大惯量柔性负载传动系统的驱动方法、系统及相关组件与流程

1.本发明涉及负载传动系统领域，特别涉及一种大惯量柔性负载传动系统的驱动方法、系统及相关组件。


背景技术：

2.大惯量柔性负载广泛存在于各类生产领域。这种大惯量柔性负载的大惯量柔性特征主要体现为低频振荡，不仅会影响速度控制精度，甚至会损坏机器，造成工业生产事故。因此对于大惯量柔性传动系统来说，提出一种简单可行的振动抑制方法是非常重要的。
3.现有技术中为了抑制振动，通常在柔性负载端加装一个位置或速度传感器，形成电机端与负载端的双闭环控制，实现对柔性负载振动的抑制。但是加装传感器会增加系统的成本，而且某些负载是在恶劣的环境中运行，传感器会受到外部环境的影响，造成传感信号存在传输误差，进而会加剧系统的振动，影响系统的安全运行。
4.基于传感器的缺点，一些学者提出了在电机矢量控制速度环输出与给定转矩电流之间插入一个陷波器，实现对柔性负载的平稳驱动。另一些学者提出计算柔性负载的动力学模型，提取模型的特征参数，结合整形器实现对柔性负载的平稳驱动。这两种方法都需要利用柔性负载的特征参数修改陷波器或整形器的参数，对于不同的应用场合，负载的特征参数都不尽相同，因此以上两种方法适应性较差，不利用实际工程应用。
5.因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用性更高的大惯量柔性负载传动系统的驱动方法、系统及相关组件。其具体方案如下：
7.一种大惯量柔性负载传动系统的驱动方法，所述大惯量柔性负载传动系统中电机的输出端连接负载，所述驱动方法包括：
8.获取负载转矩电流；
9.对负载转矩电流进行低频滤波得到滤波后电流；
10.根据所述负载转矩电流和所述滤波后电流，得到调节电流；
11.将所述调节电流输入第一pi控制器中，得到调节频率；
12.根据所述调节频率和初步给定频率，确定最终给定频率；
13.将所述最终给定频率作为电机给定频率对所述电机进行转速环控制。
14.优选的，所述根据所述负载转矩电流和所述滤波后电流，得到调节电流的过程，包括：
15.在所述滤波后电流上减去所述负载转矩电流，得到调节电流；
16.相应的，所述根据所述调节频率和初步给定频率，确定最终给定频率的过程，包括：
17.对所述调节频率和初步给定频率求和，确定最终给定频率。
18.优选的，所述对负载转矩电流进行低频滤波得到滤波后电流的过程，包括：
19.将所述负载转矩电流和所述电机的实际频率输入观测器模块，得到观测电流；
20.对所述观测电流进行低频滤波得到滤波后电流。
21.优选的，所述将所述最终给定频率作为电机给定频率对所述电机进行转速环控制之后，还包括：
22.将所述观测电流作为所述电流环控制的前馈电流。
23.相应的，本技术还公开了一种大惯量柔性负载传动系统的驱动系统，所述大惯量柔性负载传动系统中电机的输出端连接负载，所述驱动系统包括：
24.获取模块，用于获取负载转矩电流；
25.滤波模块，用于对负载转矩电流进行低频滤波得到滤波后电流；
26.第一调节模块，用于根据所述负载转矩电流和所述滤波后电流，得到调节电流；
27.第二调节模块，用于将所述调节电流输入第一pi控制器中，得到调节频率；
28.第三调节模块，用于根据所述调节频率和初步给定频率，确定最终给定频率；
29.控制模块，用于将所述最终给定频率作为电机给定频率对所述电机进行转速环控制。
30.优选的，所述第一调节模块具体用于：
31.在所述滤波后电流上减去所述负载转矩电流，得到调节电流；
32.相应的，所述第三调节模块具体用于：
33.对所述调节频率和初步给定频率求和，确定最终给定频率。
34.优选的，所述滤波模块包括：
35.观测单元，用于将所述负载转矩电流和所述电机的实际频率输入观测器模块，得到观测电流；
36.滤波单元，用于对所述观测电流进行低频滤波得到滤波后电流。
37.优选的，所述控制模块将所述最终给定频率作为电机给定频率对所述电机进行转速环控制之后，还用于：
38.将所述观测电流作为所述电流环控制的前馈电流。
39.相应的，本技术还公开了一种电子设备，包括：
40.存储器，用于存储计算机程序；
41.处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任一项所述一种大惯量柔性负载传动系统的驱动方法的步骤。
42.相应的，本技术还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任一项所述一种大惯量柔性负载传动系统的驱动方法的步骤。
43.本技术公开了一种大惯量柔性负载传动系统的驱动方法，所述大惯量柔性负载传动系统中电机的输出端连接负载，所述驱动方法包括：获取负载转矩电流；对负载转矩电流进行低频滤波得到滤波后电流；根据所述负载转矩电流和所述滤波后电流，得到调节电流；将所述调节电流输入第一pi控制器中，得到调节频率；根据所述调节频率和初步给定频率，确定最终给定频率；将所述最终给定频率作为电机给定频率对所述电机进行转速环控制。
本技术通过对包含柔性负载特征的负载转矩电流进行处理得到与柔性负载特征有关的调节频率，并利用调节频率和初步给定频率确定最终给定频率，从而在利用最终给定频率进行电机转速环控制时能够抑制柔性负载特征产生的低频振荡。该方法不需要传感器，也不需要针对性修改参数，具有低成本和高适用性的优点。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
45.图1为本发明实施例中一种大惯量柔性负载传动系统的驱动方法的步骤流程图；
46.图2为本发明实施例中一种电机的控制接口框图；
47.图3为本发明实施例中另一种电机的控制接口框图；
48.图4为本发明实施例中一种观测器的控制接口框图；
49.图5为未使用本实施例驱动方法的转速仿真结果图；
50.图6为使用本实施例驱动方法的转速仿真结果图；
51.图7为本发明实施例中一种大惯量柔性负载传动系统的驱动系统的结构分布图。
具体实施方式
52.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
53.目前为了抑制柔性传动系统中的振荡，采用的方法包括在负载端加装传感器、在速度环输出后插入陷波器、设计动力学模型等。这些方法在元件成本或设计成本上较高，实际应用推广中效果均不够理想。
54.本技术通过对包含柔性负载特征的负载转矩电流进行处理得到与柔性负载特征有关的调节频率，并利用调节频率和初步给定频率确定最终给定频率，从而在利用最终给定频率进行电机转速环控制时能够抑制柔性负载特征产生的低频振荡。该方法不需要传感器，也不需要针对性修改参数，具有低成本和高适用性的优点。
55.本发明实施例公开了一种大惯量柔性负载传动系统的驱动方法，所述大惯量柔性负载传动系统中电机的输出端连接负载，参见图1所示，所述驱动方法包括：
56.s1：获取负载转矩电流；
57.s2：对负载转矩电流进行低频滤波得到滤波后电流；
58.s3：根据负载转矩电流和滤波后电流，得到调节电流；
59.s4：将调节电流输入第一pi控制器中，得到调节频率；
60.s5：根据调节频率和初步给定频率，确定最终给定频率；
61.s6：将最终给定频率作为电机给定频率对电机进行转速环控制。
62.步骤s3根据负载转矩电流和滤波后电流，得到调节电流的过程，包括：
63.在滤波后电流上减去负载转矩电流，得到调节电流；
64.相应的，步骤s5根据调节频率和初步给定频率，确定最终给定频率的过程，包括：
65.对调节频率和初步给定频率求和，确定最终给定频率。
66.可以理解的是，大惯量柔性负载传动系统中电机的输出端与大惯量柔性负载连接，从而电机的电流可反映出负载的特性，通常将电机的实时电流i
sa
、i
sb
和i
sc
进行坐标转换得到q轴实时电流iq和d轴实时电流id，将q轴实时电流iq作为本实施例中负载转矩电流。
67.参见图2所示的结构框图，常规的电机的双闭环控制包括外侧的转速环和内部的电流环两部分，本实施例中驱动方法为虚线框中内容，其中负载转矩电流具体为q轴实时电流iq,将负载转矩电流iq输入到低频滤波器filter得到滤波后电流i
q_flt
，滤波关系式具体为其中ωc为低频滤波器filter的滤波器带宽，在滤波后电流上减去负载转矩电流，得到调节电流，见调节电流输入第一pi控制器进行pi调节，得到调节频率f**，具体的关系式为其中k
p
和ki分别为第一pi控制器的两个调节系数；将调节频率f**和初步给定频率f*相加，其和值作为最终给定频率f
final
，之后将最终给定频率f
final
作为电机给定频率输入到电机的转速环控制，进一步也参与了后续的电机控制。
68.具体的转速环控制包括：最终给定频率f
final
减去电机的实际频率f，其差值输入第二pi控制器，得到q轴调节电流i
q**
，同时设置d轴调节电流i
d**
为0，由q轴调节电流i
q**
和d轴调节电流i
d**
进行速度环控制；
69.速度环控制包括：q轴调节电流i
q**
和d轴调节电流i
d**
分别与q轴实时电流iq和d轴实时电流id相减，得到两个差值分别输入两个第三pi控制器进行pi调节，得到q轴调节电压u
q**
和d轴调节电压u
d**
，再根据实时电位角θ将q轴调节电压u
q**
和d轴调节电压u
d**
转换为调节电流u
*
和调节电位角θv，根据二者进行svpwm转换，得到相应的开关管控制信号输入三相pwm逆变电路。
70.可以理解的是，三相pwm逆变电路的输出驱动电机pmsm(permanent magnet synchronous motor)，电机的输出与负载端连接，本技术利用负载转矩电流调节输入到电机转速环的最终给定频率f
final
，从而实现了大惯量柔性负载传动系统的振荡抑制。
71.本技术公开了一种大惯量柔性负载传动系统的驱动方法，所述大惯量柔性负载传动系统中电机的输出端连接负载，所述驱动方法包括：获取负载转矩电流；对负载转矩电流进行低频滤波得到滤波后电流；根据所述负载转矩电流和所述滤波后电流，得到调节电流；将所述调节电流输入第一pi控制器中，得到调节频率；根据所述调节频率和初步给定频率，确定最终给定频率；将所述最终给定频率作为电机给定频率对所述电机进行转速环控制。本技术通过对包含柔性负载特征的负载转矩电流进行处理得到与柔性负载特征有关的调节频率，并利用调节频率和初步给定频率确定最终给定频率，从而在利用最终给定频率进行电机转速环控制时能够抑制柔性负载特征产生的低频振荡。该方法不需要传感器，也不需要针对性修改参数，具有低成本和高适用性的优点。
72.本发明实施例公开了一种具体的大惯量柔性负载传动系统的驱动方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的：
73.所述对负载转矩电流进行低频滤波得到滤波后电流的过程，包括：
74.将负载转矩电流和电机的实际频率输入观测器模块，得到观测电流；
75.对观测电流进行低频滤波得到滤波后电流。
76.进一步的，所述利用最终给定频率对电机进行转速环控制之后，还包括：
77.将观测电流作为电流环控制的前馈电流。
78.参见图3的控制结构框图，可以理解的是，观测器模块能够实时观测永磁同步电机的负载转矩，并将负载转矩的观测值作为电流环控制算法的前馈，有效提高了永磁同步电机的动态性能，提高了系统的抗干扰能力。
79.具体的，观测器模块内部有以下动作：
80.将负载转矩电流iq与转矩系数k
t
相乘，得到电机输出转矩te，将实际频率f与2π相乘，得到转子机械角速度ωm，再将电机输出转矩te和转子机械角速度ωm输入观测器observer，得到观测负载转矩再进一步根据即可得到观测电流再利用观测电流进行转速环控制和电流环控制的前馈参数设置。
81.可以理解的是，根据电机学原理，电机的运动方程为：
82.j(dωm/dt)+bmωm+t
l
＝te；
83.式中：ωm为转子机械角速度，te为电机输出转矩，t
l
为负载转矩，j为转动惯量，bm为粘性阻尼系数。
84.由上式得到其动力学方程为：
[0085][0086]
式中c＝[1 0]，u＝te，y＝ωm。
[0087]
该动力学方程进一步可写为：
[0088][0089]
由此构建一个简单的降维观测器，表达式如下：
[0090][0091]
式中：为被估计的状态变量；k＝[k
1 k2]
t
为状态反馈增益矩阵；
[0092]
进一步可得：
[0093][0094]
式中为观测误差，其特征方程为：
[0095]
det[si-(a-kc)]＝s2+(k1+bm/j)s-k2/j＝0；
[0096]
选择适当的k，使(a-kc)有稳定、适当的特征值。根据指定的期望极点α、β，观测器的期望特征多项式为：
[0097]s2-(α+β)s-αβ＝0；
[0098]
由特征方程和期望特征多项式可得：
[0099][0100]
假设bm＝0，且α＝β，则上式则可以改写为：
[0101][0102]
降维观测器可改写为：
[0103][0104]
该降维观测器可作为本实施例中观测器模块中的观测器observer，其内部结构参见图4所示的结构框图。
[0105]
进一步的，对于大惯量柔性负载传动系统进行仿真，比较图5和图6，其中图5为未使用本实施例的驱动方法时的转速仿真结果，图6为使用本实施例的驱动方法时的转速仿真结果，可明显看出本实施例对柔性负载特征、低频振动具有较好的抑制效果。
[0106]
相应的，本技术实施例还公开了一种大惯量柔性负载传动系统的驱动系统，所述大惯量柔性负载传动系统中电机的输出端连接负载，参见图7所示，所述驱动系统包括：
[0107]
获取模块1，用于获取负载转矩电流；
[0108]
滤波模块2，用于对负载转矩电流进行低频滤波得到滤波后电流；
[0109]
第一调节模块3，用于根据所述负载转矩电流和所述滤波后电流，得到调节电流；
[0110]
第二调节模块4，用于将所述调节电流输入第一pi控制器中，得到调节频率；
[0111]
第三调节模块5，用于根据所述调节频率和初步给定频率，确定最终给定频率；
[0112]
控制模块6，用于将所述最终给定频率作为电机给定频率对所述电机进行转速环控制。
[0113]
本技术实施例通过对包含柔性负载特征的负载转矩电流进行处理得到与柔性负载特征有关的调节频率，并利用调节频率和初步给定频率确定最终给定频率，从而在利用最终给定频率进行电机转速环控制时能够抑制柔性负载特征产生的低频振荡。该驱动系统不需要传感器，也不需要针对性修改参数，具有低成本和高适用性的优点。
[0114]
在一些具体的实施例中，所述第一调节模块3具体用于：
[0115]
在所述滤波后电流上减去所述负载转矩电流，得到调节电流；
[0116]
相应的，所述第三调节模块5具体用于：
[0117]
对所述调节频率和初步给定频率求和，确定最终给定频率。
[0118]
在一些具体的实施例中，所述滤波模块2包括：
[0119]
观测单元，用于将所述负载转矩电流和所述电机的实际频率输入观测器模块，得到观测电流；
[0120]
滤波单元，用于对所述观测电流进行低频滤波得到滤波后电流。
[0121]
在一些具体的实施例中，所述控制模块6将所述最终给定频率作为电机给定频率对所述电机进行转速环控制之后，还用于：
[0122]
将所述观测电流作为所述电流环控制的前馈电流。
[0123]
相应的，本技术还公开了一种电子设备，包括：
[0124]
存储器，用于存储计算机程序；
[0125]
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任一项所述一种大惯量柔性负载传动系统的驱动方法的步骤。
[0126]
相应的，本技术还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任一项所述一种大惯量柔性负载传动系统的驱动方法的步骤。
[0127]
其中，具体有关所述一种大惯量柔性负载传动系统的驱动方法的细节描述，可以参照上文实施例中的相关内容，此处不再赘述。
[0128]
其中，本实施例中电子设备和可读存储介质具有与上文实施例中所述一种大惯量柔性负载传动系统的驱动方法相同的技术效果，此处不再赘述。
[0129]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种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、物品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，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0130]
以上对本发明所提供的一种大惯量柔性负载传动系统的驱动方法、系统及相关组件进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。