本發(fā)明涉及機(jī)械阻抗的檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種電機(jī)負(fù)載機(jī)械阻抗的在線自傳感檢測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

機(jī)械阻抗是描述機(jī)械系統(tǒng)頻率動態(tài)特性的參數(shù)，是系統(tǒng)受激振動時所受的簡諧激振力與其簡諧運(yùn)動響應(yīng)之比。機(jī)械阻抗由系統(tǒng)的集總參數(shù)質(zhì)量、阻尼、剛度以及激振頻率表示，因此通過機(jī)械阻抗測量可以提取質(zhì)量、阻尼、剛度這些系統(tǒng)特征。機(jī)械阻抗還可以用來構(gòu)建系統(tǒng)或部件的動力學(xué)模型，獲取系統(tǒng)傳遞函數(shù)的解析表達(dá)式。機(jī)械阻抗的測量在機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在機(jī)器人與未知環(huán)境交互過程中，通過機(jī)械阻抗的測量可以檢測未知物體的質(zhì)量、阻尼、剛度等特征，從而對未知物體進(jìn)行識別、分析。此外，在機(jī)器人控制中，環(huán)境機(jī)械阻抗的測量可以用于設(shè)計(jì)自適應(yīng)最優(yōu)控制器，以改善系統(tǒng)的性能，提高其穩(wěn)定性、魯棒性。

然而傳統(tǒng)的機(jī)械阻抗測量方法通常需涉及多個激勵和檢測設(shè)備，包括驅(qū)動器、力傳感器和加速度傳感器等。如專利CN103344322B使用了一個振動臺作為激勵發(fā)生器，一個力傳感器測量激振力，一個加速度傳感器測量運(yùn)動響應(yīng)。專利CN102204815B發(fā)明了一種人體機(jī)械阻抗測量裝置和方法，使用直線電機(jī)作為驅(qū)動器產(chǎn)生作用于人體的擾動信號，使用力傳感器測量擾動力，并使用光柵尺測量人體的運(yùn)動響應(yīng)信號。專利CN103364160A發(fā)明了一種綜框機(jī)械阻抗的測量裝置和方法，使用力錘作為激勵發(fā)生器，使用力傳感器、加速度傳感器、位移傳感器測量施力信號和運(yùn)動響應(yīng)信號。由于涉及多個激勵和傳感設(shè)備，上述傳統(tǒng)機(jī)械阻抗測量裝置通常存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高等缺點(diǎn)。這也導(dǎo)致這些方法難以用于微小對象的機(jī)械阻抗檢測，也難以在對象正常工作狀態(tài)中對其進(jìn)行實(shí)時在線檢測。此外，傳感器的使用會引入負(fù)載效應(yīng)，導(dǎo)致測量的準(zhǔn)確性降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種電機(jī)負(fù)載機(jī)械阻抗的在線自傳感檢測方法及系統(tǒng)，在不使用額外力/力矩、運(yùn)動傳感器的情況下，利用電機(jī)驅(qū)動器本身實(shí)現(xiàn)對其負(fù)載的機(jī)械阻抗的檢測，從而解決傳統(tǒng)機(jī)械阻抗測量方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高、傳感器負(fù)載效應(yīng)等缺點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)對微小對象的檢測以及對象正常工作狀態(tài)中的實(shí)時在線檢測。

本發(fā)明提供的一種電機(jī)負(fù)載機(jī)械阻抗的在線自傳感檢測方法，該方法通過檢測電機(jī)的電阻抗實(shí)現(xiàn)對其負(fù)載的機(jī)械阻抗的間接測量；首先，對三相定子電流進(jìn)行采樣并變換到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，利用帶通濾波器提取出與注入的檢測電壓同頻率的q軸電流成分；其次，分別對所述檢測電壓和q軸電流成分進(jìn)行Hilbert變換，并合成電壓和電流的解析信號；然后，對所述解析信號進(jìn)行復(fù)數(shù)運(yùn)算得到電機(jī)的電阻抗；最后利用電機(jī)的電阻抗與機(jī)械阻抗的耦合關(guān)系計(jì)算出電機(jī)輸出軸上的負(fù)載的機(jī)械阻抗。

所述對三相定子電流進(jìn)行采樣并變換到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系具體為：

根據(jù)公式(1)，將三相定子電流采樣信號i_a、i_b和i_c變換到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流信號i_d和i_q

其中p為電機(jī)極對數(shù)；θ_m為轉(zhuǎn)子機(jī)械角度。

所述電壓的解析信號為：

其中，v_qi為檢測電壓信號

所述電流的解析信號為：

其中，i_qi為與檢測電壓信號v_qi具有相同頻率的電流信號成分。

根據(jù)所述電壓和電流的解析信號得到檢測電壓信號頻率的電阻抗Z_eq，

再根據(jù)式(18)得到電機(jī)的輸出端機(jī)械阻抗Z_m與其輸入端檢測電壓信號頻率的電阻抗Z_eq的關(guān)系，計(jì)算出電機(jī)輸出軸上的負(fù)載的機(jī)械阻抗：

其中，L_q為q軸的電感值，λ為轉(zhuǎn)子永磁體在定子相中感應(yīng)產(chǎn)生的磁通的幅值，J為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，R為定子繞組的電阻值，p為電機(jī)極對數(shù)。

通過檢測負(fù)載在多個不同頻率處的機(jī)械阻抗值，進(jìn)一步提取出負(fù)載的集總參數(shù)質(zhì)量c、阻尼m和剛度k特征，其方法為求解如下方程組：

其中ω_i為檢測頻率，i＝1…n；c為負(fù)載的阻尼；m為負(fù)載的質(zhì)量；k為負(fù)載的剛度。

該方法還應(yīng)用于直流電機(jī)，通過檢測電機(jī)的電阻抗實(shí)現(xiàn)對其負(fù)載的機(jī)械阻抗的間接測量；首先，向電機(jī)定子注入一個檢測電壓信號，對定子電流進(jìn)行采樣，并利用帶通濾波器提取出與注入的檢測電壓同頻率的電流成分i_qi；其次，分別對所述檢測電壓和所述電流成分i_qi進(jìn)行Hilbert變換，并合成電壓和電流的解析信號；然后，對所述解析信號進(jìn)行復(fù)數(shù)運(yùn)算得到電機(jī)的電阻抗；最后利用電機(jī)的電阻抗與機(jī)械阻抗的耦合關(guān)系計(jì)算出電機(jī)輸出軸上的負(fù)載的機(jī)械阻抗。

一種電機(jī)負(fù)載機(jī)械阻抗的在線自傳感檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括永磁同步電機(jī)、電流控制模塊、檢測電壓信號注入模塊、加法器、電流檢測模塊以及負(fù)載機(jī)械阻抗提取模塊，所述檢測電壓信號注入模塊通過加法器向所述電機(jī)q軸注入一個檢測電壓信號，所述電流檢測模塊檢測永磁同步電機(jī)的三相電流，將其輸入至所述負(fù)載機(jī)械阻抗提取模塊，所述負(fù)載機(jī)械阻抗提取模塊根據(jù)電機(jī)的機(jī)電耦合作用，所述檢測電壓信號在電機(jī)的機(jī)械輸出端上產(chǎn)生的激勵，作用到電機(jī)的負(fù)載對象，并反向傳遞到電機(jī)的電輸入端，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的機(jī)械阻抗的間接測量。

所述負(fù)載機(jī)械阻抗提取模塊包括dq變換模塊、帶阻濾波器、帶通濾波器、第一和第二Hilbert變換模塊、第一和第二解析信號合成模塊、復(fù)數(shù)除法模塊以及負(fù)載機(jī)械阻抗計(jì)算模塊；其中，

dq變換模塊連接所述電流檢測模塊，將三相定子電流采樣信號變換到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流信號i_d和i_q，將i_q作為帶阻濾波器、帶通濾波器的輸入信號，得到i_qi，將其作為第二解析信號合成模塊和第二Hilbert變換模塊的輸入；再將第二Hilbert變換模塊的輸出作為第二解析信號合成模塊的輸入，得到電流的解析信號；

檢測電壓信號注入模塊產(chǎn)生一個與控制電壓命令信號具有不同頻率的檢測電壓信號，作為加法器、第一Hilbert變換模塊和第一解析信號合成模塊的輸入，再將第一Hilbert變換模塊的輸出作為第一解析信號合成模塊的輸入，得到電壓的解析信號；

所述電流的解析信號和電壓的解析信號依次經(jīng)復(fù)數(shù)除法模塊、負(fù)載機(jī)械阻抗計(jì)算模塊運(yùn)算得到電機(jī)輸出軸上的負(fù)載的機(jī)械阻抗。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用電機(jī)本身產(chǎn)生激勵，并且避免了使用額外的力/力矩、運(yùn)動傳感器。其帶來的有益效果包括：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，無傳感器負(fù)載效應(yīng)，適用于微小對象的檢測，以及可在對象正常工作狀態(tài)中對其進(jìn)行實(shí)時在線檢測等。此外，由于電阻抗是電機(jī)的固有屬性，不隨電壓幅值的變化而改變，因而本方法還具有抗電源電壓波動干擾的效果。

附圖說明

圖1為三相永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系示意圖；

圖2為表示本發(fā)明電機(jī)負(fù)載機(jī)械阻抗自傳感檢測系統(tǒng)的實(shí)施方式框圖；

圖3為q軸控制電壓、q軸注入的檢測電壓以及它們的合成信號的波形圖；

圖4為三相定子電流采樣信號、通過dq變換得到的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電流信號、濾波提取出的q軸控制電流信號以及注入的檢測電流響應(yīng)信號的波形圖；

圖5為注入q軸的檢測電壓信號、與其同頻率的q軸檢測電流響應(yīng)信號、以及它們的Hilbert變換結(jié)果的波形圖；

圖6為5種負(fù)載條件下檢測到的電阻抗值；

圖7為負(fù)載機(jī)械阻抗測量值以及負(fù)載機(jī)械阻抗實(shí)際值的對比圖；

圖8為本檢測系統(tǒng)處理程序的執(zhí)行流程圖；

圖中的符號說明：1.永磁同步電機(jī)；2.電流控制模塊；3.檢測電壓信號注入模塊；4.加法器；5.逆dq變換模塊；6.輸出電壓處理模塊；7.電力轉(zhuǎn)換模塊；8.電流檢測模塊；9.負(fù)載機(jī)械阻抗提取模塊；10.dq變換模塊；11.帶阻濾波器；12.帶通濾波器；13a.Hilbert變換模塊；13b.Hilbert變換模塊；14a.解析信號合成模塊；14b.解析信號合成模塊；15.復(fù)數(shù)除法模塊；16.負(fù)載機(jī)械阻抗計(jì)算模塊。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種電機(jī)負(fù)載機(jī)械阻抗的在線自傳感檢測方法及系統(tǒng)，為使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的實(shí)施方式是在控制電機(jī)d軸電流為0的情況下，向電機(jī)q軸注入一個檢測電壓信號，通過檢測電機(jī)三相電流響應(yīng)信號并進(jìn)行信號的處理、變換、合成與計(jì)算，提取出負(fù)載的機(jī)械阻抗。

圖2是表示本發(fā)明的電機(jī)負(fù)載機(jī)械阻抗自傳感檢測的實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)方框圖。本實(shí)施方式的電機(jī)負(fù)載機(jī)械阻抗自傳感檢測裝置具有：永磁同步電機(jī)1；電流控制模塊2；檢測電壓信號注入模塊3；加法器4；逆dq變換模塊5；輸出電壓處理模塊6；電力轉(zhuǎn)換模塊7；電流檢測模塊8；負(fù)載機(jī)械阻抗提取模塊9；dq變換模塊10；帶阻濾波器11；帶通濾波器12；Hilbert變換模塊13a和13b；解析信號合成模塊14a和14b；復(fù)數(shù)除法模塊15；負(fù)載機(jī)械阻抗計(jì)算模塊16。

電流控制模塊2根據(jù)d軸和q軸的電流命令值i^*_dc和i^*_qc與實(shí)際檢測到的的d軸和q軸的電流值i_dc和i_qc的差值，計(jì)算出d軸和q軸所須施加的控制電壓命令信號v^*_dc和v^*_qc,以使實(shí)際檢測到的d軸和q軸的電流值i_dc和i_qc與電流命令值i^*_dc和i^*_qc相等，即i_dc＝i^*_dc＝0，i_qc＝i^*_qc。

檢測電壓信號注入模塊3產(chǎn)生一個與控制電壓命令信號v^*_qc具有不同頻率的檢測電壓信號v_qi。作為加法器4、Hilbert變換模塊13a和解析信號合成模塊14a的輸入。

加法器4將q軸控制電壓命令信號v^*_qc和檢測電壓信號v_qi相加后的結(jié)果v_q送入逆dq變換器5。圖3所示為v^*_qc、v_qi以及v_q的示例。在這里v^*_qc是一個頻率為1Hz的正弦sin信號，v_qi是一個頻率為100Hz的正弦sin信號，v_q是它們合成得到的信號。

逆dq變換器5將需要施加到電機(jī)的d軸電壓v_d(＝v^*_dc)和q軸電壓v_q變換到定子坐標(biāo)系，并將變換結(jié)果送入輸出電壓處理模塊6。

輸出電壓處理模塊6對逆dq變換器5輸出的定子坐標(biāo)系電壓值進(jìn)行處理(如轉(zhuǎn)換為空間矢量脈沖調(diào)制信號SVPWM，或線性放大等)，其結(jié)果送入電力轉(zhuǎn)換模塊7。

電力轉(zhuǎn)換模塊7可以是一個脈沖調(diào)制信號控制的逆變器，或者是一個線性功率放大器等。其輸出接電機(jī)1。

電流檢測模塊8對電機(jī)的三相定子電流進(jìn)行采樣，可以是霍爾電流傳感器，或者是分流電阻器加電壓放大電路等。

負(fù)載機(jī)械阻抗提取模塊9對電流檢測模塊8輸出的三相定子電流采樣信號i_a、i_b和i_c進(jìn)行處理、變換、合成與計(jì)算，提取出負(fù)載的機(jī)械阻抗Z_m。它包括：dq變換模塊10；帶阻濾波器11；帶通濾波器12；Hilbert變換模塊13a和13b；解析信號合成模塊14a和14b；復(fù)數(shù)除法模塊15；負(fù)載機(jī)械阻抗計(jì)算模塊16。

dq變換模塊10根據(jù)公式(1)表示的dq變換將電流檢測模塊8輸出的三相定子電流采樣信號i_a、i_b和i_c變換到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流信號i_d和i_q。其中i_d作為i_dc被用于電流控制模塊2，i_q作為帶阻濾波器11和帶通濾波器12的輸入。

其中p為電機(jī)極對數(shù)；θ_m為轉(zhuǎn)子機(jī)械角度。i_a、i_b、i_c以及i_d和i_q的示例見圖4。

帶阻濾波器11對dq變換模塊10輸出的i_q進(jìn)行濾波，濾除與檢測電壓信號v_qi具有相同頻率的電流信號成分，其濾波結(jié)果i_qc被用于電流控制模塊2。i_qc的示例見圖4。

帶通濾波器12對dq變換模塊10輸出的i_q進(jìn)行濾波，提取出與檢測電壓信號v_qi具有相同頻率的電流信號成分，其濾波結(jié)果i_qi作為Hilbert變換模塊13b和解析信號合成模塊14b的輸入。i_qi的示例見圖4。

Hilbert變換模塊13a對檢測電壓信號注入模塊3產(chǎn)生的檢測電壓信號v_qi進(jìn)行公式(2)所表示的Hilbert變換，將信號的負(fù)頻率成分的相位平移π/2,將信號的正頻率成分的相位平移-π/2。Hilbert變換可以通過有限沖激響應(yīng)濾波器(FIR)、快速傅里葉變換(FFT)等方式實(shí)現(xiàn)。其輸出HT[v_qi]被用作解析信號合成模塊14a的輸入。v_qi和HT[v_qi]的示例見圖5。

Hilbert變換模塊13b對帶通濾波器12輸出的濾波結(jié)果i_qi進(jìn)行公式(3)所表示的Hilbert變換，將信號的負(fù)頻率成分的相位平移π/2,將信號的正頻率成分的相位平移-π/2。Hilbert變換可以通過有限沖激響應(yīng)濾波器(FIR)、快速傅里葉變換(FFT)等方式實(shí)現(xiàn)。其輸出HT[i_qi]被用作解析信號合成模塊14b的輸入。i_qi和HT[i_qi]的示例見圖5。

解析信號合成模塊14a根據(jù)公式(4)將檢測電壓信號注入模塊3產(chǎn)生的檢測電壓信號v_qi以及Hilbert變換模塊13a輸出的HT[v_qi]合成為解析信號V_qi。V_qi以v_qi作為其實(shí)部，以HT[v_qi]作為其虛部。V_qi被用作復(fù)數(shù)除法模塊15的輸入。

解析信號合成模塊14b根據(jù)公式(5)將帶通濾波器12輸出的濾波結(jié)果i_qi以及Hilbert變換模塊13b輸出的HT[i_qi]合成為解析信號I_qi。I_qi以i_qi作為其實(shí)部，以HT[i_qi]作為其虛部。I_qi被用作復(fù)數(shù)除法模塊15的輸入。

復(fù)數(shù)除法模塊15根據(jù)公式(6)將解析信號合成模塊14a的輸出V_qi除以解析信號合成模塊14b的輸出I_qi，得到對應(yīng)檢測電壓信號v_qi頻率的電阻抗Z_eq，并輸入到負(fù)載機(jī)械阻抗計(jì)算模塊16。

負(fù)載機(jī)械阻抗計(jì)算模塊16將復(fù)數(shù)除法模塊15輸出的Z_eq根據(jù)公式(18)所表示的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出負(fù)載的機(jī)械阻抗Z_m。其原理如下：

三相永磁同步電機(jī)在圖1所示的dq轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可以由方程(7－10)表示

其中v_d、v_q分別為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中d軸、q軸的電壓；i_d、i_q分別為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中d軸、q軸的電流；R為定子繞組的電阻值；L_d、L_q分別為d軸、q軸的電感值；Ω_m為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；p為電機(jī)極對數(shù)；λ為轉(zhuǎn)子永磁體在定子相中感應(yīng)產(chǎn)生的磁通的幅值；T_e為電磁力矩；T_L為外部負(fù)載力矩；J為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。

對方程(7－10)進(jìn)行傅里葉變換，可以得到方程(11－14)表示的電機(jī)在頻域中的數(shù)學(xué)模型:

jωJΩ_m(ω)＝T_e(ω)-T_L(ω) (14)

其中ω為信號頻率；I_d(ω)、I_q(ω)、V_d(ω)、V_q(ω)、Ω_m(ω)、T_e(ω)分別為時域信號i_d、i_q、v_d、v_q、Ω_m、T_e的頻域表示。

利用控制算法(如PID、滑?？刂啤⒆赃m應(yīng)控制、模糊控制等)控制d軸方向的電流分量為0，即：

I_d(ω)＝0 (15)

電機(jī)輸出端的機(jī)械阻抗定義為：

電機(jī)輸入端在q軸方向的電阻抗定義為：

將方程(15－17)代入方程(11－14)并進(jìn)行整理可以獲得電機(jī)的輸出端機(jī)械阻抗Z_m與其輸入端q軸電阻抗Z_eq的關(guān)系為：

其中Re[Z_eq]和Im[Z_eq]分別為輸入端q軸電阻抗Z_eq的實(shí)部和虛部。

此外，通過檢測負(fù)載在多個不同頻率處的機(jī)械阻抗值，可以進(jìn)一步提取出負(fù)載的集總參數(shù)質(zhì)量m、阻尼c和剛度k等特征。其方法為求解如下方程組：

其中ω_i(i＝1…n)為檢測頻率；c為負(fù)載的阻尼；m為負(fù)載的質(zhì)量；k為負(fù)載的剛度。在轉(zhuǎn)動系統(tǒng)中，c、m和k分別為轉(zhuǎn)動阻尼、轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)動剛度。

最后對本方法和系統(tǒng)的有效性進(jìn)行測試。電機(jī)的q軸電阻為0.32Ω，電感為0.082×10^-3H，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為1.4×10^-5kg·m²，額定電壓為12V。注入的檢測電壓幅值為1V，頻率100Hz。對如下5個負(fù)載進(jìn)行檢測：

負(fù)載1：轉(zhuǎn)動慣量＝1×10^-4kg·m²，阻尼＝0.01N·m·s/rad，剛度＝10N·m/rad；

負(fù)載2：轉(zhuǎn)動慣量＝1×10^-5kg·m²，阻尼＝0.02N·m·s/rad，剛度＝50N·m/rad；

負(fù)載3：轉(zhuǎn)動慣量＝1×10^-4kg·m²，阻尼＝0.03N·m·s/rad，剛度＝20N·m/rad；

負(fù)載4：轉(zhuǎn)動慣量＝1×10^-5kg·m²，阻尼＝0.04N·m·s/rad，剛度＝40N·m/rad；

負(fù)載5：轉(zhuǎn)動慣量＝1×10^-4kg·m²，阻尼＝0.05N·m·s/rad，剛度＝30N·m/rad；

圖6為上述5種負(fù)載條件下檢測到的電阻抗值Z_eq。圖7為利用檢測到的Z_eq計(jì)算得到的負(fù)載機(jī)械阻抗測量值以及負(fù)載機(jī)械阻抗的實(shí)際值的對比?？梢园l(fā)現(xiàn)檢測到的負(fù)載機(jī)械阻抗能有效的反映其實(shí)際值。

本檢測系統(tǒng)處理程序的執(zhí)行流程圖見圖8。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。