一种回转体高精度转动惯量在线测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于物理量测量领域，涉及一种回转体的转动惯量测量方法。
【背景技术】
[0002] 转动惯量用于衡量回转体转动过程惯性的大小，是回转体质量特性的重要方面。 回转体的转动惯量参数在工程上有很多应用，因此准确快速地测量回转体的转动惯量具有 重要意义。回转体的转动惯量的测量，从小型回转体到大型回转体，从简单回转体到复杂回 转体，国内外学者都做了大量的研宄。回转体的转动惯量的测量方法主要集中在自由落体 法以及自由减速法、二线摆法、扭摆法。
[0003] 然而上述方法都不能同时满足在线以及高精度的测量要求。自由落体法和自由减 速法能够实现在线大批量测量，但是测量过程受温度的影响，导致转动惯量误差较大。三线 摆法、扭摆法有较高的测量精度但是不适合大批量在线测量。因此亟需一种回转体高精度 转动惯量在线测量方法，实现回转体的转动惯量在线测量，并且有较高的测量精度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种回转体高精度转动惯量在线测量方法，解决传统转动 惯量在线测量方法（自由落体法和自由减速法）测量精度不高的问题。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0006] (1)电机电流与转动惯量关系建模：根据电机驱动转矩和电机电流成正比以及电 机驱动转矩等于转动惯量和角加速度的乘积，推导出电机电流和转动惯量的关系：
[0007] Δ I = a · (J0+J额）
[0008] 其中，Δ I为电机以恒定的角加速度切换速度过程的电机电流差，a为转动惯量电 流系数，Jtl为电机轴的转动惯量，J _为安装在电机轴上的回转体的转动惯量；
[0009] (2)转动惯量电流系数以及电机轴的转动惯量的标定：在电机轴上安装已知转动 惯量的标准块，并测量得到电机以所述角加速度切换速度过程的电机电流差△ I，利用多个 已知转动惯量的标准块各自所对应的△ I，并根据所述电机电流和转动惯量的关系，对转动 惯量电流系数进行标定，然后确定Jtl;
[0010] ⑶回转体转动惯量的测量：用被测回转体替换安装在电机轴上的已知转动惯量 的标准块，然后测量得到电机以所述角加速度切换速度过程的电机电流差△ I，然后根据标 定好的转动惯量电流系数以及J〇,计算被测回转体的转动惯量。
[0011] 所述步骤（1)具体包括以下步骤：
[0012] ①根据电机输出转矩和电机电流的关系得：
[0013] T = K · I (1)
[0014] 其中，T为电机输出转矩，I为电机电流，K为电机转矩系数；
[0015] ②由牛顿运动定理知：
[0016] T1-T2= J · β (2)
[0017] 其中T1为电机驱动转矩，T2为电机摩擦转矩，J为电机的转动惯量，β为电机转动 角加速度；
[0018] ③由公式⑴和公式⑵得：
[0019] K · (I1-I2) = J · β (3)
[0020] 其中I1S电机驱动电流，对应电机驱动转矩，12为电机稳定运行电流，对应电机摩 擦转矩；
[0021] ④将公式（3)变形得：
[0022] I1-I2= (β/Κ) · J ⑷
[0023] 当角加速度为定值时，β /K为常量，因此公式（4)表示为：
[0024] Δ I = a · J (5)
[0025] 其中，a = β /Κ，Δ I = I1-I2;
[0026] 当电机轴安装回转体时，J = JQ+J额，则公式（5)写成：
[0027] Λ I = a · (J0+J额）（6)
[0028] 0
[0029] 所述步骤（2)具体包括以下步骤：
[0030] ①设用来标定的已知转动惯量的回转体的数量为n，依次记做1#标准块，2#标准 块，......，n#标准块，这些标准块的转动惯量表示为Ji, i = 1，2,......，n，设定电机启动方 式为恒加速度启动，每个标准块和电机轴能够一起转动，且没有速度差；
[0031] ②启动电机加速到第一转速，速度稳定之后加速到第二转速，将测量得到的第一 转速到第二转速之间加速过程的电流作为I 1，以及将电机稳定运转于第二转速的电流作为 12,相减得到电机电流差Al = I1-I2;
[0032] ③重复步骤②，直到η个标准块各自对应的电机电流差Λ Ii测量完成，i = 1，2，······，]!;
[0033] ④根据所述电机电流和转动惯量的关系，得到以下公式：
【主权项】
1. 一种回转体高精度转动惯量在线测量方法，其特征在于：包括w下步骤： (1) 电机电流与转动惯量关系建模：根据电机驱动转矩和电机电流成正比W及电机驱 动转矩等于转动惯量和角加速度的乘积，推导出电机电流和转动惯量的关系： AI=a? (Jo+J额） 其中，AI为电机W恒定的角加速度切换速度过程的电机电流差，a为转动惯量电流系 数，J。为电机轴的转动惯量，J为安装在电机轴上的回转体的转动惯量； (2) 转动惯量电流系数W及电机轴的转动惯量的标定：在电机轴上安装已知转动惯量 的标准块，并测量得到电机W所述角加速度切换速度过程的电机电流差AI，利用多个已知 转动惯量的标准块各自所对应的AI，并根据所述电机电流和转动惯量的关系，对转动惯量 电流系数进行标定，然后确定J。； (3) 回转体转动惯量的测量；用被测回转体替换安装在电机轴上的已知转动惯量的标 准块，然后测量得到电机W所述角加速度切换速度过程的电机电流差AI，然后根据标定好 的转动惯量电流系数化及J。，计算被测回转体的转动惯量。
2. 根据权利要求1所述一种回转体高精度转动惯量在线测量方法，其特征在于：所述 步骤（1)具体包括W下步骤： ① 根据电机输出转矩和电机电流的关系得： T=K?I (1)其中，T为电机输出转矩，I为电机电流，K为电机转矩系数； ② 由牛顿运动定理知： Ti-T2=J? 0 (2) 其中Ti为电机驱动转矩，T2为电机摩擦转矩，J为电机的转动惯量，0为电机转动角加 速度； ⑨由公式（1)和公式似得： K?Qi-y=J? 0 (3) 其中Ii为电机驱动电流，对应电机驱动转矩，12为电机稳定运行电流，对应电机摩擦转 矩； ④将公式（3)变形得： Ii-l2= (0/K) ?J(4) 当角加速度为定值时，e/K为常量，因此公式（4)表示为： AI=a?J (5) 其中，a=e/K，AI=I1-I2; 当电机轴安装回转体时，J= 则公式巧）写成： AI=a? (Jo+J额） （6)。
3. 根据权利要求1所述一种回转体高精度转动惯量在线测量方法，其特征在于：所述 步骤（2)具体包括W下步骤： ① 设用来标定的已知转动惯量的回转体的数量为n，依次记做1#标准块，2#标准 块，......，n#标准块，该些标准块的转动惯量表示为Ji，i= 1，2,......，n，设定电机启动方 式为恒加速度启动，每个标准块和电机轴能够一起转动，且没有速度差； ② 启动电机加速到第一转速，速度稳定之后加速到第二转速，将测量得到的第一转速 到第二转速之间加速过程的电流作为Ii，W及将电机稳定运转于第二转速的电流作为12， 相减得到电机电流差AI=I1-I2; ⑨重复步骤②，直到n个标准块各自对应的电机电流差Ali测量完成，i= 1，2,……， n； ④根据所述电机电流和转动惯量的关系，得到W下公式：
(7) ⑥ 将公式（7)中的公式两两相减得到公式巧）：
(8) ⑧ 根据公式（8)计算得到个转动惯量电流系数，对公式（8)计算得到的所 有转动惯量电流系数求平均，得到标定的转动惯量电流系数a:
(9) ⑦ 不安装任何标准块，重复步骤②，测得电机轴空转下的电机电流差AI。； ⑨ 根据AI。和步骤⑧标定的转动惯量电流系数a,得到电机轴的转动惯量； J〇=AI〇/a (10)。
4. 根据权利要求3所述一种回转体高精度转动惯量在线测量方法，其特征在于： n^ 4。
5. 根据权利要求1所述一种回转体高精度转动惯量在线测量方法，其特征在于：所述 步骤（3)具体包括W下步骤： ①安装被测回转体；要求被测回转体的转动惯量所在轴和电机轴重合，并且被测回转 体和电机轴能够一起转动，且没有速度差，设定电机启动方式为恒加速度启动； ②启动电机加速到第一转速，速度稳定之后加速到第二转速，测量得到第一转速到第 二转速之间加速过程的电流II胃，W及电机稳定运转于第二转速的电流12胃，相减得到电机 电流差AI测=Ii测-I2测； ⑨根据标定的转动惯量电流系数a和电机轴的转动惯量J0计算被测回转体的转动惯 量J测：
(11)
6.根据权利要求1所述一种回转体高精度转动惯量在线测量方法，其特征在于：所述 电机为=相异步电机。
【专利摘要】本发明公开了一种回转体高精度转动惯量在线测量方法，包括3个步骤：(1)电机电流与转动惯量关系建模：根据电机驱动转矩和电流成正比以及电机驱动转矩等于转动惯量和角加速的乘积，推导出电机电流和转动惯量的关系；(2)转动惯量电流系数及电机轴转动惯量的标定：通过若干个已知转动惯量的标准块，对转动惯量电流系数进行标定，然后确定电机轴转动惯量；(3)回转体转动惯量的测量：通过测量电机电流，根据标定好的转动惯量电流系数，计算回转体的转动惯量。本发明的转动惯量测量方法不仅能够实现在线测量，而且具有较高的测量精度，测量精度在3％以内，能够满足大部分测量要求。
【IPC分类】G01M1-10
【公开号】CN104792461
【申请号】CN201510197652
【发明人】陈虹任, 要义勇, 赵丽萍, 王亚飞
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月23日