一种电机的转动惯量辨识方法及采用该方法的装置与流程

1.本技术属于电机控制技术领域，尤其涉及一种电机的转动惯量辨识方法及采用该方法的装置。


背景技术：

2.在伺服电机的驱动控制过程中，电机转动惯量的辨识准确性对于提高控制精度和响应性具有很大的影响。现有技术如申请号为202210095264.4的惯量辨识方法，在辨识阶段，因为惯量不匹配导致的控制震荡，以至于辨识结果不太准确。又如申请号为202010257839.9的关联辨识方法，采用速度模式控制电机，但速度模式无法精确定位电机的转动位置，在伺服运行轨迹长度有限制的情况下，该辨识方法十分不便。以及申请号为202210095264.4的惯量辨识方法，采用了位置控制进行负载惯量的计算，但纯粹的位置控制下，电机的加减速过程很难平滑，而离线惯量辨识的运动计算公式需要严格基于平滑加减速运动的过程，该辨识的结果很难精准。现有技术存在不足。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于在伺服电机和伺服控制器组成的驱动系统中为伺服控制器提供一种电机的转动惯量辨识方法及装置，旨在解决位置控制模式下无法让加速度变化更加贴近均匀加减速的技术问题。
4.一方面，本技术提供了一种电机的转动惯量辨识方法，所述方法包括下述顺序步骤：s1.根据电机指令、电机速度与电机位置的关系建立电机的位置控制模型；s2.基于所述位置控制模型，采用在速度前馈下进行位置闭环控制的方式，控制电机的加速度平稳变化；s3.以所述加速度控制电机进行来回的加减速，根据电机运动方程，采集电机电流计算出转动惯量。
5.另一方面，本技术还提供了一种采用如上述方法的电机的转动惯量辨识装置，所述装置包括：速度前馈位置控制模块，采用速度前馈下位置控制的数学模型，使得位置控制模式下仍然能让伺服电机的速度运行更加贴近均匀加减速；加速度规划模块，在惯量辨识过程中调整惯量的自动优化来获得更准确的辨识值；避免初始惯量不匹配时，控制伺服电机过程出现的震荡；惯量辨识模块，通过电机运动方程来计算伺服控制中伺服电机的转动惯量。
6.另一方面，本技术还提供了一种存储介质，所述存储介质存储有能够实现上述方法的程序文件。
7.另一方面，本技术还提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述电机的转动惯量辨识方法。
8.本技术为了在位置控制模式下仍然能让电机的速度运行更加贴近均匀加减速，采用了速度前馈下位置控制的数学模型。通过速度前馈模块根据位置指令输出比例参数对位置环控制模块输出的速度指令进行调整。从而使位置控制的加速度控制也能均匀平滑的加减速，以符合离线惯量辨识的运动计算公式的要求，提高辨识结果的准确性。采用该方法的装置、存储介质和执行该方法的处理器也同样具有上述技术效果。
附图说明
9.图1是本技术实施例一提供的电机的转动惯量辨识方法的主要步骤图；图2是本技术实施例一采用的控制模型框图；图3是本技术实施例二提供的电机的转动惯量辨识装置的系统架构框图；图4是本技术实施例一中辨识过程具体流程示意图。
具体实施方式
10.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术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技术，并不用于限定本技术。
11.以下结合具体实施例对本技术的具体实现进行详细描述：实施例一：图1示出了本技术实施例一提供的电机的转动惯量辨识方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本技术实施例相关的部分，详述如下：本技术提供了一种电机的转动惯量辨识方法，用于在伺服电机和伺服控制器组成的驱动系统中为伺服控制器准确辨识电机转动惯量。所述方法包括下述顺序步骤：s1.根据电机指令、电机速度与电机位置的关系建立电机的位置控制模型；s2.基于所述位置控制模型，采用在速度前馈下进行位置闭环控制的方式，控制电机的加速度平稳变化；s3.以所述加速度控制电机进行来回的加减速，根据电机运动方程，采集电机电流计算出惯量。
12.如图4所示，所述步骤s3包括以下顺序流程：s31.在开始辨识时设置电机运行的初始加速度小于等于最大加速度十分之一；s32.控制电机进行来回的加减速，以加减速过程中实时记录的电机q轴电流计算出电机的实时转动惯量；s33.将所述实时转动惯量除以电机惯量得到转动惯量比，代入位置环和速度环的pid控制参数中；其中，代入过程为：新控制参数=转动惯量比*原控制参数；s34.增加电机运行时的加速度；s35.判断实时加速度是否大于所述最大加速度，若不大于，则回到所述步骤s32继续执行辨识；若大于,则停止辨识，将最后计算得到的实时转动惯量作为最终辨识到的转动惯量。
13.在具体实施时，但由于初始惯量不匹配时，电机的控制过程极可能会震荡，这会导
致辨识不准确或辨识失败。为提高辨识精度和辨识算法的鲁棒性，辨识过程中需要以上述步骤中的自动调整惯量自动优化的策略来获得更准确的辨识值。
14.进一步的，所述初始加速度设置为100rpm/s；所述最大加速度的设置为1000rpm/s；所述步骤s34中加速度的增幅为100 rpm/s。
15.进一步的，所述步骤s1的位置控制模型包括：位置环控制模块、速度环控制模块、积分模块和速度前馈模块；所述位置环控制模块输入位置指令与前一段时间的电机位置的差值作为速度指令，输出给所述速度环控制模块；所述速度前馈模块根据所述位置指令输出比例参数对所述位置环控制模块输出的速度指令进行调整，使得加速度平稳变化；所述速度环控制模块执行调整后的速度指令，输出实时的电机速度给所述积分模块；所述积分模块将所述实时的电机速度处理为实时的电机位置反馈给所述位置环控制模块。
16.如图2所示的控制模型，其中，为输入位置环控制模块的指令，该指令为表示电机位置的一个数值，电机会按照该数值运行至相应位置；为位置反馈，就是积分模块反馈回来的实时电机位置，该位置也是一个数值。1/s表示积分模块。速度环控制模块出来的信号为伺服电机执行该指令的实时的电机速度，通过积分模块算出实时的伺服电机位置并反馈会位置环控制模块。
17.已知速度环控制模块和位置环控制模块均采用pid控制，其中速度环控制模块为比例积分控制，位置环控制模块为比例控制。
18.当令速度前馈模块的控制器的传递函数为,其中，为速度前馈传递函数的比例系数，s时间t在频域的拉普拉斯变换；速度环控制模块的闭环pi传递函数为，其中，为速度环传递函数的比例系数，为速度环传递函数的积分系数；位置环控制模块的闭环p传递函数的比例增益为时，对应的位置环闭环传递函数如下：；由上可知，当令时，对于任意输入，都有。即输入等于输出。因为位置环控制模块输入的控制指令为用户自己给出的，为一个固定值。而位置环控制模块为纯粹的比例控制，即输出为这个固定值乘以比例增益。所以当前馈按照最大值（即100）给与时，从位置环输出给到速度指令的增加值就是速度前馈值了。
19.又因为通常在伺服控制的pid调试经验中，会采用令位置环控制模块的比例增益为速度环控制模块的比例增益的1.5倍。在前述加上前馈后，可能会导致位置环控制模块过强而震荡，因此降低位置环的强度，令位置环控制模块的比例增益为速度环控制模块的比例增益的0.5倍。从而，可以在位置环控制模块控制平稳的情况下，令位置环控制模块输出的速度指令的增加值，为直接给予的速度前馈，即可以使得电机的加速平稳。
20.进一步的，所述电机运动方程为：；其中，为转动惯量，为电机机械转速的微分，为电磁转矩，为负载转矩，t为时间。
21.进一步的，所述步骤s32的具体过程包括：s321.在位置a点到位置b点间，进行加速度固定的匀加速运行，对此阶段的电机的q轴电流进行积分后乘以转矩常数，获得加速阶段电磁转矩的积分：；其中为带测试转动惯量的电机的转矩系数,为加速阶段所需的时间；s322.在与位置a点到位置b点同等长度的位置b点到位置c点间，进行加速度固定的匀减速运动，对此阶段的电机的q轴电流进行积分后乘以转矩常数，即获得减速阶段电磁转矩的积分：；其中为减速阶段所需的时间；s323.通过前两步获得的数值，令a点到c点间的速度最大值为，在这一次匀加速匀减速后，进行运算得到电机的转动惯量为：；为了保护受控的机械不运行出量程，用户进行离线惯量辨识时需要采用位置控制的模式。为了在位置控制模式下仍然能让伺服电机的运行更加贴近均匀加减速，本技术采用了速度前馈下位置控制的数学模型。在控制时，将前馈速度的参数给与100，同时降低位置环比例增益使其为速度环比例增益的一半。通过计算传递函数可知该情况下 ，通过增加速度前馈的比例参数，可以让位置环控制输出的速度指令平稳增加，与直接的用速度模式控制一样匀加速。
22.惯量不匹配时，控制可能会导致伺服电机运行震荡，导致后续辨识惯量的结果不准确或辨识失败。为提高辨识精度和辨识算法的鲁棒性，本技术在惯量辨识过程中采用自动调整惯量自动优化的策略来或获得更准确的辨识值。即刚开始辨识时采用较小的加速度，让速度更平稳，辨识结果出来后设定转动惯量比，根据设定的转动惯量比继续辨识，同时加大加速度值。重复以上多次，直到加速度值达到设定的最大值，即可完成准确的惯量辨识。
23.实施例二：图3示出了本技术实施例二提供的电机的转动惯量辨识装置的基本架构，为了便于说明，仅示出了与本技术实施例相关的部分。
24.一种采用如上述任意一项所述方法的电机的转动惯量辨识装置，所述装置包括：速度前馈位置控制模块，采用速度前馈下位置控制的数学模型，使得位置控制模式下仍然能让伺服电机的速度运行更加贴近均匀加减速；在计算传递函数可知该情况下，通过增加速度前馈的比例参数，可以让传递函数的比例增大，从而让位置环控制输出的速
度指令平稳增加，与直接的用速度模式控制一样匀加速。
25.加速度规划模块，在惯量辨识过程中调整惯量的自动优化来获得更准确的辨识值；避免初始惯量不匹配时，控制伺服电机过程出现的震荡；在具体实施时，由于初始转动惯量不匹配时（即初始辨识前我们并不知道实际的转动惯量是多少，但需要给与一个初值，这个初值就是初始转动惯量与实际值不相等），控制过程极很大可能会导致伺服电机震荡，这会导致后续的惯量辨识不准确或辨识失败。为提高辨识精度和辨识算法的鲁棒性，辨识过程中需要以自动调整惯量自动优化的策略来获得更准确的辨识值。
26.惯量辨识模块，通过电机运动方程来计算伺服控制中伺服电机的转动惯量。
27.进一步，所述装置还包括：监控速度振动的模，与所述惯量辨识模块连接，在监控到伺服电机的速度振动超过限制值时，停止惯量辨识并报错；从而增加辨识结果的可靠性。
28.实施例三：本技术实施例三提供的一种存储介质，所述存储介质存储有能够实现上述任意一项所述的电机的转动惯量辨识方法的程序文件。
29.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如rom/ram、磁盘、光盘等。
30.实施例四：本技术实施例四提供的一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述任意一项所述的电机的转动惯量辨识方法。
31.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。