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1、10申请公布号CN104124908A43申请公布日20141029CN104124908A21申请号201410329070122申请日20140710H02P21/1420060171申请人深圳市汇川技术股份有限公司地址518101广东省深圳市宝安区宝城70区留仙二路鸿威工业区E栋72发明人姚虹周兆勇徐飞鹏74专利代理机构深圳市顺天达专利商标代理有限公司44217代理人陆军54发明名称在线识别惯量比的系统及方法57摘要本发明提供了一种在线识别惯量比的系统及方法，上述系统包括采样单元、第一计算单元以及第二计算单元，其中所述采样单元，用于在伺服电机启动或反向时，以固定的采样时间采集多个伺服电机。
2、的转速及对应的电流；所述第一计算单元，用于根据所述电流计算电磁转矩，并以所述采集的转速及计算获得的电磁转矩迭代计算辨识向量；所述第二计算单元，用于根据所述辨识向量计算惯量比。本发明通过采样的转速、电流迭代计算辨识向量并通过辨识向量计算获得惯量比，无需离线操作即可获得伺服电机的惯量比参数，简化了用户操作。51INTCL权利要求书2页说明书6页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图2页10申请公布号CN104124908ACN104124908A1/2页21一种在线识别惯量比的系统，其特征在于包括采样单元、第一计算单元以及第二计算单元，其中所述采样单元。
3、，用于在伺服电机启动或反向时，以固定的采样时间采集多个伺服电机的转速及对应的电流；所述第一计算单元，用于根据所述电流计算电磁转矩，并以所述采集的转速及计算获得的电磁转矩迭代计算辨识向量；所述第二计算单元，用于根据所述辨识向量计算惯量比。2根据权利要求1所述的在线识别惯量比的系统，其特征在于所述第一计算单元计算的辨识向量为并通过以下计算式迭代计算所述辨识向量其中K1YK1TEK11T，且Y为采样获得的伺服电机转速，TE为电磁转矩，B为摩擦系数，TS为采样时间，TL为负载转矩，J为电机与负载惯量和，为递推可变增益。3根据权利要求2所述的在线识别惯量比的系统，其特征在于所述递推可变增益其中为大于0的。
4、常数。4根据权利要求2或3所述的在线识别惯量比的系统，其特征在于所述第一计算单元包括数据转换子单元和浮点数运算子单元，其中所述数据转换子单元用于将采样的伺服电机的转速及对应的电流转换为16进制表示的幂级数，并将每一所述幂级数转换为自定义数据结构，所述自定义数据结构包括浮点数拆分后字符数组、浮点数有效位长度、浮点数幂级数、浮点数正负四个定义变量；所述浮点数运算子单元使用所述自定义数据结构代替浮点数并代入相应计算式完成运算。5根据权利要求1所述的在线识别惯量比的系统，其特征在于所述第二计算单元还用于根据所述辨识向量计算负载转矩；所述系统还包括补偿计算单元，用于根据所述负载转矩进行正向摩擦补偿和反向。
5、摩擦补偿。6一种在线识别伺服惯量比的方法，其特征在于包括以下步骤A在伺服电机启动或反向时，以固定的采样时间采集该伺服电机的多个转速及对应的电流；B根据所述电流计算电磁转矩，并以所述采集的转速及计算获得的电磁转矩迭代计算辨识向量；C根据所述辨识向量计算惯量比。7根据权利要求6所述的在线识别惯量比的方法，其特征在于所述步骤B中，所述辨识向量为且该辨识向量通过以下计算式迭代计算其中K1YK1TEK11T，且Y为伺服电机转速，TE为电磁转矩，B为摩擦系数，TS为采样时间，TL为负载转矩，J为电机与负载惯量和，为递推可变增益。8根据权利要求7所述的在线识别惯量比的方法，其特征在于所述递推可变增益权利要求。
6、书CN104124908A2/2页3其中为大于0的常数。9根据权利要求7或8所述的在线识别惯量比的方法，其特征在于所述步骤B包括以下步骤B1将采样的伺服电机的转速及对应的电流转换为16进制表示的幂级数；B2将每一所述幂级数转换为自定义数据结构，所述自定义数据结构包括浮点数拆分后字符数组、浮点数有效位长度、浮点数幂级数、浮点数正负四个定义变量；B3使用所述自定义数据结构代替浮点数并代入相应计算式完成运算。10根据权利要求6所述的在线识别惯量比的方法，其特征在于所述步骤C包括根据所述辨识向量计算负载转矩；所述步骤C之后包括根据所述负载转矩进行正向摩擦补偿和反向摩擦补偿。权利要求书CN1041249。
7、08A1/6页4在线识别惯量比的系统及方法技术领域0001本发明涉及伺服电机控制领域，更具体地说，涉及一种在线识别惯量比的系统及方法。背景技术0002在伺服系统中，惯量比是一个重要的控制因素，是建立环路模型的基础。惯量比是负载惯量和电机惯量之间的比值，根据惯量比，可以估算出伺服系统的加减速时间是否能满足设备工艺要求。0003目前最常用的惯量比辨识方法是基于离线辨识，即通过加速和减速指令获取其加速度变化量，进而计算惯量比。上述离线惯量比辨识固然能获得比较准确的伺服惯量比，但它无法应对外部惯量发生变化的情形。如果控制参数未跟随外部惯量比变化而变化，常会造成伺服电机控制性能下降，影响使用效果。000。
8、4摩擦力是伺服控制中重要的外力扰动，其对伺服电机反向运行时的停顿现象有决定性影响，为了做相应补偿，常使用摩擦模型的方式来计算过零点的库仑摩擦力。目前的摩擦模型在计算库仑摩擦力时，由于受到摩擦模型精确度的影响，不易得到正确的结果，而如使用复杂的模型，又会造成实际应用时计算量大大增加，难以实时运行实现。发明内容0005本发明要解决的技术问题在于，针对上述离线惯量比辨识无法应对外部惯量变化的问题，提供一种在线识别惯量比的系统及方法。0006本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种在线识别惯量比的系统，包括采样单元、第一计算单元以及第二计算单元，其中所述采样单元，用于在伺服电机启动或反向时，以固定。
9、的采样时间采集多个伺服电机的转速及对应的电流；所述第一计算单元，用于根据所述电流计算电磁转矩，并以所述采集的转速及计算获得的电磁转矩迭代计算辨识向量；所述第二计算单元，用于根据所述辨识向量计算惯量比。0007在本发明所述的在线识别惯量比的系统中，所述第一计算单元计算的辨识向量为并通过以下计算式迭代计算所述辨识向量其中K1YK1TEK11T，且Y为采样获得的伺服电机转速，TE为电磁转矩，B为摩擦系数，TS为采样时间，TL为负载转矩，J为电机与负载惯量和，为递推可变增益。0008在本发明所述的在线识别惯量比的系统中，所述递推可变增益其中为大于0的常数。说明书CN104124908A2/6页5000。
10、9在本发明所述的在线识别惯量比的系统中，所述第一计算单元包括数据转换子单元和浮点数运算子单元，其中所述数据转换子单元用于将采样的伺服电机的转速及对应的电流转换为16进制表示的幂级数，并将每一所述幂级数转换为自定义数据结构，所述自定义数据结构包括浮点数拆分后字符数组、浮点数有效位长度、浮点数幂级数、浮点数正负四个定义变量；所述浮点数运算子单元使用所述自定义数据结构代替浮点数并代入相应计算式完成运算。0010在本发明所述的在线识别惯量比的系统中，所述第二计算单元还用于根据所述辨识向量计算负载转矩；所述系统还包括补偿计算单元，用于根据所述负载转矩进行正向摩擦补偿和反向摩擦补偿。0011本发明还提供一。
11、种在线识别伺服惯量比的方法，包括以下步骤0012A在伺服电机启动或反向时，以固定的采样时间采集该伺服电机的多个转速及对应的电流；0013B根据所述电流计算电磁转矩，并以所述采集的转速及计算获得的电磁转矩迭代计算辨识向量；0014C根据所述辨识向量计算惯量比。0015在本发明所述的在线识别惯量比的方法中，所述步骤B中，所述辨识向量为且该辨识向量通过以下计算式迭代计算其中K1YK1TEK11T，Y为伺服电机转速，TE为电磁转矩，B为摩擦系数，TS为采样时间，TL为负载转矩，J为电机与负载惯量和，为递推可变增益。0016在本发明所述的在线识别惯量比的方法中，所述递推可变增益其中为大于0的常数。001。
12、7在本发明所述的在线识别惯量比的方法中，所述步骤B包括以下步骤0018B1将采样的伺服电机的转速及对应的电流转换为16进制表示的幂级数；0019B2将每一所述幂级数转换为自定义数据结构，所述自定义数据结构包括浮点数拆分后字符数组、浮点数有效位长度、浮点数幂级数、浮点数正负四个定义变量；0020B3使用所述自定义数据结构代替浮点数并代入相应计算式完成运算。0021在本发明所述的在线识别惯量比的方法中，所述步骤C包括根据所述辨识向量计算负载转矩；所述步骤C之后包括根据所述负载转矩进行正向摩擦补偿和反向摩擦补偿。0022本发明的在线识别惯量比的系统及方法，通过采样的转速、电流迭代计算辨识向量并通过辨。
13、识向量计算获得惯量比，无需离线操作即可获得伺服电机的惯量比参数，简化了用户操作。并且，本发明通过获得的惯量比参数进行摩擦补偿，可减少伺服电机反向时的停顿。说明书CN104124908A3/6页6附图说明0023图1是伺服驱动器控制示意图。0024图2是本发明在线识别惯量比的系统实施例的示意图。0025图3是摩擦补偿的示意图。0026图4是另一摩擦补偿的示意图。0027图5是本发明在线识别惯量比的方法实施例的流程示意图。具体实施方式0028为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于。
14、限定本发明。0029如图1所示，是伺服驱动器的控制的示意图。在该伺服驱动器中，为了简化计算，可将摩擦力视为和转速相关的一次函数，从而伺服驱动器驱动伺服电机运行的运动方程可用公式1描述为电机转子加速度00300031其中，J为电机惯量与负载惯量之和，TE为电磁转矩，TL为负载转矩，B为摩擦系数。把公式1作为状态方程2的一部分，并利用公式3所描述的离散化方法来进行计算，最终可获取计算式4所表达的离散化方程。0032003300340035令为辨识向量，为简化程序中的计算量，利用泰勒级数展开可以得到辨识向量00360037令K1K1TEK11T为已知的输入输出数据，即K1为采样的转速上一采样时刻，T。
15、EK1为根据采样的电流计算获得的电磁转矩上一采样时刻。此时可利用计算式6的递推公式进行辨识说明书CN104124908A4/6页700380039这样，在计算获得上述辨识向量的值后，可结合计算式5获得一个三元一次方程组，并可通过求解该三元一次方程组获得摩擦系数B、电机与负载惯量和J以及负载转矩TL，以进一步获得惯量比。0040如图2所示，是本发明在线识别惯量比的系统实施例的示意图。本实施例的系统包括采样单元21、第一计算单元22以及第二计算单元23，上述采样单元21、第一计算单元22以及第二计算单元23可集成到伺服驱动器的数字信号处理器，当然也可采用连接到上述数字信号处理器的一个或多个芯片构成。
16、。0041采样单元21用于在伺服电机启动或反向时即在伺服电机过零点作为采样的起始时间，以使计算的摩擦力为库伦摩擦，以固定的采样时间TS采集多个伺服电机的转速及对应的电流。上述采样单元21的输入端可连接到伺服电机上的编码器，并根据编码器的输出信号计算出伺服电机的转速。并且，上述采样单元21可直接通过采样伺服驱动器的AD转换单元的输出获得电流数据。特别地，该采样单元21可采样200组伺服电机的转速及对应的电流数据，以确保惯量比识别的精确性采样的数据组越多，识别越精确，但相对识别速度会越慢。而采样单元21的采样的间隔时间即采样时间TS可以为1毫秒左右。0042第一计算单元22根据采样的电流并结合伺服。
17、电机的转矩系数计算电磁转矩每一电流对应一个电磁转矩，并以采集的转速及计算获得的电磁转矩迭代计算辨识向量。具体地，该辨识向量为其中TS为采样时间，TL为负载转矩，J为电机和负载惯量和。0043具体地，上述辨识向量可通过以下计算式迭代计算获得且K1YK1TEK11T，Y即YK为采样获得的伺服电机转速，TE即TEK1为电磁转矩，为递推可变增益。0044上述的值如果是一个恒定量，那么递推过程将无法正确反映递推即迭代计算的收敛过程，如果输入数据即转速和电磁转矩有突变，递推结果将发生跳变，为避免这种情况，需要使得值随着递推的进行发生衰减，其变化过程可用计算式7式表示00450046其中为大于0的常数，在实。
18、际应用中，上述可直接设置为1。0047第二计算单元23用于根据辨识向量计算惯量比，即根据第一计算单元22计算获得的辨识向量的值结合获得一个三元一次方程组并通过求解该三元一次方程组获得电机与负载惯量和J、负载转矩TL以及摩擦系数B，然后再根据电机与负载惯量和J以及电机惯量计算获得惯量比。0048上述在线识别惯量比的系统，无需单独的离线辨识即可获得惯量比参数以用于后说明书CN104124908A5/6页8续的伺服电机控制，简化了伺服驱动器的操作。0049由于在第一计算单元22的辨识向量的计算过程中涉及的变量较多，且计算范围不定，考虑到伺服控制常用定点DSP来实现，而上述计算过程又无法通过定标来直接。
19、计算，因此可在定点DSP中使用浮点算法来完成上述计算过程。为了减少浮点数计算量，可将采样数据看成为16进制表示的幂级数，定义如下数据结构005000510052并以上述数据结构完成加减乘除运算，最终计算得到辨识向量。即第一计算单元22包括数据转换子单元和浮点数运算子单元，其中数据转换子单元用于将采样的伺服电机的转速及对应的电流转换为16进制表示的幂级数，并将每一幂级数转换为自定义数据结构，该自定义数据结构包括浮点数拆分后字符数组、浮点数有效位长度、浮点数幂级数、浮点数正负四个定义变量；浮点数运算子单元使用自定义数据结构代替浮点数并代入相应计算式完成运算。0053在上述的在线识别惯量比的系统中，。
20、还可包括一个补偿计算单元，该补偿计算单元用于根据第二计算单元23计算获得的负载转矩TL，并将该负载转矩TL作为伺服电机过零点的摩擦力，进而进行补偿。为了简化运算，补偿计算单元可根据指令速度方向来设定正向摩擦补偿值A和反向摩擦补偿值A，如图3所示。0054上述补偿方式的前提是，假定伺服电机正反运行时辨识得到的负载转矩等于摩擦力，但这只是实际应用时的一种情形。还有一种情形是当伺服电机垂直安装时，根据辨识的惯量比计算得到的负载转矩中包含了重力，由于伺服电机上下运行时有如下表达方式00550056其中TG为所受重力，TF为所受摩擦力，A为负载上升加速度，A为负载下降加速度，因此辨识出的负载转矩可表示为。
21、00570058其中TL为负载上升时的负载转矩，TL为负载下降时的负载转矩。此时，需将正向摩擦补偿A和反向摩擦补偿A与重力补偿结合，其补偿方式如图4所示。说明书CN104124908A6/6页90059如图5所示，是本发明在线识别伺服惯量比的方法实施例的流程示意图。该方法可直接在伺服驱动器中运行，并包括以下步骤0060步骤S51在伺服电机启动或反向时，以固定的采样时间TS采集该伺服电机的多个转速及对应的电流。0061在该步骤中，其在伺服电机过零点作为采样的起始时间，以使计算的摩擦力为库伦摩擦。并且伺服电机的转速可通过采样安装在伺服电机上的编码器的输出信号实现，而电流信号则直接通过采样伺服驱动器。
22、的AD采样单元的输出获得。特别地，该步骤中可采样200组伺服电机的转速及对应的电流数据，以确保惯量比识别的精确性采样的数据组越多，识别越精确，但相对识别速度会越慢，而采样的间隔时间可以为1毫秒左右。0062步骤S52根据所述电流计算电磁转矩，并以所述采集的转速及计算获得的电磁转矩迭代计算辨识向量。0063步骤S53根据辨识向量计算惯量比、负载转矩和摩擦系数。0064在该步骤中，上述辨识向量为且该辨识向量通过以下计算式迭代计算其中K1YK1TEK11T，Y为伺服电机转速，TE为电磁转矩，B为摩擦系数，TS为采样时间，TL为负载转矩，J为电机与负载惯量和，为递推可变增益。并且，为避免输入的采样数据。
23、有突变而使得递推结果产生跳变，可使上述递推可变增益其中为大于0的常数。0065并且，为保证伺服驱动器中定点DSP的运算效率，可将采样的伺服电机的转速及对应的电流转换为16进制表示的幂级数，并将每一幂级数转换为自定义数据结构，并使用上述自定义数据结构代入相应计算式完成运算。上述自定义数据结构包括浮点数拆分后字符数组、浮点数有效位长度、浮点数幂级数、浮点数正负四个定义变量。0066此外，在步骤S53之后还可包括根据辨识出的负载转矩进行正向摩擦补偿和反向摩擦补偿。0067以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。说明书CN104124908A1/2页10图1图2图3说明书附图CN104124908A102/2页11图4图5说明书附图CN104124908A11。