電機的負載慣量估計方法
2023-05-25 20:12:36
專利名稱：電機的負載慣量估計方法
技術領域：
本發明涉及一種電機的負載慣量估計方法，更具體地說，涉及一種機器人或工具機進給軸用的伺服電機的負載慣量估計方法。
背景技術：
圖3是傳統電機速度控制器的示意圖，傳統的電機速度控制器使用估計的負載慣量自動調節電機速度。該控制器利用編碼器3檢測電機M的轉動。速度計算器4根據編碼器3的輸出計算出電機速度。加速度計算器5根據算得的電機速度計算加速度，並輸出加速反饋信號。速度控制器1輸出轉矩指令，從而，從速度計算器4輸出的速度反饋信號與速度指令信號之間的差值可能為零(0)。轉矩控制器2按照轉矩指令驅動電機M。慣量估計器6估計電機M的負載慣量，其接收從加速度計算器5輸出的加速反饋信號和從速度控制器1輸出的轉矩指令信號，並根據這些信號估計負載慣量。然後，慣量估計器6將估計慣量輸出至增益調節器7。增益調節器7根據估計慣量將速度控制器1的增益調節至適當值。
圖4是傳統的慣量估計器的示意圖，該慣量估計器被用在圖3的速度控制器中。實際上，該估計器是用軟體來實現的。在日本的the Institute ofElectrical Engineers期刊中、名為「使用低精度編碼器的伺服電機高性能控制-瞬時速度觀測器和慣性矩識別」(High Performance Control of ServoMotor Using Low Accuracy Encoder-Instant Speed Observer andIdentification of Moment of Inertia)(vol.114-D，No.4，』94，pp.424-431)的文章中詳細描述了在圖3中所示的慣量估計器中實現的慣量估計方法。根據該期刊中所述的技術，慣性矩或簡稱慣量按如下方式識別根據速度控制器的轉矩指令和加速反饋信號、通過遞歸最小二乘法確定估計慣量增益Kn。根據圖4中所示的構造，在已經通過低通濾波器LPF的加速反饋信號的值與已經通過低通濾波器LPF的、之前的加速反饋信號的值之間計算加速反饋差值Δan。用加速反饋差值Δan乘以之前估計的慣量Jn-1從而獲得值ΔanJn-1，從值ΔanJn-1獲得轉矩反饋差值ΔTn。接著，在已經通過另一低通濾波器LPF的轉矩指令信號的值和已經通過該低通濾波器LPF的、之前的轉矩指令信號的值之間計算轉矩指令差值ΔTcn。然後，在轉矩反饋差值ΔTn和轉矩指令差值ΔTcn之間計算誤差en，其表達為en＝ΔTcn-ΔTn。最後，用估計慣量增益Kn乘以誤差en從而獲得值enKn，並且，將值enKn加到之前估計慣量值Jn-1、從而獲得估計慣量Jn。在電機被控制的同時，慣量估計在預定的採樣間隔內遞歸實現。估計慣量Jn、從而使誤差en可以更小。估計慣量增益Kn以Kn＝(Pn-1Δan)/(λ+Pn-1Δan2)來計算，這裡，Pn是相關係數誤差，其表示為Pn＝Pn-1/(λ+Pn-1Δan2)，而λ是遺忘係數或因子。
在自動調節中，根據估計慣量Jn來確定速度控制器1的增益，從而使電機即便在慣量波動時也可以穩定地操作。當除速度控制之外還實施位置控制的時候，可根據估計慣量來確定位置控制器的增益。
當估計慣量增益Kn是通過遞歸最小二乘法算得的時候，如重力吸引和恆定負載之類的幹擾對計算影響較小。根據圖4中所示的構造，由於使用轉矩指令信號和加速反饋信號中的差值檢測誤差en，故可在加速開始或加速度改變或加速完成的時候、或者在減速開始或完成的時候使用高增益Kn估計慣量。然而，當電機的齒槽轉矩(cogging torque)較大、或者在負載機械系統(mechanical system of the load)中引起振動的時候，該振動也可能出現在加速反饋信號中。如果這種振動出現的周期接近於慣量估計器的採樣頻率，則慣量估計器的估計部分受到該振動的影響，從而將慣量估計成跟在正常情況下應當計算出的值不相同的值。
發明內容
本發明旨在改進上述缺點。因此，本發明的目的在於提供一種電機的負載慣量估計方法，通過所述方法，即便在電機的齒槽轉矩較大、或者在負載機械系統中出現共振等情況的時候，也能夠估計高度準確的負載慣量值。
在根據本發明所述的電機的負載慣量估計方法中，按如下方式估計慣量首先，在已經通過濾波器的加速反饋信號的值與已經通過所述濾波器的、之前的加速反饋信號的值之間計算加速反饋差值Δan。用加速反饋差值Δan乘以之前估計的慣量Jn-1、從而獲得值ΔanJn-1。然後，從值ΔanJn-1獲得轉矩反饋差值ΔTn。接著，在已經通過另一濾波器的轉矩指令信號的值和已經通過所述另一濾波器的、之前的轉矩指令信號的值之間計算轉矩指令差值ΔTcn。在轉矩反饋差值ΔTn和轉矩指令差值ΔTcn之間計算誤差en。用估計慣量增益Kn乘以誤差en、從而獲得值enKn。然後，通過將值enKn加到之前估計的慣量值Jn-1來獲得估計慣量Jn。
可選地，可用已經通過高通濾波器的加速反饋信號的值Δb乘以之前估計的慣量Jn-1從而獲得值ΔbJn-1；從值ΔbJn-1獲得轉矩反饋差值ΔTn；並且，可在轉矩反饋差值ΔTn與已經通過高通濾波器的轉矩指令信號的值ΔTb之間計算誤差en。
在本發明中，檢測加速反饋信號中的振動。當所述振動等於或高於預定水平的時候，用係數α乘以所述估計慣量增益Kn，其中，係數α為零(0)或大於零但小於一(1)。當所述振動低於預定水平的時候，用等於一(1)的係數α乘以所述估計慣量增益Kn。以這種設置能夠檢測當電機的齒槽轉矩較大或在負載機械系統中出現共振的時候所引起的振動。當檢測到的振動等於或高於預定水平時，用係數α乘以所述估計慣量增益Kn，其中所述係數α減小所述估計慣量增益Kn，從而減小振動分量所造成的影響。為了令該影響最小，使用等於零(0)的係數α，並且，估計慣量Jn因此而與之前估計的慣量Jn-1相同。可通過測試來確定應當將在零(0)或大於零但小於一(1)的範圍內的哪一個值設給係數α。當所述振動沒有那麼大的時候，係數α將是一(1)，在這種情況下，以跟傳統做法相同的方式來估計慣量。
優選地，可像傳統做法那樣通過遞歸最小二乘或固定軌跡法(fixedtrace method)來確定所述估計慣量增益Kn。
按如下方式檢測在加速反饋信號中的振動首先，加速反饋差值Δan的n(n為整數)個採樣值被分別變成絕對值，且然後通過n次移動平均(n-time moving-average)濾波器，從而獲得第一移動平均值。並且，所述的加速反饋差值Δan的n個採樣值通過另一個n次移動平均濾波器，從而獲得第二移動平均值，然後所述第二移動平均值被變成絕對值。接著，在所述第一移動平均值和所述第二移動平均值的所述絕對值之間計算差值。然後，根據這樣得到的差值是否超過閾值來確定加速反饋信號中的振動是否超過預定水平。從而檢測到振動的水平。
用於採樣時間的值n可根據情況任意確定。優選通過慣量估計器所做的採樣來獲得n個採樣值。一般而言，n可以是2至32之間的整數。
根據本發明，儘管出現在加速反饋信號中的振動等於或高於預定水平，用減小估計慣量增益Kn的係數α乘以估計慣量增益Kn，從而減小對慣量估計的影響，並提高慣量估計的準確性。因此，當電機的齒槽轉矩較大的時候，或者當在負載機械系統中出現共振等情況的時候，估計慣量幾乎不受振動影響。因此，可以比從前更加穩定地估計慣量。使用這種估計慣量的自動調節裝置能夠以比從前穩定得多的方式被操作。
圖1是示意圖，圖示出慣量估計器的實施例，該慣量估計器實現了根據本發明所述的電機的負載慣量估計方法。
圖2是示意圖，圖示出用於確定係數的係數確定裝置的一個例子。
圖3是示意圖，圖示出傳統的電機速度控制器，其使用估計負載慣量實現自動調節。
圖4是示意圖，圖示出圖3的傳統慣量估計器的構造。
圖5A至圖5I是波形圖，圖示出在圖1的慣量估計器被應用於圖3的電機速度控制器、且具有較大齒槽轉矩的電機被驅動時的模擬慣量估計。
圖6是示意圖，圖示出慣量估計器的另一個實施例，該慣量估計器實現了根據本發明所述的電機的負載慣量估計方法。
具體實施例方式
圖1是示意圖，圖示出慣量估計器的實施例，該慣量估計器實現了根據本發明所述的電機的負載慣量估計方法。在該實施例中，用於計算加速反饋差值的差值計算裝置12計算已經通過低通濾波器11的加速反饋信號的值與已經通過低通濾波器11的、之前的加速反饋信號的值(1-Z-1)之間的加速反饋差值Δan。然後，乘法裝置14用加速反饋差值Δan乘以之前的估計慣量Jn-1從而獲得值ΔanJn-1。從值ΔanJn-1獲得轉矩反饋差值ΔTn。之前估計的慣量Jn-1存儲在增益估計裝置13中。
用於計算轉矩指令差值的差值計算裝置15計算已經通過低通濾波器10的轉矩指令信號的值和已經通過低通濾波器10的、之前的轉矩指令信號的值之間的轉矩指令差值ΔTcn。減法裝置16計算轉矩反饋差值ΔTn和轉矩指令差值ΔTcn之間的誤差en，其表達為en＝ΔTcn-ΔTn。乘法裝置17用已經乘了係數α的估計慣量增益Kn乘以誤差en、從而輸出值enαKn。增益估計裝置18像傳統做法那樣通過遞歸最小二乘法確定估計慣量增益Kn，其表示為以下表達式。
Kn＝(Pn-1Δan)/(λ+Pn-1Δan2)這裡，Pn是相關係數誤差，表示為Pn＝Pn-1/(λ+Pn-1Δan2)，而λ是遺忘係數或因子。
係數確定裝置19用係數α乘以估計慣量增益Kn從而輸出結果，它具有檢測加速反饋信號中的振動的功能。係數確定裝置19在振動期間當振動等於或高於預定水平的時候用等於零(0)或大於零但小於一(1)的係數α乘以估計慣量增益Kn，或者，當振動低於預定水平的時候，用等於一(1)的係數α乘以估計慣量增益Kn。
加法裝置20通過將從乘法裝置17輸出的值enαKn加到之前估計的慣量值Jn-1來獲得估計慣量Jn。在電機被控制的時候，慣量估計在預定的採樣間隔內遞歸實現。估計慣量Jn從而使得誤差en可以更小。
圖2是示意圖，圖示出用於係數確定裝置19的一個例子。在這個例子中，加速反饋差值Δan的n(n為整數)個採樣值被絕對化裝置26分別變成絕對值。這樣獲得的絕對值通過n次移動平均濾波器27，從而獲得第一移動平均值。這裡，加速反饋差值是指已經通過低通濾波器的、之前的加速反饋信號的值和已經通過低通濾波器的加速反饋信號的值之間的差值。在這個例子中，加速反饋差值Δan的n個採樣值通過另一個n次移動平均濾波器28，從而獲得第二移動平均值。然後，第二移動平均值被絕對化裝置29變成絕對值。
如圖2中所示，減法裝置21計算第一移動平均值與第二移動平均值的絕對值之間的差值。比較器22將這樣計算出的差值與閾值相比較。根據這樣獲得的差值是否超過閾值來確定加速反饋信號中的振動是否超過預定水平。如果該差值等於或大於閾值，則上述振動等於或高於預定水平。如果該差值小於閾值，則上述振動低於預定水平。係數計算裝置23根據比較器22的輸出來確定係數α的值。
具體地說，在上述差值等於或高於閾值時，α＝G1(0＜＝G1＜1)；並且，在上述差值小於閾值時，α＝1。因此振動能夠被檢測到。當這樣的振動被檢測到的時候，能夠用較小的慣量估計器增益Kn值來估計慣量。因此，能夠抑制作用於慣量估計的振動影響。特別是，當電機要停止的時候，如果電機的齒槽轉矩較大，則估計慣量很可能受到振動的影響而波動。根據本發明，當電機因齒槽轉矩而開始振動時，出現在加速反饋信號中的振動能夠被檢測到、並且估計慣量增益被減小，從而減輕了影響。當負載機械系統不是剛性的、並正在振動的時候，出現在加速反饋信號中的振動能夠被檢測到、並且估計慣量增益被減小，從而減輕了影響。
移動平均濾波的平均時間被設定為2至32、以便檢測加速反饋信號中的振動，其中，上述加速反饋信號中的振動大到足夠可以對慣量估計產生不利的影響。閾值可通過測試來預先確定。一般而言，對閾值採用大約為10rad/sec2的值。圖5A至5I圖示出在圖1的慣量估計器被應用於圖3的電機速度控制器、且具有較大齒槽轉矩的電機被驅動時的模擬慣量估計。圖5A圖示出輸入電機控制器的差分定位指令。圖5B圖示出加速反饋信號。由圖5B可知，因齒槽轉矩(振動分量)而產生的振動在加速開始或減速完成的時候出現。圖5C圖示出已經通過低通濾波器11的加速反饋信號的值與已經通過低通濾波器11的、之前的加速反饋信號的值(1-Z-1)之間的加速反饋差值Δan。圖5C中顯著出現的波形為振動分量。圖5D圖示出取樣差值Δan的8次移動平均值的絕對值。圖5E圖示出取樣差值Δan的8次移動平均值的絕對值。圖5F圖示出圖5D的值與圖5E的值之間的差值。圖5G圖示出通過比較器22與閾值相比較的差值。因此，圖5G指示振動間隔，在振動間隔中，振動持續進行。圖5H圖示出在振動間隔中當估計慣量增益Kn因係數α是零(0)或大於零但小於一(1)而被減小時的估計慣量。為了比較，圖5I圖示出當係數α像傳統做法那樣被設為一(1)時的估計慣量。在比較圖5H和5I時，可以清楚地看到，根據本發明，估計慣量基本不受到出現在加速反饋信號中的振動的影響。與此對比，根據傳統的慣量估計方法，估計慣量受到振動的影響而波動，其中，所述振動是因齒槽轉矩而導致的，並在加速開始或減速完成的同時出現在加速反饋信號中。
在本發明的這個實施例中，閾值被用來確定振動有多大。可根據振動有多大來計算係數α。
如圖6中所示，可不使用低通濾波器10和11，而是通過使用高通濾波器24和25來處理加速反饋信號和轉矩指令信號、以獲得值Δb和ΔTb，從而計算誤差en，其中，值Δb和ΔTb對應於圖1中所示的差值Δan和ΔTcn。在這種情況下，在獲得誤差之後的處理跟圖1中所示的處理相同，並將該描述略去。
此外，本發明並不僅限於這些實施例，而是可以在不脫離本發明範圍的情況下作出多種變化和修改。
權利要求
1.一種電機的負載慣量估計方法，包括步驟計算已經通過濾波器的加速反饋信號的值與已經通過所述濾波器的、之前的加速反饋信號的值之間的加速反饋差值Δan，用加速反饋差值Δan乘以之前估計的慣量Jn-1從而獲得值ΔanJn-1，從值ΔanJn-1獲得轉矩反饋差值ΔTn，計算已經通過另一濾波器的轉矩指令信號的值和已經通過所述另一濾波器的、之前的轉矩指令信號的值之間的轉矩指令差值ΔTcn，計算轉矩反饋差值ΔTn和轉矩指令差值ΔTcn之間的誤差en，用估計慣量增益Kn乘以誤差en，從而獲得值enKn，以及通過將值enKn加到之前估計的慣量值Jn-1來獲得估計慣量Jn，其中，當加速反饋信號中的振動等於或高於預定水平的時候，用係數α乘以所述估計慣量增益Kn，其中，係數α為零(0)或大於零但小於一(1)；或者，當加速反饋信號中的振動低於預定水平的時候，用等於一(1)的係數α乘以所述估計慣量增益Kn。
2.如權利要求1所述的電機的負載慣量估計方法，其中，通過遞歸最小二乘或固定軌跡法來確定所述估計慣量增益Kn。
3.如權利要求1所述的電機的負載慣量估計方法，其中，加速反饋差值Δan的n(n為整數)個採樣值被分別變成絕對值，且然後通過n次移動平均濾波器，從而獲得第一移動平均值；所述加速反饋差值Δan的n個採樣值通過另一個n次移動平均濾波器，從而獲得第二移動平均值；並且，然後所述第二移動平均值被變成絕對值；在所述第一移動平均值和所述第二移動平均值的所述絕對值之間計算差值；並且，根據這樣得到的差值是否超過閾值來確定加速反饋信號中的振動是否超過所述預定水平。
4.如權利要求3所述的電機的負載慣量估計方法，其中，n是2至32之間的整數。
5.一種電機的負載慣量估計方法，包括步驟用已經通過高通濾波器的加速反饋信號的值Δb乘以之前估計的慣量Jn-1從而獲得值ΔbJn-1，從值ΔbJn-1獲得轉矩反饋差值ΔTn，計算轉矩反饋差值ΔTn與已經通過另一高通濾波器的轉矩指令信號的值ΔTb之間的誤差en，用估計慣量增益Kn乘以誤差en，從而獲得值enKn，以及通過將值enKn加到之前估計的慣量值Jn-1來獲得估計慣量Jn，其中，當加速反饋信號中的振動等於或高於預定水平的時候，用係數α乘以所述估計慣量增益Kn，其中，係數α為零(0)或大於零但小於一(1)；或者，當加速反饋信號中的振動低於預定水平的時候，用等於一(1)的係數α乘以所述估計慣量增益Kn。
6.如權利要求5所述的電機的負載慣量估計方法，其中，通過遞歸最小二乘或固定軌跡法來確定所述估計慣量增益Kn。
全文摘要
提供了一種電機的負載慣量估計方法，即便在電機的齒槽轉矩較大或在負載機械系統中出現共振的時候，這種方法也能夠估計負載慣量。在加速反饋信號中檢測振動。當檢測到的振動等於或高於預定水平的時候，用係數α乘以估計慣量增益K
文檔編號G01M1/10GK1988371SQ20061016372
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月4日 優先權日2005年12月2日
發明者井出勇治 申請人:山洋電氣株式會社