[发明专利]一种电惯量模拟方法

权利要求书

1.一种电惯量模拟方法，包括扭矩电机加载系统、转位臂关节驱动系统、计算机、控制器和扭矩传感器及联轴器；

扭矩电机加载系统包括扭矩加载电机驱动器和扭矩加载电机，扭矩加载电机驱动器与扭矩加载电机电连接；

转位臂关节驱动系统包括转位臂关节驱动电机驱动器和转位臂关节驱动电机，转位臂关节驱动电机为带有编码器的驱动电机，转位臂关节驱动电机驱动器与转位臂关节驱动电机电连接；

转位臂关节驱动电机和扭矩加载电机之间通过扭矩传感器及联轴器连接在一起，控制器分别与扭矩传感器及联轴器、扭矩加载电机驱动器和转位臂关节驱动电机驱动器建立连接，计算机与控制器建立双向信息传输；

其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.转位臂关节驱动系统根据角位置指令输出一个角位置信号，经转位臂关节驱动电机的编码器检测，将采集到的信号实时反馈给控制器和计算机，并经微分运算得到角速度及角加速度信号；

步骤2.根据要模拟的惯量，由公式T＝Jα，计算得出要模拟大小为J的惯量，及所需的扭矩电机加载力矩T，并将该力矩作为扭矩电机加载系统的指令力矩输入到扭矩加载电机驱动器，控制扭矩加载电机运动；

步骤3.扭矩传感器及联轴器与扭矩加载电机连接，实时采集扭矩加载电机的输出力矩并反馈给控制器，实现力矩的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种电惯量模拟方法，其特征在于：所述步骤1中，控制器的控制方法为：

步骤a.转位臂关节驱动系统和扭矩电机加载系统的转位臂关节驱动电机和扭矩加载电机均为永磁同步电机，根据永磁同步电机模型，建立整个电惯量模拟试验系统数学模型，经推导，从扭矩加载系统的输入力矩指令T_i(s)到扭矩加载系统输出力矩T_f(s)的传递函数为：

T_f(s)＝G_m1(s)·T_i(s)-G_m2(s)·θ_r(s)

其中，以T_i(s)为输入传递函数为：

以θ_r(s)为输入的传递函数为：

式中：K_s为逆变驱动电路等效增益，K_f为电流反馈系数，K_e为反电势系数，K_T为力矩系数，i_q为交轴电流,K₀为从电压信号到i_q之间的比例系数，K_p为电流控制增益,D为摩擦系数，J为折算到电机轴的负载转动惯量，T_A为扭矩传感器的刚度系数，T_f为扭矩传感器的输出力矩，T_i为系统的输入力矩指令，K为T_i转换为电压信号的比例，加载电机和转位臂关节驱动电机的输出角度分别为θ_m和θ_r，L电枢线圈电感，r电枢等效电阻，L_m为电枢等效电感，s为拉普拉斯算子；

步骤b.为提高扭矩电机加载系统的稳定性、快速性和准确性，在步骤a中的电惯量模拟系统数学模型中加入力矩的微分负反馈环节和PID控制器，具体在扭矩输入指令信号前项通道加入PID控制器和微分负反馈，采用转位臂系统角位置输出θ_r作为补偿信号，得到校正后的电惯量模拟系统模型：

在实际应用中，扭矩电机加载系统参数变化小、非线性因素少，常常采用基于结构不变性原理的前馈补偿方法来抑制多余力矩，对于扭矩电机加载系统来说，多余力矩是由转位臂系统的角位置输出θ_r变化引起的，因此系统最直接的扰动来自θ_r，采用转位臂系统角位置输出θ_r作为补偿信号，由此得到前馈补偿器为：