一种伺服系统的转动惯量辨识方法及装置与流程
本发明属于伺服电机技术领域，尤其涉及一种伺服系统的转动惯量辨识方法及装置。
背景技术：
随着电力电子技术、电机控制技术的发展和稀土材料的运用，伺服电机和伺服驱动器越来越多的运用到航空航天、数控机床、机器人等高精密控制行业。对于伺服系统来说，伺服系统的转动惯量对于系统具有非常大的影响。伺服系统的转动惯量直接影响系统环路的控制参数，不合适的转动惯量值会对伺服系统造成很大的影响，因此，能够准确地辨识伺服系统的转动惯量对于伺服系统来说意义重大。
目前伺服系统的转动惯量辨识方法主要包括离线转动惯量辨识方法和在线转动惯量辨识方法。其中，在线惯量辨识方法一般使用最小二乘法、自适应方法、卡尔曼滤波方法等算法进行惯量辨识。在线惯量辨识方法往往运算量比较大，而且都是基于模型的辨识方法，在模型等效过程中，往往忽略摩擦的影响，而摩擦对于整个伺服系统来说影响很大，不能直接忽略，因此辨识出的转动惯量不够准确。
技术实现要素：
本发明实施例的目的在于提供了一种伺服系统的转动惯量辨识方法及装置，旨在解决目前转动惯量辨识方法的计算不够准确且运算量较大的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种伺服系统的转动惯量辨识方法，包括：
获取电机速度正向趋近于零时的电磁转矩和电机速度反向趋近于零时的电磁转矩，计算负载转矩和库仑摩擦力矩；
在电机加速阶段，采样第一起始速度至第一结束速度之间电机的速度和电流；在电机减速阶段，采样第二起始速度至第二结束速度之间电机的速度和电流；
根据在所述电机加速阶段采样得到的速度和电流、在所述电机减速阶段采样得到的速度和电流，以及所述负载转矩和所述库仑摩擦力矩计算伺服系统的转动惯量。
本发明实施例的另一目的在于提供一种伺服系统的转动惯量辨识装置，包括：
处理单元，用于获取电机速度正向趋近于零时的电磁转矩和电机速度反向趋近于零时的电磁转矩，计算负载转矩和库仑摩擦力矩；
采样单元，用于在电机加速阶段，采样第一起始速度至第一结束速度之间电机的速度和电流；在电机减速阶段，采样第二起始速度至第二结束速度之间电机的速度和电流；
所述处理单元，还用于根据在所述电机加速阶段采样得到的速度和电流、在所述电机减速阶段采样得到的速度和电流，以及所述负载转矩和所述库仑摩擦力矩计算伺服系统的转动惯量。
本发明实施例中，根据电机速度正向趋近于零时的电磁转矩和电机速度反向趋近于零时的电磁转矩计算负载转矩和库仑摩擦力矩，采样电机加速阶段和电机减速阶段的速度和电流，通过将两次采样的运动方程做差消去粘滞摩擦系数的影响，计算转动惯量。本发明实施例能够消除摩擦因素和速度因素对计算转动惯量的影响，提高转动惯量的辨识准确度，并且能够减少运算量，提高辨识效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的伺服系统的转动惯量辨识方法的实现流程图；
图2是本发明实施例提供的伺服系统的转动惯量辨识方法的电机正向与反向趋近于零时的速度和电流的波形示意图；
图3是本发明实施例提供的伺服系统的转动惯量辨识方法的电机加速阶段和电机减速阶段的采样示意图；
图4是本发明实施例提供的伺服系统的转动惯量辨识方法的对多次得到转动惯量取平均值的实现流程图；
图5是本发明实施例提供的伺服系统的转动惯量辨识装置的结构框图。
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。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明实施例提供的伺服系统的转动惯量辨识方法的实现流程图，详述如下：
在s101中，获取电机速度正向趋近于零时的电磁转矩和电机速度反向趋近于零时的电磁转矩，计算负载转矩和库仑摩擦力矩。
在本实施例中，可以控制电机分别进行正向和反向转动。如图2所示，优选地，先控制电机正向转动，速度从零开始逐渐增大，再减速到速度为零；再控制电机反向转动，速度从零开始逐渐增大，再减速到速度为零。根据电机速度正向趋近于零时和电机速度反向趋近于零时的电流，结合电机的其他参数计算得出电机速度正向趋近于零时的电磁转矩和电机速度反向趋近于零时的电磁转矩。所得到的电机速度正向趋近于零时的电磁转矩和电机速度反向趋近于零时的电磁转矩用于计算负载转矩和库仑摩擦力矩。
作为本发明的一个实施例，所述计算负载转矩和库仑摩擦力矩的过程可以具体为：
建立摩擦模型，如下式所示：
f＝fcsgn(ω)+bω(1)
其中，f为摩擦力，fcsgn(ω)为库仑摩擦力，fc为恒定的库仑摩擦力矩，ω为电机转动的速度，sgn(ω)为ω的符号函数，bω为粘滞摩擦力，b为粘滞摩擦力系数。
该摩擦模型是通过对库仑摩擦力和粘滞摩擦力等效构建的。库仑摩擦力大小恒定，方向与电机运行方向相反。粘滞摩擦力其大小与电机速度成正比，方向与电机运行方向相反。等效后的摩擦力可以表示为电机转速的函数。
根据式(1)的摩擦模型可以得到电机的运动方程为
其中，j为转动惯量，te为电磁转矩，tl为负载转矩。
根据式(2)的电机的运动方程可以得出电机趋近零速时的电机的运动方程为
t0＝tl+fcsgn(ω)(3)
其中，t0为速度趋近零时电机输出的电磁转矩。
由式(3)可以看出，库仑摩擦力与电机转动的速度趋近与零时的方向有关。电机速度正向趋近于零时sgn(ω)取值为+1，电机速度反向趋近于零时sgn(ω)取值为-1。
因此，根据式(3)可以得出电机速度正向趋近于零时的运动方程和电机速度反向趋近于零时的运动方程，如下：
其中，t0+为电机速度正向趋近于零时的电磁转矩，t0-为电机速度正向趋近于零时的电磁转矩。
根据式(4)可以得出所述负载转矩和所述库仑摩擦力矩的表达式分别为
根据式(5)和式(6)，以及之前得到的电机速度正向趋近于零时的电磁转矩和电机速度反向趋近于零时的电磁转矩，即可计算负载转矩和库仑摩擦力矩。
在s102中，在电机加速阶段，采样第一起始速度至第一结束速度之间电机的速度和电流；在电机减速阶段，采样第二起始速度至第二结束速度之间电机的速度和电流。
在本实施例中，通过采样获得第一起始速度至第一结束速度之间和第二起始速度至第二结束速度之间的速度和电流，用于对加速阶段和减速阶段电机的运动方程进行运算。在减速阶段的采样过程中，判断粘滞摩擦项积分值与加速阶段粘滞摩擦项积分值相等时，结束减速阶段采样。
作为本发明的一个实施例，所述第一结束速度和所述第二起始速度相同；在所述电机加速阶段采样的速度之和与在所述电机减速阶段采样的速度之和相等。
在本实施例中，在电机加速阶段进行采样的第一结束速度等于在电机减速阶段进行采样的第二起始速度。在电机加速阶段和电机减速阶段两次采样阶段的速度之和相等。由此，对两个阶段运动方程的积分式做差时，可以消去粘滞摩擦力系数，使转动惯量的计算结果不受粘滞摩擦力影响，提高转动惯量的辨识准确度。
优选地，对电机加速阶段中第一起始速度至第一结束速度之间和电机减速阶段中第二起始速度至第二结束速度之间进行采样的采样周期相同。如图3所示，具体的采样过程可以如下：
选取第一起始速度和第一结束速度。在电机加速阶段，检测电机运行速度提高到第一起始速度时开始采样，记录下第一起始速度对应的时间。检测到电机运行速度提高到第一结束速度时结束采样，记录下第一结束速度对应的时间。获取在采样过程中的采样周期、采样个数、采样的速度和电流。计算整个采样过程的速度之和。
在电机减速阶段，检测电机运行速度降低到第二起始速度时开始采样。本例中选取第二起始速度等于第一结束速度，即相当于检测电机运行速度减速到第一结束速度时，开始减速阶段的采样。记录第二起始速度对应的时间。减速阶段的采样周期与加速阶段的采样周期相等。在采样过程中，计算已经采样到的速度之和。当采样到的速度之和等于加速阶段采样的速度之和时，结束采样。记录结束采样时刻的速度为第二结束速度。记录第二结束速度对应的时间。获取在采样过程中的采样个数、采样的速度和电流。
在s103中，根据在所述电机加速阶段采样得到的速度和电流、在所述电机减速阶段采样得到的速度和电流，以及所述负载转矩和所述库仑摩擦力矩计算伺服系统的转动惯量。
在本实施例中，将电机运动方程在加速阶段的采样时间内和减速阶段的采样时间内分别进行定积分运算，并根据采样的速度和计算出的电磁转矩对两个定积分分别进行离散化。将两个定积分离散化后的方程式做差，即可得到转动惯量的表达式。根据在所述电机加速阶段采样得到的速度和电流、在所述电机减速阶段采样得到的速度和电流，以及所述负载转矩和所述库仑摩擦力矩代入表达式，即可计算得到转动惯量的值。将两个离散化的方程式做差，能够消去方程式中沾滞摩擦力的相关项，消除粘滞摩擦力对计算转动惯量的影响，提高转动惯量的计算准确度。
作为本发明的一个实施例，计算伺服系统的转动惯量的过程可以具体如下：
根据式(2)电机的运动方程，在加速阶段的采样时间内进行定积分运算，可以得到积分后的运动方程如下：
其中，t0为所述第一起始速度对应的时间，t1为所述第一结束速度对应的时间。
对式(7)进行离散化可以得到加速阶段的离散化方程式，如下：
其中，ω0为所述第一起始速度，ω1为所述第一结束速度，ts为采样周期，n1为采样个数。
根据式(2)电机的运动方程，在减速阶段的采样时间内进行定积分，可以得到积分后的运动方程如下：
其中，t2为所述第二起始速度对应的时间，t3为所述第二结束速度对应的时间。
对式(9)进行离散化可以得到减速阶段的离散化方程式，如下：
其中，ω2为所述第二起始速度，ω3为所述第二结束速度，ts为采样周期，n2为采样个数。
将式(10)减速阶段的离散化方程式减去式(8)加速阶段的离散化方程式。因为两个采样阶段的速度之和相等，所以式(8)中加速阶段的粘滞摩擦力的相关项
将式(10)减式(8)得出转动惯量的表达式为：
根据式(11)，和在所述电机加速阶段采样得到的速度和电流、在所述电机减速阶段采样得到的速度和电流，以及所述负载转矩和所述库仑摩擦力矩，即可计算得出转动惯量。
作为本发明的一个实施例，为方便计算，可以将式(11)进一步化简。具体可以根据以下几点进行化简。
1.令
2.因为加速阶段第一结束速度ω1大于第一起始速度ω0，减速阶段第二起始速度ω2大于第二结束速度ω3，所以ω2-ω3+ω1-ω0>0。可以将式(11)的分子分母同时乘以-1，使分子和分母都为正值。
3.
4.t2-t3+t1-t0＝(n1-n2)ts。
根据以上几点可以将式(11)化简为
作为本发明的一个实施例，可以通过多次采样计算得到多个转动惯量的值，再对多个转动惯量的值取平均值，来提高转动惯量的辨识准确度。如图4所示，该方法还包括：
在s401中，设置多个相对应的第一起始速度和第一结束速度、以及第二起始速度和第二结束速度，对电机的速度和电流进行采样，计算所述转动惯量。
在s402中，对多次计算得到的所述转动惯量取平均值，作为伺服系统的转动惯量。
在本实施例中，可以在同一个加速阶段设置多个不同的第一起始速度和第一结束速度进行采样，在减速阶段对应设置不同的第二起始速度和第二结束速度进行采样。即根据一组对应的ω0、ω1、ω2、ω3可以采样得到一组采样数据计算转动惯量，根据设置的多组相对应的ω0、ω1、ω2、ω3可以采样得到多组采样数据。通过多组采样数据计算出多个转动惯量的值，再对这些值取平均值，作为伺服系统的转动惯量。通过多次采样计算取平均值的方式，提高转动惯量的辨识准确度。
该辨识方法可以在线实时辨识不同速度下的转动惯量，对转动变量辨识结果进行滑动平均处理，取平均值作为辨识的转动惯量值。可以根据实际转动惯量变化的快慢选择相应的滑动平均窗口大小。滑动平均窗口越大，进行平均的转动惯量的个数越多。实际转动惯量变化快时可以选择较小的滑动平均窗口值；实际惯量变化慢时可以选择较大的滑动平均窗口值。这样满足不同速度下对转动惯量辨识准确度的要求。
应用该辨识方法，在实际伺服系统进行惯量辨识。在恒定负载情况下，给定不同的加减速时间时辨识的转动惯量偏差值在10％以内。另外，在给定随电机速度变化的干扰情况下，该辨识方法也能够比较准确的辨识系统的转动惯量。
本发明实施例中，根据电机速度正向趋近于零时的电磁转矩和电机速度反向趋近于零时的电磁转矩计算负载转矩和库仑摩擦力矩，采样电机加速阶段和电机减速阶段的速度和电流，通过将两次采样的运动方程做差消去粘滞摩擦系数的影响，计算转动惯量。本发明实施例能够消除摩擦因素和速度因素对计算转动惯量的影响，提高转动惯量的辨识准确度，并且能够减少运算量，提高辨识效率。
应理解，在本发明实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
对应于上文实施例所述的伺服系统的转动惯量辨识方法，图5示出了本发明实施例提供的伺服系统的转动惯量辨识装置的结构框图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
参照图5，该装置包括处理单元51和采样单元52。
处理单元51，用于获取电机速度正向趋近于零时的电磁转矩和电机速度反向趋近于零时的电磁转矩，计算负载转矩和库仑摩擦力矩。
采样单元52，用于在电机加速阶段，采样第一起始速度至第一结束速度之间电机的速度和电流；在电机减速阶段，采样第二起始速度至第二结束速度之间电机的速度和电流。
所述处理单元51，还用于根据在所述电机加速阶段采样得到的速度和电流、在所述电机减速阶段采样得到的速度和电流，以及所述负载转矩和所述库仑摩擦力矩计算伺服系统的转动惯量。
优选地，所述处理单元51获取电机速度正向趋近于零时的电磁转矩和电机速度反向趋近于零时的电磁转矩，并计算负载转矩和库仑摩擦力矩的过程为：
建立摩擦模型f＝fcsgn(ω)+bω；其中，f为摩擦力，fcsgn(ω)为库仑摩擦力，fc为恒定的库仑摩擦力矩，ω为电机转动的速度，sgn(ω)为ω的符号函数，bω为粘滞摩擦力，b为粘滞摩擦力系数；
根据所述摩擦模型得到电机的运动方程
得出趋近零速时的电机的运动方程为t0＝tl+fcsgn(ω)；其中，t0为速度趋近零时电机输出的电磁转矩；
根据趋近零速时的电机的运动方程，得出所述负载转矩为
优选地，所述第一结束速度和所述第二起始速度相同；在所述电机加速阶段采样的速度之和与在所述电机减速阶段采样的速度之和相等。
优选地，所述处理单元51根据在所述电机加速阶段采样得到的速度和电流、在所述电机减速阶段采样得到的速度和电流，以及所述负载转矩和所述库仑摩擦力矩计算伺服系统的转动惯量的过程为：
根据在所述电机加速阶段采样得到的速度和电流、所述负载转矩和所述库仑摩擦力矩，得出：
其中，ω0为所述第一起始速度，t0为所述第一起始速度对应的时间，ω1为所述第一结束速度，t1为所述第一结束速度对应的时间，ts为采样周期，n1为采样个数；
根据在所述电机减速阶段采样得到的速度和电流、所述负载转矩和所述库仑摩擦力矩，得出：
其中，ω2为所述第二起始速度，t2为所述第二起始速度对应的时间，ω3为所述第二结束速度，t3为所述第二结束速度对应的时间，ts为采样周期，n2为采样个数；
得出所述转动惯量为：
优选地，所述采样单元52，还用于根据设置的多个相对应的第一起始速度和第一结束速度、以及第二起始速度和第二结束速度，对电机的速度和电流进行采样；
所述处理单元51还用于根据所述采样单元52多次采样得到的电机的速度和电流，以及所述负载转矩和所述库仑摩擦力矩计算所述转动惯量，并对多次计算得到的所述转动惯量取平均值，作为所述伺服系统的转动惯量。
本发明实施例中，根据电机速度正向趋近于零时的电磁转矩和电机速度反向趋近于零时的电磁转矩计算负载转矩和库仑摩擦力矩，采样电机加速阶段和电机减速阶段的速度和电流，通过将两次采样的运动方程做差消去粘滞摩擦系数的影响，计算转动惯量。本发明实施例能够消除摩擦因素和速度因素对计算转动惯量的影响，提高转动惯量的辨识准确度，并且能够减少运算量，提高辨识效率。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明实施例各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
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