专利名称：交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种交流永磁同步电机伺服系统，特别涉及一种交流永磁同步电机伺
服系统的转动惯量辨识器。
背景技术：
在实际生产现场中，交流永磁同步电机伺服系统存在机械和电气相互配合的问题。当电机所带的负载转动惯量变化时，会对系统的伺服特性造成明显的影响。转动惯量加大会使系统响应变慢，容易造成系统不稳定，产生爬升现象；转动惯量减小虽然会使系统动态响应速度加快，但会使速度出现超调甚至震荡现象。为达到伺服系统高精度控制的良好动态和静态特性，需要辨识出转动惯量值及其变化量，再据此相应地调整控制器的参数。
申请号为CN200810018783. 0的发明专利"交流伺服系统的转动惯量辨识方法"提供了一种转动惯量辨识方法，其采用的技术手段为将负载惯量与电机的转子惯量看作一个整体惯量，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。
但是，按照上述这个方法设计的转动惯量辨识器存在以下两点不足
A、在辨识过程中交流伺服系统加减速运行时，如果其负载转矩是无规则实时变化的，也就是说当加速过程的负载转矩与减速过程的负载转矩是不对称时，或者是相差很大时，就会导致辨识结果远远偏离真实结果的现象； B、如果系统的转动惯量在加减速运行时发生变化，上述转动惯量辨识器是无法辨识出这个转动惯量变化的，甚至会辨识出 一个错误的结果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的缺陷，提供一种交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器，其在转动惯量辨识过程中，在负载转矩无规则变化条件下，保证转动惯量辨识的成功完成，并保证较高的辨识精度；而且还可以在转动惯量辨识过程中，在系统的转动惯量(即电机与负载的转动惯量之和)无规则变化的条件下，保证转动惯量辨识的成功完成，将转动惯量的变化量辨识出来并加以记录；另外，本发明使转动惯量辨识过程所必需的电机行程尽可能的小，以满足绝大多数的应用场合中机械行程限制的要求。 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的一种交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器，其特征在于，其包括速度指令生成器、速度控制器、转矩控制器、转动惯量计算器、数字低通滤波器、存储显示器、电机和负载，速度指令生成器的一路输出作为速度控制器的输入，另一路输出作为转动惯量计算器的输入，速度控制器的输出作为转矩控制器的输入，转矩控制器的输出作为电机和负载的输入，转矩控制器将电磁转矩的数值传输到转动惯量计算器，转动惯量计算器的输出作为数字低通滤波器的输入，数字低通滤波器的输出作为存储显示器的输入。 优选地，所述速度指令生成器产生速度指令，所述交流永磁同步电机伺服系统的 转动惯量辨识器还包括一个转矩指令生成器，转矩指令生成器产生转矩指令。
优选地，所述速度控制器使电机的实际转速跟随速度指令。
优选地，所述转矩控制器使电机的实际转矩跟随转矩指令。 优选地，所述转动惯量计算器每隔固定周期检测速度指令和转矩指令，并计算出 转动惯量结果。 优选地，所述数字低通滤波器对交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量结果做低 通滤波，并将在不同速度指令的循环中辨识出的不同的转动惯量结果以序列的形式传送到 存储显示器。 优选地，所述存储显示器将辨识出的转动惯量结果与时间对应起来作为一个序列 存储起来并显示。 本发明的积极进步效果在于本发明在转动惯量辨识过程中的加减速运行时，无 论负载转矩是恒定的还是无规则变化的，只要负载转矩变化时间比转动惯量辨识过程的加 速阶段的时间长，也就是说只要负载转矩变化时间长于20毫秒，本发明都可以成功辨识转 动惯量，并且可以保证较高的辨识精度，由于工业实际应用中的负载转矩变化时间普遍长 于20毫秒，于是本发明可以适合绝大多数的工业应用场合，减速阶段与加速阶段的原理是 相同的。另外，本发明在转动惯量辨识过程中加速时间非常短暂，如果转动惯量变化的周期 不快于20毫秒，也就是转动惯量变化的周期比转动惯量辨识过程的加速阶段的时间长，本 发明就可以辨识出转动惯量的变化，并且可以辨识出转动惯量的变化量，而且不会因为转 动惯量的变化而降低辨识值的精度。
图1为本发明交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器的结构框图。 图2为本发明以正反方向交替旋转方式进行辨识转动惯量时的速度指令的示意图。 图3为本发明以一个方向旋转方式进行辨识转动惯量时的速度指令的示意图。
具体实施例方式
下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。 如图1所示，本发明交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器包括以下七个
部分速度指令生成器、速度控制器、转矩控制器、转动惯量计算器、数字低通滤波器、存储
显示器、电机和负载。转矩环是速度环的内环，速度指令生成器的一路输出作为速度控制器
的输入，另一路输出作为转动惯量计算器的输入，速度控制器的输出作为转矩控制器的输
入，转矩控制器的输出作为电机和负载的输入，电磁转矩克服负载转矩使电机带动负载旋
转，转矩控制器每隔固定周期(电流环的采样周期)将电磁转矩的数值大小传输到转动惯
量计算器，转动惯量计算器的输出作为数字低通滤波器的输入，数字低通滤波器的输出作
为存储显示器的输入。其中，速度指令生成器、速度控制器、转矩控制器、电机和负载顺序连
接，转矩控制器、速度指令生成器都还与转动惯量计算器连接，转动惯量计算器还与数字低通滤波器连接，数字低通滤波器还与存储显示器连接。 在转动惯量辨识过程中，速度指令生成器首先产生两段加速度不同的正向斜 坡速度指令，分别称为第一加速阶段和第二加速阶段，在第一加速阶段时使电机转速由 Orpm(rad per mi皿te，转速单位)加速到20rpm，在第二加速阶段时使电机由20rpm加速到 60rpm，其中第二加速阶段的加速度(也就是速度曲线的斜率)是第一加速阶段的加速度的 两倍(其他倍率也可以，但绝对不能使两个加速度相同，这个倍率是出厂前设置好的无需 用户设定，设计两个不同加速度的加速阶段是本发明的一个独有特点)，第一加速阶段和第 二加速阶段的时间都是10毫秒(第一加速阶段和第二加速阶段的时间的一致性是实现本 发明的一个基础，因为在转动惯量辨识过程中速度指令是由设计者规定的，用户是不可以 更改的，所以这点是完全可以保证的)，再产生与第一加速阶段和第二加速阶段相对称的第 一减速阶段和第二减速阶段的速度指令，其实这里加速阶段和减速阶段的速度指令即使不 对称对转动惯量的辨识也没有影响。最后产生与正向速度指令相对称的反向速度指令，这 样就完成一个速度指令的循环。本发明可以根据用户需要设置1到iooo任意多个速度指 令的循环，一个速度指令的循环就可以完成一个转动惯量辨识，测量多次的好处在于可以 辨识出转动惯量的变化量。 速度控制器使整个交流永磁同步电机伺服系统可以实现速度闭环，使电机的实际 转速可以很好地跟随速度指令，也就是说使电机的实际转速与速度指令是一致的。转矩控 制器使整个交流永磁同步电机伺服系统可以实现闭环，使电机的实际转矩可以很好地跟随 转矩指令，也就是说使电机的实际转矩与转矩指令是一致的，交流永磁同步电机伺服系统 的转动惯量辨识器还包括一个转矩指令生成器，转矩指令生成器产生转矩指令。转动惯量 计算器每隔固定周期检测交流永磁同步电机伺服系统的速度指令和转矩指令，由此计算出
该系统的转动惯量结果。数字低通滤波器对交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量结果做 低通滤波，滤除掉高频的干扰和杂波，并将在不同速度指令的循环中辨识出的不同的转动 惯量结果以序列的形式传送到存储显示器。存储显示器将辨识出的转动惯量结果与时间对 应起来作为一个序列存储起来并显示。 根据动量定理，在忽略摩擦粘滞阻力影响的条件下，转动惯量X角速度变化量 +负载转矩与时间之积的积分=系统输出转矩与时间之积的积分，具体公式表达如公式 (1): </. + f2 rz (o. /必=卩rw (o. ^ 其中J为转动惯量，A "为角速度变化量，!Y(t)为随时间变化的负载转矩，Tm(t) 为随时间变化的系统输出转矩，t2为终止时刻，^为起始时刻，t为实际转动时间。
以第一加速阶段和第二加速阶段为例讲解转动惯量辨识方法的理论推导，在减速 阶段与加速阶段在原理上是相同的，在第一加速阶段时应用公式(1)得到公式(2):/. - o) + f & o). w = f rm w (2) 在第二加速阶段时应用公式(1)得到公式(3): ■/.(w2 -m) + ^ 7^(0.w =r (o.w (3) 其中，为第一加速度阶段的末速度(简称"第一转速")，"2为第二加速度阶段的末速度(简称"第二转速")，T为第一加速阶段和第二加速阶段的指令时间；
将第一加速阶段的公式(2)与第二加速阶段的公式(3)作差求得转动惯量J，因为 在实际应用中转矩的变化一般不会快于20毫秒，也就是说可以近似认为第一加速阶段的 / 。TlY(t) tdt项与第二加速阶段的/ T2TlY(t) tdt项是相等的，于是得到公式(4):<formula>formula see original document page 6</formula>
本发明的第一加速阶段和第二加速阶段的加速时间分别都是10毫秒，正是由于 加速时间这么短暂，本发明才可以做到在转动惯量辨识过程中的加减速运行时，无论负载 转矩是恒定的还是无规则变化的，只要负载转矩变化时间比转动惯量辨识过程的加速阶段 的时间长，本发明都可以成功辨识转动惯量，并且可以保证较高的辨识精度，减速阶段与加 速阶段的原理是相同的。也正是由于本发明在转动惯量辨识过程中加速时间非常短暂，如 果转动惯量变化的周期不快于20毫秒，也就是转动惯量变化的周期比转动惯量辨识过程 的加速阶段的时间长，本发明就可以辨识出转动惯量的变化，并且可以辨识出转动惯量的 变化量，而且不会因为转动惯量的变化而降低辨识值的精度。 本发明交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器进行辨识的方法包括以下 步骤 Sl、交流永磁同步电机伺服系统产生使能，使能进行转动惯量辨识功能，用户设定 转动惯量辨识持续的时间。 S2、速度指令生成器产生第一加速度为ai的正向的匀加速指令，持续T时间使电 机加速到第一转速为""此为第一加速阶段。在本发明中时间T设置为IO毫秒，设置T为 非常短的时间为辨识出转动惯量的变化提供了基础，也就是说如果转动惯量变化的周期不 快于20毫秒，那么本发明就可以准确的检测出转动惯量的变化量，而实际中由于机械系统 的惯性存在，转动惯量的变化很少会快于20毫秒，所以可以适应绝大多数应用场合，这是 一个很重要的特点。在此阶段中转动惯量计算器检测系统的输出转矩Tm的值，并与时间相 乘后作T时间内的定积分得到/ 。TTm(t) tdt。 S3、当电机加速到第一转速为"i后，速度指令生成器产生第二加速度为a2的正向 的匀加速指令，^〈^，持续时间T使电机加速到第二转速为"2，此为第二加速阶段。在此 阶段中转动惯量计算器检测系统的输出转矩Tm的值，并与时间相乘后作T时间内的定积分 得到/ T2TTm(t) 'tdt，再将/ T2TTm(t) 'tdt减去/ 。TTm(t) 'tdt的差值除以"2与2"J勺 差值，就得到在这个加速过程进行时的转动惯量值。 S4、当电机加速到第二转速为"2后，速度指令生成器产生第三加速度为a3的正向 的匀减速指令，也就是说A = 12，持续时间T使电机减速到第一转速为"p此为第一减速 阶段。在此阶段中转动惯量计算器检测系统的输出转矩Tm的值，并与时间相乘后作T时间 内的定积分得到/ 2T3TTm(t) .tdt。 S5、当电机减速到第一转速为"i后，速度指令生成器产生第四加速度为a4的正向 的匀减速指令，也就是说a4 = -A，持续时间T使电机减速到转速为O，此为第二减速阶段， 至此为一个正向转动惯量辨识循环完成。在此阶段中转动惯量计算器检测系统的输出转矩 Tm的值，并与时间相乘后作T时间内的定积分得到/ 3T4TTm(t) tdt，再将/ 3T4TTm(t) tdt减去/ 2T3TTm(t) *tdt的差值除以"2与2c^的差值，就得到在这个减速过程进行时的转动
惯量值。 S6、当一个正向转动惯量辨识循环完成后，如果用户选择电机是以正反向交替旋 转方式进行辨识，那么速度指令生成器生成一个与正向循环正好对称的反向转动惯量辨识 循环指令，也就是说除了转动方向相反外，其他都相同，如图2所示，至此一个转动惯量辨
识循环完成。 这样的优势在于当用户选择以正反向交替旋转方式进行辨识时，电机所需的最 大行程为0.0125转，也就是说电机轴在一个很小的角度内以一个很快的频率正反摆动，此 时特别适用于机械结构限制电机无法大角度旋转的应用场合。如果用户选择以一个方向 旋转方式进行转动惯量辨识，那么速度指令生成器就继续生成一个与前面循环完全相同速 度指令循环，如图3所示，这样可以在于某些机械应用场合下，随着电机的旋转的行程的不
同，机械结构位置关系会发生变化，也就是说系统的转动惯量会随着电机行程不同而变化， 这时就不应该选择电机以正反向交替旋转方式辨识转动惯量，而应选择以一个方向旋转方 式进行辨识，于是随着辨识过程的持续，电机行程随之增加，这样就可以辨识出电机轴旋转 在不同行程位置时所对应的不同转动惯量。但是此时用户需要注意选择正确的旋转行程， 保证不会出现机械超程碰撞情况。这个可以根据用户使用场合的不同，来选择在转动惯量 辨识过程中两种不同的电机旋转方式，是本发明特有的功能和优势。 S7、判断此时转动惯量辨识的持续时间是否达到步骤Sl中用户设定的时间，如果 没有达到则重复上面从步骤S2到步骤S6的过程，继续转动惯量辨识直至达到用户设定的 时间。 虽然以上描述了本发明的具体实施方式
，但是本领域的技术人员应当理解，这些 仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变 更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
权利要求
一种交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器，其特征在于，其包括速度指令生成器、速度控制器、转矩控制器、转动惯量计算器、数字低通滤波器、存储显示器、电机和负载，速度指令生成器的一路输出作为速度控制器的输入，另一路输出作为转动惯量计算器的输入，速度控制器的输出作为转矩控制器的输入，转矩控制器的输出作为电机和负载的输入，转矩控制器将电磁转矩的数值传输到转动惯量计算器，转动惯量计算器的输出作为数字低通滤波器的输入，数字低通滤波器的输出作为存储显示器的输入。
2. 如权利要求1所述的交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器，其特征在于， 所述速度指令生成器产生速度指令，所述交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器还 包括一个转矩指令生成器，转矩指令生成器产生转矩指令。
3. 如权利要求2所述的交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器，其特征在于， 所述速度控制器使电机的实际转速跟随速度指令。
4. 如权利要求2所述的交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器，其特征在于， 所述转矩控制器使电机的实际转矩跟随转矩指令。
5. 如权利要求3或4所述的交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器，其特征在 于，所述转动惯量计算器每隔固定周期检测速度指令和转矩指令，并计算出转动惯量结果。
6. 如权利要求5所述的交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器，其特征在于， 所述数字低通滤波器对交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量结果做低通滤波，并将在不 同速度指令的循环中辨识出的不同的转动惯量结果以序列的形式传送到存储显示器。
7. 如权利要求6所述的交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器，其特征在于， 所述存储显示器将辨识出的转动惯量结果与时间对应起来作为一个序列存储起来并显示。
全文摘要
本发明公开了一种交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识器，其包括速度指令生成器、速度控制器、转矩控制器、转动惯量计算器、数字低通滤波器、存储显示器、电机和负载，速度指令生成器的一路输出作为速度控制器的输入，另一路输出作为转动惯量计算器的输入，速度控制器的输出作为转矩控制器的输入，转矩控制器的输出作为电机和负载的输入，转矩控制器将电磁转矩的数值传输到转动惯量计算器，转动惯量计算器的输出作为数字低通滤波器的输入，数字低通滤波器的输出作为存储显示器的输入。本发明在转动惯量辨识过程中，在负载转矩无规则变化条件下，保证转动惯量辨识的成功完成，并保证较高的辨识精度，还辨识出转动惯量变化值，并记录和显示。
文档编号H02P23/14GK101699764SQ20091019551
公开日2010年4月28日 申请日期2009年9月11日 优先权日2009年9月11日
发明者刘伟东, 张扬, 李悦韡, 杨明 申请人:上海新时达电气股份有限公司;上海辛格林纳新时达电机有限公司