨識出轉動慣量的變化，并且可以辨識出轉動慣量的變化量，而且不會因為轉 動慣量的變化而降低辨識值的精度。
圖1為本發明交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器的結構框圖。 圖2為本發明以正反方向交替旋轉方式進行辨識轉動慣量時的速度指令的示意圖。 圖3為本發明以一個方向旋轉方式進行辨識轉動慣量時的速度指令的示意圖。
具體實施例方式
下面舉個較佳實施例，并結合附圖來更清楚完整地說明本發明。 如圖1所示，本發明交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器包括以下七個
部分速度指令生成器、速度控制器、轉矩控制器、轉動慣量計算器、數字低通濾波器、存儲
顯示器、電機和負載。轉矩環是速度環的內環，速度指令生成器的一路輸出作為速度控制器
的輸入，另一路輸出作為轉動慣量計算器的輸入，速度控制器的輸出作為轉矩控制器的輸
入，轉矩控制器的輸出作為電機和負載的輸入，電磁轉矩克服負載轉矩使電機帶動負載旋
轉，轉矩控制器每隔固定周期(電流環的采樣周期)將電磁轉矩的數值大小傳輸到轉動慣
量計算器，轉動慣量計算器的輸出作為數字低通濾波器的輸入，數字低通濾波器的輸出作
為存儲顯示器的輸入。其中，速度指令生成器、速度控制器、轉矩控制器、電機和負載順序連
接，轉矩控制器、速度指令生成器都還與轉動慣量計算器連接，轉動慣量計算器還與數字低通濾波器連接，數字低通濾波器還與存儲顯示器連接。 在轉動慣量辨識過程中，速度指令生成器首先產生兩段加速度不同的正向斜 坡速度指令，分別稱為第一加速階段和第二加速階段，在第一加速階段時使電機轉速由 Orpm(rad per mi皿te，轉速單位)加速到20rpm，在第二加速階段時使電機由20rpm加速到 60rpm，其中第二加速階段的加速度(也就是速度曲線的斜率)是第一加速階段的加速度的 兩倍(其他倍率也可以，但絕對不能使兩個加速度相同，這個倍率是出廠前設置好的無需 用戶設定，設計兩個不同加速度的加速階段是本發明的一個獨有特點)，第一加速階段和第 二加速階段的時間都是10毫秒(第一加速階段和第二加速階段的時間的一致性是實現本 發明的一個基礎，因為在轉動慣量辨識過程中速度指令是由設計者規定的，用戶是不可以 更改的，所以這點是完全可以保證的)，再產生與第一加速階段和第二加速階段相對稱的第 一減速階段和第二減速階段的速度指令，其實這里加速階段和減速階段的速度指令即使不 對稱對轉動慣量的辨識也沒有影響。最后產生與正向速度指令相對稱的反向速度指令，這 樣就完成一個速度指令的循環。本發明可以根據用戶需要設置1到iooo任意多個速度指 令的循環，一個速度指令的循環就可以完成一個轉動慣量辨識，測量多次的好處在于可以 辨識出轉動慣量的變化量。 速度控制器使整個交流永磁同步電機伺服系統可以實現速度閉環，使電機的實際 轉速可以很好地跟隨速度指令，也就是說使電機的實際轉速與速度指令是一致的。轉矩控 制器使整個交流永磁同步電機伺服系統可以實現閉環，使電機的實際轉矩可以很好地跟隨 轉矩指令，也就是說使電機的實際轉矩與轉矩指令是一致的，交流永磁同步電機伺服系統 的轉動慣量辨識器還包括一個轉矩指令生成器，轉矩指令生成器產生轉矩指令。轉動慣量 計算器每隔固定周期檢測交流永磁同步電機伺服系統的速度指令和轉矩指令，由此計算出
該系統的轉動慣量結果。數字低通濾波器對交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量結果做 低通濾波，濾除掉高頻的干擾和雜波，并將在不同速度指令的循環中辨識出的不同的轉動 慣量結果以序列的形式傳送到存儲顯示器。存儲顯示器將辨識出的轉動慣量結果與時間對 應起來作為一個序列存儲起來并顯示。 根據動量定理，在忽略摩擦粘滯阻力影響的條件下，轉動慣量X角速度變化量 +負載轉矩與時間之積的積分=系統輸出轉矩與時間之積的積分，具體公式表達如公式 (1): </. + f2 rz (o. /必=卩rw (o. ^ 其中J為轉動慣量，A "為角速度變化量，!Y(t)為隨時間變化的負載轉矩，Tm(t) 為隨時間變化的系統輸出轉矩，t2為終止時刻，^為起始時刻，t為實際轉動時間。
以第一加速階段和第二加速階段為例講解轉動慣量辨識方法的理論推導，在減速 階段與加速階段在原理上是相同的，在第一加速階段時應用公式(1)得到公式(2):/. - o) + f & o). w = f rm w (2) 在第二加速階段時應用公式(1)得到公式(3): ■/.(w2 -m) + ^ 7^(0.w =r (o.w (3) 其中，為第一加速度階段的末速度(簡稱"第一轉速")，"2為第二加速度階段的末速度(簡稱"第二轉速")，T為第一加速階段和第二加速階段的指令時間；
將第一加速階段的公式(2)與第二加速階段的公式(3)作差求得轉動慣量J，因為 在實際應用中轉矩的變化一般不會快于20毫秒，也就是說可以近似認為第一加速階段的 / 。TlY(t) tdt項與第二加速階段的/ T2TlY(t) tdt項是相等的，于是得到公式(4):<formula>formula see original document page 6</formula>
本發明的第一加速階段和第二加速階段的加速時間分別都是10毫秒，正是由于 加速時間這么短暫，本發明才可以做到在轉動慣量辨識過程中的加減速運行時，無論負載 轉矩是恒定的還是無規則變化的，只要負載轉矩變化時間比轉動慣量辨識過程的加速階段 的時間長，本發明都可以成功辨識轉動慣量，并且可以保證較高的辨識精度，減速階段與加 速階段的原理是相同的。也正是由于本發明在轉動慣量辨識過程中加速時間非常短暫，如 果轉動慣量變化的周期不快于20毫秒，也就是轉動慣量變化的周期比轉動慣量辨識過程 的加速階段的時間長，本發明就可以辨識出轉動慣量的變化，并且可以辨識出轉動慣量的 變化量，而且不會因為轉動慣量的變化而降低辨識值的精度。 本發明交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器進行辨識的方法包括以下 步驟 Sl、交流永磁同步電機伺服系統產生使能，使能進行轉動慣量辨識功能，用戶設定 轉動慣量辨識持續的時間。 S2、速度指令生成器產生第一加速度為ai的正向的勻加速指令，持續T時間使電 機加速到第一轉速為""此為第一加速階段。在本發明中時間T設置為IO毫秒，設置T為 非常短的時間為辨識出轉動慣量的變化提供了基礎，也就是說如果轉動慣量變化的周期不 快于20毫秒，那么本發明就可以準確的檢測出轉動慣量的變化量，而實際中由于機械系統 的慣性存在，轉動慣量的變化很少會快于20毫秒，所以可以適應絕大多數應用場合，這是 一個很重要的特點。在此階段中轉動慣量計算器檢測系統的輸出轉矩Tm的值，并與時間相 乘后作T時間內的定積分得到/ 。TTm(t) tdt。 S3、當電機加速到第一轉速為"i后，速度指令生成器產生第二加速度為a2的正向 的勻加速指令，^〈^，持續時間T使電機加速到第二轉速為"2，此為第二加速階段。在此 階段中轉動慣量計算器檢測系統的輸出轉矩Tm的值，并與時間相乘后作T時間內的定積分 得到/ T2TTm(t) 'tdt，再將/ T2TTm(t) 'tdt減去/ 。TTm(t) 'tdt的差值除以"2與2"J勺 差值，就得到在這個加速過程進行時的轉動慣量值。 S4、當電機加速到第二轉速為"2后，速度指令生成器產生第三加速度為a3的正向 的勻減速指令，也就是說A = 12，持續時間T使電機減速到第一轉速為"p此為第一減速 階段。在此階段中轉動慣量計算器檢測系統的輸出轉矩Tm的值，并與時間相乘后作T時間 內的定積分得到/ 2T3TTm(t) .tdt。 S5、當電機減速到第一轉速為"i后，速度指令生成器產生第四加速度為a4的正向 的勻減速指令，也就是說a4 = -A，持續時間T使電機減速到轉速為O，此為第二減速階段， 至此為一個正向轉動慣量辨識循環完成。在此階段中轉動慣量計算器檢測系統的輸出轉矩 Tm的值，并與時間相乘后作T時間內的定積分得到/ 3T4TTm(t) tdt，再將/ 3T4TTm(t) tdt減去/ 2T3TTm(t) *tdt的差值除以"2與2c^的差值，就得到在這個減速過程進行時的轉動
慣量值。 S6、當一個正向轉動慣量辨識循環完成后，如果用戶選擇電機是以正反向交替旋 轉方式進行辨識，那么速度指令生成器生成一個與正向循環正好對稱的反向轉動慣量辨識 循環指令，也就是說除了轉動方向相反外，其他都相同，如圖2所示，至此一個轉動慣量辨
識循環完成。 這樣的優勢在于當用戶選擇以正反向交替旋轉方式進行辨識時，電機所需的最 大行程為0.0125轉，也就是說電機軸在一個很小的角度內以一個很快的頻率正反擺動，此 時特別適用于機械結構限制電機無法大角度旋轉的應用場合。如果用戶選擇以一個方向 旋轉方式進行轉動慣量辨識，那么速度指令生成器就繼續生成一個與前面循環完全相同速 度指令循環，如圖3所示，這樣可以在于某些機械應用場合下，隨著電機的旋轉的行程的不
同，機械結構位置關系會發生變化，也就是說系統的轉動慣量會隨著電機行程不同而變化， 這時就不應該選擇電機以正反向交替旋轉方式辨識轉動慣量，而應選擇以一個方向旋轉方 式進行辨識，于是隨著辨識過程的持續，電機行程隨之增加，這樣就可以辨識出電機軸旋轉 在不同行程位置時所對應的不同轉動慣量。但是此時用戶需要注意選擇正確的旋轉行程， 保證不會出現機械超程碰撞情況。這個可以根據用戶使用場合的不同，來選擇在轉動慣量 辨識過程中兩種不同的電機旋轉方式，是本發明特有的功能和優勢。 S7、判斷此時轉動慣量辨識的持續時間是否達到步驟Sl中用戶設定的時間，如果 沒有達到則重復上面從步驟S2到步驟S6的過程，繼續轉動慣量辨識直至達到用戶設定的 時間。 雖然以上描述了本發明的具體實施方式
，但是本領域的技術人員應當理解，這些 僅是舉例說明，在不背離本發明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變 更或修改。因此，本發明的保護范圍由所附權利要求書限定。
權利要求
一種交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器，其特征在于，其包括速度指令生成器、速度控制器、轉矩控制器、轉動慣量計算器、數字低通濾波器、存儲顯示器、電機和負載，速度指令生成器的一路輸出作為速度控制器的輸入，另一路輸出作為轉動慣量計算器的輸入，速度控制器的輸出作為轉矩控制器的輸入，轉矩控制器的輸出作為電機和負載的輸入，轉矩控制器將電磁轉矩的數值傳輸到轉動慣量計算器，轉動慣量計算器的輸出作為數字低通濾波器的輸入，數字低通濾波器的輸出作為存儲顯示器的輸入。
2. 如權利要求1所述的交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器，其特征在于， 所述速度指令生成器產生速度指令，所述交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器還 包括一個轉矩指令生成器，轉矩指令生成器產生轉矩指令。
3. 如權利要求2所述的交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器，其特征在于， 所述速度控制器使電機的實際轉速跟隨速度指令。
4. 如權利要求2所述的交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器，其特征在于， 所述轉矩控制器使電機的實際轉矩跟隨轉矩指令。
5. 如權利要求3或4所述的交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器，其特征在 于，所述轉動慣量計算器每隔固定周期檢測速度指令和轉矩指令，并計算出轉動慣量結果。
6. 如權利要求5所述的交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器，其特征在于， 所述數字低通濾波器對交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量結果做低通濾波，并將在不 同速度指令的循環中辨識出的不同的轉動慣量結果以序列的形式傳送到存儲顯示器。
7. 如權利要求6所述的交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器，其特征在于， 所述存儲顯示器將辨識出的轉動慣量結果與時間對應起來作為一個序列存儲起來并顯示。
全文摘要
本發明公開了一種交流永磁同步電機伺服系統的轉動慣量辨識器，其包括速度指令生成器、速度控制器、轉矩控制器、轉動慣量計算器、數字低通濾波器、存儲顯示器、電機和負載，速度指令生成器的一路輸出作為速度控制器的輸入，另一路輸出作為轉動慣量計算器的輸入，速度控制器的輸出作為轉矩控制器的輸入，轉矩控制器的輸出作為電機和負載的輸入，轉矩控制器將電磁轉矩的數值傳輸到轉動慣量計算器，轉動慣量計算器的輸出作為數字低通濾波器的輸入，數字低通濾波器的輸出作為存儲顯示器的輸入。本發明在轉動慣量辨識過程中，在負載轉矩無規則變化條件下，保證轉動慣量辨識的成功完成，并保證較高的辨識精度，還辨識出轉動慣量變化值，并記錄和顯示。
文檔編號H02P23/14GK101699764SQ20091019551
公開日2010年4月28日 申請日期2009年9月11日 優先權日2009年9月11日
發明者劉偉東, 張揚, 李悅韡, 楊明 申請人:上海新時達電氣股份有限公司;上海辛格林納新時達電機有限公司