CN106788030B - 一种电机驱动系统机械参数的计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电机驱动系统机械参数的计算方法，属于电机驱动领域，该方法包括：获取系统电机速度与电磁转矩；根据电机速度与电磁转矩获取系统中间机械参数；根据中间电机转动惯量获取系统模型结构；根据获取的系统模型结构获取系统最终机械参数。本发明实施例提供的技术方案包括以下有益效果：本方案在初次计算了机械参数之后对获取了系统模型机构，能够在确定了系统模型结构之后准确利用辨识算法进行驱动系统机械参数的计算，有效提高了机械参数的计算精度。
Description
技术领域
本发明涉及电机驱动系统领域，特别涉及一种电机驱动系统机械参数的计算方法及装置。
背景技术
伺服驱动系统机械参数辨识技术应用领域可大致分为两大类：单惯量刚性系统与双惯量弹性系统。二者的界定往往通过中间连接结构刚度的大小决定，若刚度较大，可视为单惯量系统，反之，则视为双惯量系统。
目前，伺服电机驱动系统参数的辨识往往是基于事先已知系统模型，根据确定的模型结构，再通过系统的输入输出状态量的观测，进而辨识系统机械参数。在未知模型结构时，所选用的参数辨识方法存在一定误差，因此系统机械参数的计算结果精确度较低。
发明内容
本发明实施例提供了一种电机驱动系统机械参数的计算方法及装置。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明第一实施例公开了一种电机驱动系统机械参数的计算方法，目的在于解决如何在未知系统模型时提高系统机械参数计算精度的问题。
为了解决以上问题，本发明公开了种示例性的实施例的电机驱动系统机械参数的计算方法包括：获取系统电机速度与电磁转矩；根据电机速度与电磁转矩获取系统中间机械参数；根据中间电机转动惯量获取系统模型结构；根据获取的系统模型结构获取系统最终机械参数。
本发明第二实施例公开了一种电机驱动系统机械参数的计算装置，旨在解决如何在未知系统模型时提高机械参数计算精度的问题。
为此，本发明的一种示意性实施例电机驱动系统机械参数的计算装置包括：获取单元，用以获取系统电机速度与电磁转矩；中间机械参数单元，用以根据获取单元获取的电机速度与电磁转矩获取系统中间机械参数；模型结构单元，用以根据中间机械参数单元获取的中间电机转动惯量获取系统模型结构；机械参数单元；用以根据模型结构单元获取的系统模型结构获取最终机械参数。
本发明实施例提供的技术方案包括以下有益效果：本方案在初次计算了机械参数之后获取了系统模型机构，能够在确定了系统模型结构之后准确利用辨识算法进行驱动系统机械参数的计算，有效提高了机械参数的计算精度。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是本发明一实施例的一种电机驱动系统机械参数的计算方法流程图；
图2是本发明一实施例的一种电机驱动系统机械参数的计算方法流程图；
图3是本发明实施例的一种电机驱动系统机械参数的计算装置结构示意图；
图4是本发明一实施例的一种电机驱动系统机械参数的计算方法中Ks＝400N·m/rad时的双惯量系统下的机械参数辨识结果；
图5是本发明又一实施例的一种电机驱动系统机械参数的计算方法中Ks＝800N·m/rad时的双惯量系统下的机械参数辨识结果；
图6是利用单惯量辨识算法，Ks＝800N·m/rad时的单惯量系统机械参数辨识结果；
附图标记说明：1、获取单元；2、辨识中间机械参数单元；3、辨识模型结构单元；4、辨识最终机械参数单元。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法、产品等而言，由于其与实施例公开的方法部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本发明第一实施例公开了一种电机驱动系统机械参数的计算方法，目的在于解决如何在未知系统模型时提高系统机械参数计算精度的问题。
为实现以上目的，本发明公开了一种电机驱动系统机械参数的计算方法实施例，作为本发明的一种示例性实施例，如图1所示，本发明包括以下步骤：
步骤S101：获取系统电机速度与电磁转矩；
步骤S102：根据电机速度与电磁转矩获取系统中间机械参数；
步骤S103：根据中间机械参数获取系统模型结构；
步骤S104：根据获取的系统模型结构获取系统最终机械参数。
本方案在初次计算了机械参数之后获取了系统模型机构，能够在确定了系统模型结构之后准确利用辨识算法进行驱动系统机械参数的计算，有效提高了机械参数的计算精度。
可选的，步骤S102中根据电机速度与电磁转矩获取系统中间机械参数有多种实现方法。下面示出其中一种可选的实施方法：利用电机速度与电磁转矩运用双惯量辨识算法获取系统的中间机械参数。
根据双惯量辨识算法获取系统中间机械参数包括：系统的电机转动惯量中间负载转动惯量中间轴刚度中间轴阻尼中间电机阻尼和中间负载阻尼
作为本实施例的一种实施方法，根据基于最小二乘的双惯量辨识算法获取中间机械参数包括：
根据系统的输入输出向量，辨识出系统的离散域参数；
根据系统的离散域参数计算出系统的机械参数向频域，求出系统的待求机械参数。
其中，根据系统输入输出向量，辨识出系统的离散域参数包括：以电机的电磁转矩作为输入向量，电机转速作为输出向量，构建双惯量系统辨识算法的传递函数为：
其中，ω1(s)为电机转速，Tε(s)为电磁转矩；
B(s)＝J2s2+(cs+b2)s+Ks；
A(s)＝[J1J2s3+(J1cs+J2cs+J2b1+J1b2)s2+(J1Ks+J2Ks+csb1+csb2+b1b2)s+Ks(b1+b1)]
J1为电机转动惯量的真实值，J2为电机负载转动惯量的真实值，Ks为轴刚度的真实值，Cs为轴阻尼的真实值，b1为电机阻尼的真实值，b2为负载阻尼的真实值；
对应到离散域，考虑控制量的自回归CAR模型：
其中，z为时间移位算子，y(k)为离散域内的输出的采样，u(k)为离散域内的输入的采样，e(k)为系统的输出误差，A(z)与B(z)分别为频域传递函数中分母分子的离散表达形式，得到待辨识的z域脉冲传递函数如下：
其中，θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6为双惯量系统利用最小二乘法直接辨识出的六个机械参数对应的离散域参数，
推导获得第k个采样周期获得的输出离散方程：
其中，θ分别表示预测向量和参数向量。
引入遗忘因子λ，代表数据的权重，其取值范围为0.95≤λ≤1，引入P(k)向量与K(k)向量，得到带遗忘因子的最小二乘算法的递推表达形式如下：
选择初值P(0)与
第k次观测的估计数出为：
对象实际输出与估计输出之差e(k)为
对于L次观测，取如下性能指标：
式中，E＝[e(1),e(1),…e(L)]'。
参数的最小二乘估计，就是求出使目标函数取极小值的参数为使目标函数达到极小值，对J求的一阶导数，并令其为0。如果满秩，则得到：
其中，Y＝[y(1),y(2),…y(L)]'，分别为L次观测的输出数据和历史输入输出数据向量。另外，所以满足目标函数的使J取得极小值。则可得到最终z域辨识结果，其中P(0)与的初值取电机系统的额定值数据。
进一步根据离散域参数计算出参数向频域，求出待求机械参数包括：利用零极点匹配法进行离散化，
离散域的零极点表达形式如下：
其中，β1＝θ1，β2＝θ2/θ1，β3＝θ3/θ1，α1+α2＝θ4，α1α2+α3＝θ5，α1α3＝θ6。
频域的零极点表达形式如下：
接下来，即为离散域向频域传递函数的转化，方法选为零极点匹配法，即两个域内的零极点按照特定规则转换，T表示采样周期。有下列对应关系式：
合并s域传递函数的同类项，得到如下形式：
其中b1＝b′1，b2＝2b′1b′2，a1＝a′1+2a′2，
向待辨识的时域机械参数转换，得六个机械参数的辨识结果，如下：
利用上述六个式子便能够得到系统的六个外部机械参数 的辨识值。
可选的，当获取的中间机械参数为电机转动惯量时，根据中间电机转动惯量获取系统模型结构有多种实现方法，下面示出其中一种可选的实施例：
根据中间电机转动惯量获取系统模型结构，包括：利用评价函数P获取系统模型结构，评价函数P的表达式为：
其中，J1为电机的转动惯量真实值；e为预设计算误差；NP为电机速度的采样次数；
若P＜0，则系统为双惯量结构；若P≥0，则系统为单惯量结构。
其中，J1为工程中获取的转动惯量的真实值。e为预设计算误差，取值可以5％、6％、7％、4％、10％等。
表示中间电机转动惯量相对于真实值J1的相对误差。
NP为电机速度的采样次数。取多次电机转动惯量的计算误差的平均值，更能准确的表示计算值与真实值之间的误差。由于辨识算法只在系统暂态过程中实施，NP取值越大，评价函数结果越精确。但是考虑到系统的采样时间不能做到无限短，且待计算结果收敛后，计算值波动幅度不大，因此NP的取值范围一般为5～10、4～12等。本领域的技术人员在具体实施过程中可以根据实际需要对NP的取值进行设定。机械系统的六个最终参数，包括最终电机转动惯量最终负载转动惯量最终轴刚度最终轴阻尼最终电机阻尼和最终负载阻尼其计算结果实际在计算过程中相互影响，因此若能够判断其中一个计算值的准确性，也能推断出其他参数的计算精确程度，而电机转动惯量往往在工程实际中是已知的，因此可以构建一个由电机惯量计算误差为变量的评价函数P来辨识系统的模型结构。
可选的，在步骤S103中，获取的系统模型结构可能是双惯量模型结构，也可能是单惯量模型结构，当获取的系统模型结构为双惯量模型结构时，确定步骤S102中的中间机械参数为系统的最终机械参数。
当获取的系统模型结构为单惯量模型结构时，根据单惯量辨识算法获得系统的最终机械参数，获取的最终机械参数为：总惯量和阻尼其中，单惯量辨识算法可以为利用最小二乘的单惯量辨识算法。
在上述实施例中，获取了系统模型结构之后，根据模型结构的不同选用了不同的辨识算法，因此机械参数的计算结果更加精确。
如图2所示，为本发明实施例一种电机驱动系统机械参数计算实施方法的流程图：选取电机速度取值区间500rpm<ω1<2500rpm作为本实施例的使能部；对电机驱动系统暂态过程下的电机速度与电磁转矩进行采样，作为电机驱动系统机械参数计算方法的输入；利用基于最小二乘的双惯量辨识算法(英文简称：TM-IA)计算系统的六个外部机械参数，分别是电机转动惯量负载转动惯量轴刚度轴阻尼电机阻尼负载阻尼将Np次电机转动惯量的计算值与真实值的差值绝对值，与预设计算误差e做差，得到评价函数P，判断系统结构为单惯量系统或双惯量系统；若P<0，则认为系统结构为双惯量模型，然后确定上述利用TM-IA法获得的六个机械参数为电机驱动系统的机械参数值；若P≥0，则认为系统结构为单惯量模型，然后按照基于最小二乘的单惯量辨识法(英文简称：OM-IA)计算系统的两个外部机械参数：系统总的惯量和与阻尼其中利用最小二乘的双惯量辨识算法获得六个机械参数如上文所述，此处不再赘述。
本发明还公开了一种电机驱动系统机械参数的计算装置，如图3所示，包括：获取单元1，用以获取系统的电机速度与电磁转矩；中间机械参数单元2，用以根据获取单元1获取的电机速度与电磁转矩获取系统中间机械参数；模型结构单元3，用以根据中间机械参数单元2获取的中间机械参数获取系统模型结构；最终机械参数单元4，用以根据模型结构单元3获取的系统模型结构获取最终机械参数。
本方案在初次计算了机械参数之后获取了系统模型机构，能够在确定了系统模型结构之后准确利用辨识算法进行驱动系统机械参数的计算，有效提高了机械参数的计算精度。
可选的，中间机械参数单元2根据获取单元1获取的电机速度与电磁转矩获取系统中间机械参数有多种实现方法，作为一种可选的实施例，中间机械参数单元2根据获取单元1获取的电机速度与电磁转矩根据双惯量辨识算法获取系统中间机械参数。其中利用双惯量辨识算法获取中间机械参数的方法如上文所述，在此不再赘述。
在上述实施例中，中间机械参数单元2运用双惯量辨识算法获取中间机械参数包括：系统电机转动惯量中间负载转动惯量中间轴刚度中间轴阻尼中间电机阻尼和中间负载阻尼
可选的，当中间机械参数单元2获取的中间机械参数为系统的电机转动惯量时，模型结构单元3根据中间电机转动惯量获取系统模型结构有多种实现方式，下面示出其中一种可选的实施方式：
模型结构单元3根据中间机械参数单元2获取的中间电机转动惯量获取系统模型结构，包括：利用评价函数P获取系统模型结构；评价函数P的表达式为：
其中，J1为所述电机的转动惯量真实值；e为预设计算误差；NP为电机速度的采样次数；
若P＜0，则模型结构单元3获取系统模型结构为双惯量结构；若P≥0，则模型结构单元3获取系统模型结构为单惯量结构。
其中，J1为工程中获取的转动惯量的真实值。e为预设计算误差，取值可以5％、6％、7％、4％、10％等。
表示中间电机转动惯量相对于真实值J1的相对误差。
NP为电机速度的采样次数。取多次电机转动惯量的计算误差的平均值，更能准确的表示计算值与真实值之间的误差。由于辨识算法只在系统暂态过程中实施，NP取值越大，评价函数结果越精确。但是考虑到系统的采样时间不能做到无限短，且待计算结果收敛后，计算值波动幅度不大，因此NP的取值范围一般为5～10、4～12等。本领域的技术人员在具体实施过程中可以根据实际需要对NP的取值进行设定。机械系统的六个最终参数，包括最终电机转动惯量最终负载转动惯量最终轴刚度最终轴阻尼最终电机阻尼和最终负载阻尼其计算结果实际在计算过程中相互影响，因此若能够判断其中一个计算值的准确性，也能推断出其他参数的计算精确程度，而电机转动惯量往往在工程实际中是已知的，因此可以构建一个由电机惯量计算误差为变量的评价函数P来辨识系统的模型结构。
可选的，模型结构单元3获取的系统模型结构可能是双惯量模型结构，也可能是单惯量模型结构。
当模型结构单元3获取的系统模型结构单元为双惯量模型结构时，最终机械参数单元4确定中间机械参数单元获取的系统中间机械参数为最终机械参数当模型结构单元3获取的系统模型结构为单惯量模型结构时，最终机械参数单元4根据单惯量辨识算法获取最终机械参数，最终机械参数单元4获取的最终机械参数为：总惯量和阻尼
在本实施例中，判定装置在模型结构单元3获取了系统模型结构之后，根据模型结构的不同选用不同的辨识算法对机械参数进行了二次计算，因此计算结果更加精确。
下面结合图1至图6说明本实施例的具体实施方式，为了验证本发明方法的可实施性，在PMSM交流伺服系统框图仿真平台实现该方法。仿真平台上电机的额定转矩为2.39N·m，额定转速为3000rpm，电机转动惯量J1＝5×10-4kg·m2，负载转动惯量J2＝5×10-4kg·m2，轴系刚度Ks＝400或800N·m/rad，轴系阻尼cs＝1.5×10-2N·m·s/rad，电机阻尼b1＝1×10-3N·m·s/rad，负载阻尼b2＝1×10-3N·m·s/rad。
当给定速度为3000rpm矩形波，电磁转矩设为2倍额定限幅，在较小轴系刚度Ks＝400N·m/rad条件下，系统响应以及利用最小二乘的双惯量辨识法得到的六个机械参数的辨识结果如图3所示。可见，速度与转矩波动较小，六个机械参数经过2次迭代基本能够收敛，根据电机惯量的辨识误差评价函数，可计算收敛后，Np＝5时的评价函数P＝-4.926％，因此P＜0，认为系统为双惯量结构，按照双惯量模型所对应的双惯量辨识算法输出六个参数收敛后的辨识结果，分别为负载转动惯量轴刚度轴阻尼 电机阻尼负载阻尼
当轴系刚度较大，Ks＝800N·m/rad时，系统响应以及利用基于最小二乘的双惯量辨识算法得到的六个机械参数的辨识结果如图4所示。可见，六个机械参数辨识误差均很大，已经明显超出了预设误差，因此可以推断该刚度较大的驱动系统利用双惯量辨识算法实际上是不合理的。下一步，利用本发明引入的评价函数进行理论上的推导，可计算基于辨识值稳定后的5次相对误差平均值的评价函数P＝96％，因此P≥0，认为系统为单惯量结构，按照双惯量模型所对应的单惯量辨识算法输出量个参数收敛后的辨识结果如图5所示，分别为系统总的惯量系统总的阻尼
在以上所有的实施例中，双惯量辨识算法可以为基于最下二乘的双惯量辨识算法。在以上所有的实施例中，单惯量辨识算法可以为基于最小二乘的单惯量辨识算法。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种电机驱动系统机械参数的计算方法，其特征在于包括：
获取所述系统电机速度与电磁转矩；
根据所述电机速度与电磁转矩获取所述系统中间机械参数；
根据所述中间机械参数获取所述系统模型结构；
根据所述获取的所述系统模型结构获取所述系统的最终机械参数；
当中间机械参数包括系统的中间电机转动惯量时，获取所述系统模型结构包括：利用评价函数p获取所述系统模型结构，所述评价函数p的表达式为：
其中，J1为所述电机的转动惯量真实值；
e为预设计算误差；
Np为电机速度的采样次数；
其中，若p＜0，则所述系统为双惯量模型结构；若p≥0，则所述系统为单惯量模型结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述电机速度与电磁转矩获取系统中间机械参数包括：
根据所述电机速度与电磁转矩运用双惯量辨识算法获取所述系统的中间机械参数。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述中间机械参数还包括：中间负载转动惯量中间轴刚度中间轴阻尼中间电机阻尼和中间负载阻尼
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，若所述系统模型结构为双惯量模型结构，则确定所述中间机械参数为系统的最终机械参数。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：若所述系统模型结构为单惯量模型结构，根据单惯量辨识算法获取所述系统的最终机械参数，获取的所述最终机械参数为：总惯量和阻尼
6.一种电机驱动系统机械参数的计算装置，其特征在于包括：
获取单元，用以获取系统的电机速度与电磁转矩；
中间机械参数单元，用以根据所述获取单元获取的所述电机速度与电磁转矩获取系统中间机械参数；
模型结构单元，用以根据所述中间机械参数单元获取的所述中间机械参数获取所述系统模型结构；
最终机械参数单元；用以根据所述模型结构单元获取的所述系统模型结构获取最终机械参数；
当所述中间机械参数包括中间电机转动惯量时，还包括：利用评价函数p获取系统模型结构；
所述评价函数p的表达式为：
其中，J1为所述电机的转动惯量真实值；
e为预设计算误差；
Np为电机速度的采样次数；
其中，若p＜0，则模型结构单元获取所述系统模型结构为双惯量模型结构；若p≥0，则模型结构单元获取所述系统模型结构为单惯量模型结构。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，中间机械参数单元根据所述获取单元获取的所述电机速度与电磁转矩获取系统中间机械参数，包括：
所述中间机械参数单元根据所述获取单元获取的所述电机速度与电磁转矩根据双惯量辨识算法获取系统中间机械参数。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：所述中间机械参数单元根据所述获取单元获取的所述电机速度与电磁转矩根据双惯量辨识算法获取的中间机械参数还包括：中间负载转动惯量中间轴刚度中间轴阻尼中间电机阻尼和中间负载阻尼
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，若所述模型结构单元获取的所述系统模型结构为双惯量模型结构，所述最终机械参数单元确定所述中间机械参数为所述最终机械参数。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，若所述模型结构单元获取的所述系统模型结构为单惯量模型结构，所述最终机械参数单元根据单惯量辨识算法获取所述最终机械参数；所述最终机械参数单元获取的机械参数为：总惯量和阻尼
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| "双惯量弹性伺服系统外部机械参数辨识综述";王璨等;《中国电机工程学报》;20160205;第36卷(第3期);第804-817页 * |
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