电气传动系统中电动机转动惯量的实验估计方法

摘要

本发明提供了一种电气传动系统中电动机转动惯量的实验估计方法，该方法是基于电机矢量控制原理，通过先确定电流内环参数，再设计转速外环参数的方法来设计控制系统以实现高精度的控制效果；电流内环的控制参数跟电机系统自身参数有关，转速外环的参数与整个传动链转动惯量有关，其中：转速外环设计的重点在于转动惯量的求得；具体包括：一、确定控制系统电流内环参数；二、实验估计转动惯量。本发明为高精度的电机控制系统提供参数设置的依据，提高控制系统研发效率并作为电机控制中自适应参数辨识的重要组成部分。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子领域中电机运动控制的应用，具体地，涉及一种电气传动系 统中电动机转动惯量的实验估计方法。

背景技术

电气传动系统广泛应用于人类生产与生活中，如提升机系统、电机系统、船舶推进 系统、发电系统等。目前，高精度的电气拖动控制系统通常应用矢量控制技术，需要对 电机参数有精确的了解。然而，在通常情况下，电机转动惯量这一重要参数并不明确， 需要在控制系统设计之前对转动惯量进行精确估计。

转动惯量是刚体在转动过程中惯性大小的量度，它与刚体的总质量、形状和转轴的 位置等因素有关，对于形状较为简单的刚体，可以通过数学的方法计算它绕特定轴的转 动惯量。但是，在电机拖动系统中，尤其是随着电动机功率的增大，往往存在齿轮箱等 机械转轴，使得整个系统的转动惯量耦合因素较多，用数学的方法进行精确计算非常困 难，这给高精度的电机控制带来了困扰。因此，为了得到精确的电动机转动惯量，实现 高精度的电机控制，满足系统的稳定性、安全性和快速性，研究拖动系统中转动惯量的 实验测量方法有其重要意义。

经检索，申请（专利）号:01130057.4，名称:异步电机转动惯量辨识方法，该发 明涉及一种异步电机转动惯量辨识方法，包括以下步骤：采用转矩矢量控制方法，控制 电机以恒定角加速度从角速度ω₁空载运行到角速度ω₂，记录运行时间Δt；采用速度 矢量控制方法，控制电机以恒定角速度ω₃空载稳速运行，根据这时的转矩电流分量I_t^*计算电磁转矩值从而得出电机的摩擦转矩T₀，再根据运行时间Δt和摩擦转矩T₀计算出 电机的转动惯量J。该发明只适用于异步电机，且需计算摩擦转矩，使用上不是简单方 便，控制精度不够。

经检索，申请（专利）号:200810018783.0，名称:交流伺服系统的转动惯量辨识 方法，该专利提供一种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。该发明提供了一种永磁同步伺服电机的转动惯量估计方法，实现简单方便， 但是该方法仅适用于同步电机的转动惯量估计，方法不具一般性。

经检索，申请（专利）号:201110374048.5，名称：一种测量传动系统转动惯量的 方法，提供了一种测量传动系统转动惯量的方法，属于轧制过程自动控制技术领域，传 动装置控制电机启动，电机带动卷取机工作；低速运转电机使传动机械设备处于热运转 状态，所述的传动机械设备包括电机、减速机和卷取机；计算传动机械设备的摩擦转矩： 绘制转速-摩擦转矩曲线；设置输出转矩限幅M₀，测试传动机械设备的转动惯量；分别 计算得到几组转动惯量，去掉其中的奇异点取剩下几组的平均值作为最终传动机械设备 的转动惯量。该发明同样不具一般性，应用范畴不广。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电气传动系统中电动机转动惯 量的实验估计方法，该方法为高精度的电机控制系统提供参数设置的依据，提高控制系 统研发效率并作为电机控制中自适应参数辨识的重要组成部分。

为实现以上目的，本发明提供一种电气传动系统中电动机转动惯量的实验估计方 法，该方法是基于电机矢量控制原理，通过先确定电流内环参数，再设计转速外环参数 的方法来设计控制系统以实现高精度的控制效果；电流内环的控制参数跟电机系统自身 参数有关，转速外环的参数与整个传动链转动惯量有关，其中：转速外环设计的重点在 于转动惯量的获得，具体的：

一、确定控制系统电流内环参数

电流内环参数的设定首先要写出系统关于电流状态量的传递函数，通过将其传函等 效为二阶“最优”模型进行理论参数设计，并通过实验的方法对理论参数进行适当调试， 以满足电流快速性与稳定性的综合指标；通过电流内环参数的设置，可以实现电机励磁 电流与转矩电流的解耦控制；

二、实验估计转动惯量

转动惯量的估计基于电机的运动方程：

$\frac{J}{P}\frac{\mathrm{d\omega }}{\mathrm{dt}}=T_e-T_L$

其中：J为转动惯量；

P为电动机极对数；

ω为电动机电角速度；

T_e为电磁转矩；

T_L为负载转矩。

实验估计转动惯量的具体步骤如下：

（1）首先投入励磁电流环，在电机磁场建立以后，即励磁电流实际值达到给定值 以后进行转速环阶跃给定，并通过设置转速环限幅作为输出转矩的限幅值T_e1使电机从零 速恒转矩启动，空载运行，电机转速将以恒定斜率增加，记录运行速度ω₁与达到该转速 所经历的时间t₁，此时：

$\frac{J}{P}\frac{d{\omega }_1}{\mathrm{dt}}=T_{e1}-T_0$

其中：T₀为空载情况下的摩擦转矩；

（2）通过重复上述步骤，使电机工作在恒定的转矩限幅值T_e2从零速空载启动，记 录相应的运行时间t₂与最终转速ω₂，得到新的运动方程：

$\frac{J}{P}\frac{{\mathrm{d\omega }}_2}{\mathrm{dt}}=T_{e2}-T_0$

联立上面两式，得到：

$J=\frac{(T_{e1}-T_{e2}){\mathrm{Pt}}_1{t}_2}{{\omega }_1{t}_2-{\omega }_2{t}_1}$

（3）最后通过多次实验数据，得到多组转动惯量的估计值J₁,J₂,...,J_n，通过数据 处理如平均值或最小二乘法，得到最终的电机转动惯量，并以此作为转速外环参数的设 置参考。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）无需增加硬件成本，利用矢量控制励磁与转矩解耦控制的原理，为未知转动 惯量的电机传动系统提供了转动惯量的估计方法；

（2）对基于矢量控制的电机控制系统的转速外环参数的设计提供了参考依据；

（3）同时适用于同步电机与异步电机的转动惯量估计。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特 征、目的和优点将会变得更明显：

图1、2、3为本发明转动惯量实验方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

如图1、图2、图3所示，本实施例提供一种电气传动系统中电动机转动惯量的 实验估计方法。在电机拖动系统中，往往采用矢量控制的方法，通过电流内环与转速外 环的双闭环结构来实现高精度的控制效果。电流内环用于励磁电流与转矩电流的解耦控 制，其控制参数主要跟电机系统自身参数有关；转速外环用于跟踪转速给定、决定转矩 电流大小，转速外环的参数主要与整个传动链转动惯量有关。为了实现控制系统的目标 带宽，可以通过先确定电流内环参数，再设计转速外环参数的方法来设计控制系统。具 体的：

一、确定控制系统电流内环参数

电流内环参数的设定首先要写出系统关于电流状态量的传递函数，通过将其传函等 效为二阶“最优”模型进行理论参数设计，并通过实验的方法对理论参数进行适当调试， 以满足电流快速性与稳定性的综合指标；通过电流内环参数的设置，实现电机励磁电流 与转矩电流的解耦控制；

二、实验估计转动惯量

转动惯量的估计基于电机的运动方程：

$\frac{J}{P}\frac{\mathrm{d\omega }}{\mathrm{dt}}=T_e-T_L$

其中：J为转动惯量；

P为电动机极对数；

ω为电动机电角速度；

T_e为电磁转矩；

T_L为负载转矩。

实验估计转动惯量的具体步骤如下：

（1）首先投入励磁电流环，在电机磁场建立以后，即励磁电流实际值达到给定值 以后进行转速环阶跃给定，并通过设置转速环限幅作为输出转矩的限幅值T_e1使电机从零 速恒转矩启动，空载运行，电机转速将以恒定斜率增加（如图1所示），记录运行速度ω₁与达到该转速所经历的时间t₁，此时，有：

$\frac{J}{P}\frac{{\mathrm{d\omega }}_1}{\mathrm{dt}}=T_{e1}-T_0$

其中：T₀为空载情况下的摩擦转矩；

（2）通过重复上述步骤，使电机工作在恒定的转矩限幅值T_e2从零速空载启动（如 图2所示），记录相应的运行时间t₂与最终转速ω₂，得到新的运动方程：

$\frac{J}{P}\frac{{\mathrm{d\omega }}_2}{\mathrm{dt}}=T_{e2}-T_0$

联立上面两式，得到：

$J=\frac{(T_{e1}-T_{e2}){\mathrm{Pt}}_1{t}_2}{{\omega }_1{t}_2-{\omega }_2{t}_1}$

（3）最后通过多次实验数据，得到多组转动惯量的估计值J₁,J₂,...,J_n，通过数据 处理，如平均值或最小二乘法，得到最终的电机转动惯量，并以此作为转速外环参数的 设置参考（如图3所示）。

本发明基于电机矢量控制原理，提供了一种电气传动系统中电动机转动惯量的实验 估计方法，其为高精度的电机控制系统提供参数设置的依据，提高控制系统研发效率并 且可以作为电机控制中自适应参数辨识的重要组成部分。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。