專利名稱：交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量辨識器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)，特別涉及一種交流永磁同步電
機伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量辨識器。
背景技術(shù)：
在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中，交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)存在機械和電氣相互配合的問 題。當(dāng)電機所帶的負載轉(zhuǎn)動慣量變化時，會對系統(tǒng)的伺服特性造成明顯的影響。轉(zhuǎn)動慣量 加大會使系統(tǒng)響應(yīng)變慢，容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生爬升現(xiàn)象；轉(zhuǎn)動慣量減小雖然會使系統(tǒng) 動態(tài)響應(yīng)速度加快，但會使速度出現(xiàn)超調(diào)甚至震蕩現(xiàn)象。為達到伺服系統(tǒng)高精度控制的良 好動態(tài)和靜態(tài)特性，需要辨識出轉(zhuǎn)動慣量值及其變化量，再據(jù)此相應(yīng)地調(diào)整控制器的參數(shù)。 申請?zhí)枮镃N200810018783. 0的專利"交流伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量辨識方法"提供了 一種轉(zhuǎn)動慣量辨識方法，其采用的技術(shù)手段為將負載慣量與電機的轉(zhuǎn)子慣量看作一個整 體慣量，伺服系統(tǒng)進行加減速運動，得出此段時間內(nèi)的系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩和電機平均轉(zhuǎn)速，由系 統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩得到伺服系統(tǒng)平均轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)電機平均轉(zhuǎn)速、伺服系統(tǒng)平均轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)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(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。 但是，按照上述這個方法設(shè)計的轉(zhuǎn)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(tǒng)加減速運行時，如果其負載轉(zhuǎn)矩是無規(guī)則實時變化 的，也就是說當(dāng)加速過程的負載轉(zhuǎn)矩與減速過程的負載轉(zhuǎn)矩是不對稱時，或者是相差很大 時，就會導(dǎo)致辨識結(jié)果遠遠偏離真實結(jié)果的現(xiàn)象； B、如果系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量在加減速運行時發(fā)生變化，上述轉(zhuǎn)動慣量辨識器是無法辨 識出這個轉(zhuǎn)動慣量變化的，甚至?xí)孀R出 一個錯誤的結(jié)果。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種交流永磁同 步電機伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量辨識器，其在轉(zhuǎn)動慣量辨識過程中，在負載轉(zhuǎn)矩?zé)o規(guī)則變化條 件下，保證轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量辨識 過程中，在系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量(即電機與負載的轉(zhuǎn)動慣量之和)無規(guī)則變化的條件下，保證轉(zhuǎn) 動慣量辨識的成功完成，將轉(zhuǎn)動慣量的變化量辨識出來并加以記錄；另外，本實用新型使轉(zhuǎn) 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(shù)的應(yīng)用場合中機械行程限 制的要求。 本實用新型是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的一種交流永磁同步電機 伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制 器、轉(zhuǎn)動慣量計算器、數(shù)字低通濾波器、存儲顯示器、電機和負載，速度指令生成器、速度控 制器、轉(zhuǎn)矩控制器、電機和負載順序連接，轉(zhuǎn)矩控制器、速度指令生成器都還與轉(zhuǎn)動慣量計 算器連接，轉(zhuǎn)動慣量計算器還與數(shù)字低通濾波器連接，數(shù)字低通濾波器還與存儲顯示器連 接。
3[0009] 本實用新型的積極進步效果在于本實用新型在轉(zhuǎn)動慣量辨識過程中的加減速運 行時，無論負載轉(zhuǎn)矩是恒定的還是無規(guī)則變化的，只要負載轉(zhuǎn)矩變化時間比轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩變化時間長于20毫秒，本實用新型都可 以成功辨識轉(zhuǎn)動慣量，并且可以保證較高的辨識精度，由于工業(yè)實際應(yīng)用中的負載轉(zhuǎn)矩變 化時間普遍長于20毫秒，于是本實用新型可以適合絕大多數(shù)的工業(yè)應(yīng)用場合，減速階段與 加速階段的原理是相同的。另外，本實用新型在轉(zhuǎn)動慣量辨識過程中加速時間非常短暫，如 果轉(zhuǎn)動慣量變化的周期不快于20毫秒，也就是轉(zhuǎn)動慣量變化的周期比轉(zhuǎn)動慣量辨識過程 的加速階段的時間長，本實用新型就可以辨識出轉(zhuǎn)動慣量的變化，并且可以辨識出轉(zhuǎn)動慣 量的變化量，而且不會因為轉(zhuǎn)動慣量的變化而降低辨識值的精度。

圖1為本實用新型交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量辨識器的結(jié)構(gòu)框圖。 圖2為本實用新型以正反方向交替旋轉(zhuǎn)方式進行辨識轉(zhuǎn)動慣量時的速度指令的 示意圖。 圖3為本實用新型以一個方向旋轉(zhuǎn)方式進行辨識轉(zhuǎn)動慣量時的速度指令的示意 圖。
具體實施方式下面舉個較佳實施例，并結(jié)合附圖來更清楚完整地說明本實用新型。 如圖1所示，本實用新型交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制器、轉(zhuǎn)動慣量計算器、數(shù)字低通濾波器、
存儲顯示器、電機和負載。轉(zhuǎn)矩環(huán)是速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，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(zhuǎn)動慣量計算器的輸入，速度控制器的輸出作為轉(zhuǎn)矩控制器
的輸入，轉(zhuǎn)矩控制器的輸出作為電機和負載的輸入，電磁轉(zhuǎn)矩克服負載轉(zhuǎn)矩使電機帶動負
載旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩控制器每隔固定周期(電流環(huán)的采樣周期)將電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)值大小傳輸?shù)睫D(zhuǎn)
動慣量計算器，轉(zhuǎn)動慣量計算器的輸出作為數(shù)字低通濾波器的輸入，數(shù)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(zhuǎn)矩控制器、電機和負載順
序連接，轉(zhuǎn)矩控制器、速度指令生成器都還與轉(zhuǎn)動慣量計算器連接，轉(zhuǎn)動慣量計算器還與數(shù)
字低通濾波器連接，數(shù)字低通濾波器還與存儲顯示器連接。 在轉(zhuǎn)動慣量辨識過程中，速度指令生成器首先產(chǎn)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(zhuǎn)速由 Orpm(rad per mi皿te，轉(zhuǎn)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(shè)置好的無需 用戶設(shè)定，設(shè)計兩個不同加速度的加速階段是本實用新型的一個獨有特點)，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(xiàn)本實用新型的一個基礎(chǔ)，因為在轉(zhuǎn)動慣量辨識過程中速度指令是由設(shè)計者規(guī)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(chǎn)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
4令即使不對稱對轉(zhuǎn)動慣量的辨識也沒有影響。最后產(chǎn)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(huán)。本實用新型可以根據(jù)用戶需要設(shè)置1到1000任意多個速度指令的循環(huán)，一個速度指令的循環(huán)就可以完成一個轉(zhuǎn)動慣量辨識，測量多次的好處在于可以辨識出轉(zhuǎn)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(tǒng)可以實現(xiàn)速度閉環(huán)，使電機的實際轉(zhuǎn)速可以很好地跟隨速度指令，也就是說使電機的實際轉(zhuǎn)速與速度指令是一致的。轉(zhuǎn)矩控制器使整個交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)可以實現(xiàn)閉環(huán)，使電機的實際轉(zhuǎn)矩可以很好地跟隨轉(zhuǎn)矩指令，也就是說使電機的實際轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩指令是一致的，交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量辨識器還包括一個轉(zhuǎn)矩指令生成器，轉(zhuǎn)矩指令生成器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩指令。轉(zhuǎn)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(tǒng)的速度指令和轉(zhuǎn)矩指令，由此計算出
該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量結(jié)果。數(shù)字低通濾波器對交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量結(jié)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(huán)中辨識出的不同的轉(zhuǎn)動慣量結(jié)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(zhuǎn)動慣量結(jié)果與時間對應(yīng)起來作為一個序列存儲起來并顯示。 根據(jù)動量定理，在忽略摩擦粘滯阻力影響的條件下，轉(zhuǎn)動慣量X角速度變化量+負載轉(zhuǎn)矩與時間之積的積分=系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩與時間之積的積分，具體公式表達如公式(1):,a針JV,"" (X(0W (1) 其中J為轉(zhuǎn)動慣量，A "為角速度變化量，!Y(t)為隨時間變化的負載轉(zhuǎn)矩，Tm(t)為隨時間變化的系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩，t2為終止時刻，^為起始時刻，t為實際轉(zhuǎn)動時間。[0020] 以第一加速階段和第二加速階段為例講解轉(zhuǎn)動慣量辨識方法的理論推導(dǎo)，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(yīng)用公式(1)得到公式(2): </ ( 「。)+工、(,)插=j[7;(f).w (2) 在第二加速階段時應(yīng)用公式(1)得到公式(3): /如廣q)+^ ，'礎(chǔ)=^ ，插 (3) 其中，為第一加速度階段的末速度(簡稱"第一轉(zhuǎn)速")，"2為第二加速度階段的末速度(簡稱"第二轉(zhuǎn)速")，T為第一加速階段和第二加速階段的指令時間；[0025] 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(zhuǎn)動慣量J，因為在實際應(yīng)用中轉(zhuǎn)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):
工，杏工t;(, / = ^-*- 本實用新型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，本實用新型才可以做到在轉(zhuǎn)動慣量辨識過程中的加減速運行時，無論負載轉(zhuǎn)矩是恒定的還是無規(guī)則變化的，只要負載轉(zhuǎn)矩變化時間比轉(zhuǎn)動慣量辨識過程的加速階段的時間長，本實用新型都可以成功辨識轉(zhuǎn)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。也正是由于本實用新型在轉(zhuǎn)動慣量辨識過程中加速 時間非常短暫，如果轉(zhuǎn)動慣量變化的周期不快于20毫秒，也就是轉(zhuǎn)動慣量變化的周期比轉(zhuǎn) 動慣量辨識過程的加速階段的時間長，本實用新型就可以辨識出轉(zhuǎn)動慣量的變化，并且可 以辨識出轉(zhuǎn)動慣量的變化量，而且不會因為轉(zhuǎn)動慣量的變化而降低辨識值的精度。 本實用新型交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量辨識器的工作過程如下 Sl、交流永磁同步電機伺服驅(qū)動器產(chǎn)生使能，使能進行轉(zhuǎn)動慣量辨識功能，用戶設(shè) 定轉(zhuǎn)動慣量辨識持續(xù)的時間。 S2、速度指令生成器產(chǎn)生第一加速度為ai的正向的勻加速指令，持續(xù)T時間使電 機加速到第一轉(zhuǎn)速為"p此為第一加速階段。在本實用新型中時間T設(shè)置為IO毫秒，設(shè)置 T為非常短的時間為辨識出轉(zhuǎn)動慣量的變化提供了基礎(chǔ)，也就是說如果轉(zhuǎn)動慣量變化的周 期不快于20毫秒，那么本實用新型就可以準(zhǔn)確的檢測出轉(zhuǎn)動慣量的變化量，而實際中由于 機械系統(tǒng)的慣性存在，轉(zhuǎn)動慣量的變化很少會快于20毫秒，所以可以適應(yīng)絕大多數(shù)應(yīng)用場 合，這是本實用新型的一個很重要的特點。在此階段中轉(zhuǎn)動慣量計算器檢測系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn) 矩Tm的值，并與時間相乘后作T時間內(nèi)的定積分得到/ 。TTm(t) *tdt。 S3、當(dāng)電機加速到第一轉(zhuǎn)速為"i后，速度指令生成器產(chǎn)生第二加速度為a2的正向 的勻加速指令，^〈^，持續(xù)時間T使電機加速到第二轉(zhuǎn)速為"2，此為第二加速階段。在此 階段中轉(zhuǎn)動慣量計算器檢測系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩Tm的值，并與時間相乘后作T時間內(nèi)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(zhuǎn)動慣量值。 S4、當(dāng)電機加速到第二轉(zhuǎn)速為"2后，速度指令生成器產(chǎn)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(xù)時間T使電機減速到第一轉(zhuǎn)速為"p此為第一減速 階段。在此階段中轉(zhuǎn)動慣量計算器檢測系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩Tm的值，并與時間相乘后作T時間 內(nèi)的定積分得到/ 2T3TTm(t) .tdt。 S5、當(dāng)電機減速到第一轉(zhuǎn)速為"i后，速度指令生成器產(chǎn)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(xù)時間T使電機減速到轉(zhuǎn)速為O，此為第二減速階段， 至此為一個正向轉(zhuǎn)動慣量辨識循環(huán)完成。在此階段中轉(zhuǎn)動慣量計算器檢測系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩 Tm的值，并與時間相乘后作T時間內(nèi)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(zhuǎn)動 慣量值。 S6、當(dāng)一個正向轉(zhuǎn)動慣量辨識循環(huán)完成后，如果用戶選擇電機是以正反向交替旋 轉(zhuǎn)方式進行辨識，那么速度指令生成器生成一個與正向循環(huán)正好對稱的反向轉(zhuǎn)動慣量辨識 循環(huán)指令，也就是說除了轉(zhuǎn)動方向相反外，其他都相同，如圖2所示，至此一個轉(zhuǎn)動慣量辨
識循環(huán)完成。 這樣的優(yōu)勢在于當(dāng)用戶選擇以正反向交替旋轉(zhuǎn)方式進行辨識時，電機所需的最 大行程為0.0125轉(zhuǎn)，也就是說電機軸在一個很小的角度內(nèi)以一個很快的頻率正反擺動，此 時特別適用于機械結(jié)構(gòu)限制電機無法大角度旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用場合。如果用戶選擇以一個方向 旋轉(zhuǎn)方式進行轉(zhuǎn)動慣量辨識，那么速度指令生成器就繼續(xù)生成一個與前面循環(huán)完全相同速 度指令循環(huán)，如圖3所示，這樣可以在于某些機械應(yīng)用場合下，隨著電機的旋轉(zhuǎn)的行程的不
同，機械結(jié)構(gòu)位置關(guān)系會發(fā)生變化，也就是說系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量會隨著電機行程不同而變化，這時就不應(yīng)該選擇電機以正反向交替旋轉(zhuǎn)方式辨識轉(zhuǎn)動慣量，而應(yīng)選擇以一個方向旋轉(zhuǎn)方 式進行辨識，于是隨著辨識過程的持續(xù)，電機行程隨之增加，這樣就可以辨識出電機軸旋轉(zhuǎn) 在不同行程位置時所對應(yīng)的不同轉(zhuǎn)動慣量。但是此時用戶需要注意選擇正確的旋轉(zhuǎn)行程， 保證不會出現(xiàn)機械超程碰撞情況。這個可以根據(jù)用戶使用場合的不同，來選擇在轉(zhuǎn)動慣量 辨識過程中兩種不同的電機旋轉(zhuǎn)方式，是本實用新型特有的功能和優(yōu)勢。 S7、判斷此時轉(zhuǎn)動慣量辨識的持續(xù)時間是否達到步驟Sl中用戶設(shè)定的時間，如果 沒有達到則重復(fù)上面從步驟S2到步驟S6的過程，繼續(xù)轉(zhuǎn)動慣量辨識直至達到用戶設(shè)定的 時間。 雖然以上描述了本實用新型的具體實施方式
，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解， 這些僅是舉例說明，在不背離本實用新型的原理和實質(zhì)的前提下，可以對這些實施方式做 出多種變更或修改。因此，本實用新型的保護范圍由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求一種交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制器、轉(zhuǎn)動慣量計算器、數(shù)字低通濾波器、存儲顯示器、電機和負載，速度指令生成器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩控制器、電機和負載順序連接，轉(zhuǎn)矩控制器、速度指令生成器都還與轉(zhuǎn)動慣量計算器連接，轉(zhuǎn)動慣量計算器還與數(shù)字低通濾波器連接，數(shù)字低通濾波器還與存儲顯示器連接。
專利摘要本實用新型公開了一種交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量辨識器，其包括速度指令生成器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩控制器、轉(zhuǎn)動慣量計算器、數(shù)字低通濾波器、存儲顯示器、電機和負載，速度指令生成器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩控制器、電機和負載順序連接，轉(zhuǎn)矩控制器、速度指令生成器都還與轉(zhuǎn)動慣量計算器連接，轉(zhuǎn)動慣量計算器還與數(shù)字低通濾波器連接，數(shù)字低通濾波器還與存儲顯示器連接。本實用新型在轉(zhuǎn)動慣量辨識過程中，在負載轉(zhuǎn)矩?zé)o規(guī)則變化和轉(zhuǎn)動慣量變化條件下，保證轉(zhuǎn)動慣量辨識的成功完成，并保證較高的辨識精度。
文檔編號G01M1/10GK201527326SQ20092020953
公開日2010年7月14日 申請日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)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