[发明专利]一种回转体高精度转动惯量在线测量方法

说明书

技术领域

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

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究。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、三线摆法、扭摆法。

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

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。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

(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：

ΔI＝a·(J₀+J_额)

其中，ΔI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，J₀为电机轴的转动惯量，J_额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ΔI，利用多个已知转动惯量的标准块各自所对应的ΔI，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J₀；

(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，然后测量得到电机以所述角加速度切换速度过程的电机电流差ΔI，然后根据标定好的转动惯量电流系数以及J₀，计算被测回转体的转动惯量。

所述步骤(1)具体包括以下步骤：

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：

T₁-T₂＝J·β (2)

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；

③由公式(1)和公式(2)得：

K·(I₁-I₂)＝J·β(3)

其中I₁为电机驱动电流，对应电机驱动转矩，I₂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：

I₁-I₂＝(β/K)·J (4)

当角加速度为定值时，β/K为常量，因此公式(4)表示为：

ΔI＝a·J(5)

其中，a＝β/K，ΔI＝I₁-I₂；

当电机轴安装回转体时，J＝J₀+J_额，则公式(5)写成：

ΔI＝a·(J₀+J_额)(6)

所述步骤(2)具体包括以下步骤：

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，这些标准块的转动惯量表示为J_i，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I₁，以及将电机稳定运转于第二转速的电流作为I₂，相减得到电机电流差ΔI＝I₁-I₂；