专利名称：交流伺服系统的转动惯量辨识方法
技术领域：
本发明说与交流伺服系统的运动控制，具体为一种交流伺服系统的惯量辨识方法。
背景技术：
随着现代化工业的不断发展，交流伺服控制系统的应用越来越广泛，而高性能的全 数字化伺服控制系统是当代交流伺服控制系统发展的趋势，这种系统被广泛应用在高精 度数控机床、机器人、特种加工装备和精细进给系统中，因此对其性能的要求也越来越 高，尤其是在军用领域和机器人系统中，要求伺服控制系统具有高速度、高精度、高可 靠性及高抗干扰能力。由于集高速运算能力和面向电机的高效控制能力于一体的数字信 号处理芯片DSP的应用，基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统逐歩成为交流伺服控 制系统的主流。交流伺服系统的工作性能受电机参数及负载扰动的影响很大，尤其是转 动惯量，转动惯量的增加将导致系统动态响应变慢，会对系统的机械特性造成明显的影 响，因此控制系统有必要对其转动惯量进行辨识，并采取相应的措施对系统进行有效的 控制，但是一个物体的转动惯量，是个很难直接测量的非电物理量。交流伺服系统的转动惯量包括负载惯量与电机的转子惯量，由于电机的转动惯量和负载转矩在同一个机械运动方程中，即电机的运动方程其中Tm:电机力矩；TY:负载转矩；J:系统转动惯量；"m:电机角速度 而负载转矩与转动惯量一样，也是个很难直接测量的非电物理量，有待辨识，且电机的 转动惯量只与电机的运动方程有关，因此，在负载转矩不知道的情况下，在线辨识系统 转动惯量比较困难。发明内容本发明要解决的技术问题是交流伺服控制系统需要辨识系统的转动惯量，而系统 转动惯量是一个无法直接测量的非电物理量，在线辨识比较困难。本发明的技术方案是交流伺服系统的转动惯量辨识方法，将负载惯量与电机的转 子惯量看做一个整体惯量，伺服系统进行加减速运动，得出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，再根据电机平均转速、伺服 系统平均转矩和系统加减速运行的总时间，得到所述整体惯量的值，即辨识出交流伺服 系统的转动惯量。在大多数场合中，负载惯量值是电机转子自身转动惯量的几倍至十几倍，甚至几十 倍，而永磁同步电机PMSM有良好的转矩性能和动态响应，其动态响应主要受负载惯量的 影响，因此在辨识系统转动惯量时，可将负载惯量与电机的转子惯量看做一个整体惯量， 通过系统输出转矩和加减速时间的关系，得到这个整体惯量的值，实现转动惯量的辨识， 然后根据此惯量数值对伺服系统参数进行相应调整，从而达到最优的控制。本发明具体实现步骤为1) 系统伺服使能，设定加、减速过程时间，力n、减速两个时间相等；2) 设定电机加速的最高速度及电机加速过程中的最高速度；3) 设定加减速循环次数；4) 开始进行系统惯量辨识，电机以一次加速时间常数进行加速运行，设定的加速时间后 到达设定的最高速度；5) 以一次减速时间常数进行减速运行，设定时间到达后电机速度减为0转/分；6) 在加。减运行过程中，每隔设定时间的单位时间进行一次输出电流的检测，并且把此 电流存储到电流寄存器中；7) 判断加减速运动次数，如果循环没有达到设定的次数，则进入流程4)，如果循环次 数达到，则进入流程8);8) 根据电流寄存器的数据得到在设定的循环运行时间内，驱动器输出到电机的总电流；9) 根据驱动器输出总电流与转矩的关系得到系统输出转矩系统输出转矩二输出电流X力矩系数力矩系数可由査表得出；10) 根据流程9)得到的系统输出转矩和系统运行总时间，得到伺服系统平均转矩；11) 根据设定的加速时间和速度，得到系统运行过程中的平均转速；12) 将负载惯量与电机的转子惯量看做一个整体惯量，根据电机平均转速、伺服系统平 均转矩和系统进行加减速运动的时间，得到整体惯量的值，即辨识出交流伺服系统的转 动惯量(J +JL) = ^I^t (单位Kg.m2)式中Nm:电机平均转速(r/min) JM:电机的转子惯量(Kg* / 2)负载惯量((Kg* m2)) Tm:伺服系统平均转矩(N'm) t:系统加减速运行的总时间(s)最后根据检测出的惯量，交流伺服控制系统自动或手动进行伺服驱动器参数的调整。本发明不需要单独辨识负载惯量或负载转矩来辨识系统转动惯量，而是将负载惯量 与电机转动惯量看作一个量，结合系统的输出转矩，实现系统转动惯量的辨识，此方法 实现简单，使用方便，辨识出的惯量精确度较高，该方法可以用于永磁同歩伺服电机的 伺服系统惯量检测。
图1是本发明方法在基于DSP的交流伺服控制系统中的实现框图。 图2是本发明方法辨识的转动惯量值与实际转动惯量值的比较图。
具体实施方式
本发明将负载惯量与电机的转子惯量看做一个整体惯量，在交流伺服系统运行过程 中，只有电机的转速发生变化时，对转动惯量的辨识才是有意义的，因此对伺服系统进 行加减速运动，得出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，再根据电机平均转速、伺服系统平均转矩和系统加减速运行的总时 间，得到所述整体惯量的值，辨识交流伺服系统的转动惯量。下面结合具体实施例说明本发明方法。图1为本发明方法在基于DSP的交流伺服控 制系统中的实现框图，其中空间矢量脉宽调制模块SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation)和绝缘三双极型功率管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), 都 用于电压调制，驱动电机；电机为永磁同步电机PMSM;速度控制器控制伺服系统做加减 速运动；电流控制器控制系统电流;abc — dq模块和dq-abc模块用于系统内的坐标变换 abc — dq模块把三相旋转坐标系下的数据转换成两相静止坐标系下的数据，dq-abc模块 把两相静止坐标系下的数据转换成三相旋转坐标系下的数据；码盘为系统运行设定的操作模块，并将系统运行参数传送至转速、位置计算模块，得到电机平均转速；惯量辨识 模块根据电机平均转速、系统电流和系统加减速运行的总时间对系统惯量进行辨识，并 将数据反馈给系统，控制系统根据此惯量数值对系统参数进行相应调整，从而达到最优 的控制1) 清除控制系统计数器数值，系统伺服使能；2) 设定加速过程时间为500ms，设定减速过程时间500ms，此两个时间相等；3) 设定电机加速过程的最高速度为1000转/分，电机加速过程中最高速度为1000转/分；4) 设定加减速循环次数为4次；5) 开始进行系统惯量辨识，电机进行500ms加速运行，500ms后到1000转/分；6) 然后进行500ms减速运行，500ms后电机速度减为0转/分；7) 在上述运行过程中，每隔lms进行一次输出电流的检测，并且把此电流存储到电流寄 存器中；8) 判断加减速运动次数，如果循环没有达到4次，则进入流程5)，如果循环次数达到4 次，则进入下一流程；9) 根据电流寄存器的数据，得到在4次循环运行时间内驱动器输出到电机的总电流；10) 根据驱动器输出总电流与电机转矩的关系得到输出转矩系统输出转矩=输出电流x力矩系数力矩系数由査表得出；11) 系统总的运行时间为4X500msX2二4s，根据流程10得到的输出转矩之和，得到在4s 内电机输出的平均转矩；12) 根据设定的时间，得到在系统运行过程中，平均速度为500转/分；13) 将负载惯量与电机的转子惯量看做一个整体惯量，根据电机平均转速、伺服系统平 均转矩和系统进行加减速运动的时间，得到整体惯量的值，即辨识出交流伺服系统 的转动惯量，包括负载惯量和电机转子惯量(JM+JL) = |^tr (单位Kg'附2)式中-Nm:电机平均转速(r/min) JM:电机的转子惯量(Kg' m2) J,:负载惯量((Kg' w2))Tm:伺服系统平均转矩(N'm) tf:系统加减速运行的总时间(s);14)根据辨识出的惯量，确定是否进行伺服驱动器参数的调整。本发明方法可以用于永磁同步电机的伺服系统惯量检测，用一个己知惯量物体作为 负载，如圆盘，其惯量数值可以被算出，然后进行惯量检测，图2是本发明方法辨识的 转动惯量值与实际转动惯量值的比较图，可以看出，本发明方法的辨识精确度较高。
权利要求
1、交流伺服系统的转动惯量辨识方法，其特征是将负载惯量与电机的转子惯量看做一个整体惯量，伺服系统进行加减速运动，得出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，再根据电机平均转速、伺服系统平均转矩和系统加减速运行的总时间，得到所述整体惯量的值，即辨识出交流伺服系统的转动惯量。
2、 根据权利要求1所述的交流伺服系统的转动惯量辨识方法，其特征是具体实现步骤为1) 系统伺服使能，设定加、减速过程时间，力n、减速两个时间相等；2) 设定电机加速的最高速度及电机加速过程中的最高速度；3) 设定加减速循环次数；4) 开始进行系统惯量辨识，电机以一次加速时间常数进行加速运行，设定的加速时间后 到达设定的最高速度；5) 以一次减速时间常数进行减速运行，设定时间到达后电机速度减为0转/分；6) 在加、减运行过程中，每隔设定时间的单位时间进行一次输出电流的检测，并且把此 电流存储到电流寄存器中；7) 判断加减速运动次数，如果循环没有达到设定的次数，则进入流程4)，如果循环次 数达到，则进入流程8);8) 根据电流寄存器的数据得到在设定的循环运行时间内，驱动器输出到电机的总电流；9) 根据驱动器输出总电流与转矩的关系得到系统输出转矩系统输出转矩二输出电流X力矩系数力矩系数可由査表得出；10) 根据流程9)得到的系统输出转矩和系统运行总时间，得到伺服系统平均转矩；11) 根据设定的加速时间和速度，得到系统运行过程中的平均转速；12) 将负载惯量与电机的转子惯量看做一个整体惯量，根据电机平均转速、伺服系统平 均转矩和系统进行加减速运动的时间，得到整体惯量的值，即辨识出交流伺服系统的转 动惯量(<formula>formula see original document page 2</formula>式中-Nm :电机平均转速(r/min) JM:电机的转子惯量(Kg' m2)负载惯量((Kg* m2)) Tm:伺服系统平均转矩(N*m)tj系统加减速运行的总时间(s)。
3、根据权利要求1或2所述的交流伺服系统的转动惯量辨识方法，其特征是应用于永 磁同步电机系统。
全文摘要
交流伺服系统的转动惯量辨识方法，将负载惯量与电机的转子惯量看做一个整体惯量，伺服系统进行加减速运动，得出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，再根据电机平均转速、伺服系统平均转矩和系统加减速运行的总时间，得到所述整体惯量的值，即辨识出交流伺服系统的转动惯量。本发明不需要单独辨识负载惯量或负载转矩来辨识系统转动惯量，而是将负载惯量与电机转动惯量看作一个量，结合系统的输出转矩，实现系统转动惯量的辨识，此方法实现简单，使用方便，辨识出的惯量精确度较高，该方法可以用于永磁同步伺服电机的伺服系统惯量检测。
文档编号G01M1/10GK101231207SQ20081001878
公开日2008年7月30日 申请日期2008年1月24日 优先权日2008年1月24日
发明者健 易, 王晓伟 申请人:南京埃斯顿自动控制技术有限公司