[发明专利]电机负载机械阻抗的在线自传感检测方法及系统

说明书

本发明公开了一种电机负载机械阻抗的在线自传感检测方法及系统，通过检测电机的电阻抗实现对其负载的机械阻抗的间接测量；首先，对三相定子电流进行采样并变换到转子旋转坐标系，利用带通滤波器提取出与注入的检测电压同频率的q轴电流成分；分别对所述检测电压和q轴电流成分进行Hilbert变换，并合成电压和电流的解析信号；对所述解析信号进行复数运算得到电机的电阻抗；最后利用电机的电阻抗与机械阻抗的耦合关系计算出电机输出轴上的负载的机械阻抗。不使用额外力/力矩、运动传感器的情况下，利用电机驱动器本身实现对其负载的机械阻抗的检测，从而解决传统机械阻抗测量方法结构复杂、体积大、成本高、传感器负载效应等缺点。

技术领域

本发明涉及机械阻抗的检测技术领域，特别是涉及一种电机负载机械阻抗的在线自传感检测方法及系统。

背景技术

机械阻抗是描述机械系统频率动态特性的参数，是系统受激振动时所受的简谐激振力与其简谐运动响应之比。机械阻抗由系统的集总参数质量、阻尼、刚度以及激振频率表示，因此通过机械阻抗测量可以提取质量、阻尼、刚度这些系统特征。机械阻抗还可以用来构建系统或部件的动力学模型，获取系统传递函数的解析表达式。机械阻抗的测量在机器人领域有着广泛的应用前景。在机器人与未知环境交互过程中，通过机械阻抗的测量可以检测未知物体的质量、阻尼、刚度等特征，从而对未知物体进行识别、分析。此外，在机器人控制中，环境机械阻抗的测量可以用于设计自适应最优控制器，以改善系统的性能，提高其稳定性、鲁棒性。

然而传统的机械阻抗测量方法通常需涉及多个激励和检测设备，包括驱动器、力传感器和加速度传感器等。如专利CN103344322B使用了一个振动台作为激励发生器，一个力传感器测量激振力，一个加速度传感器测量运动响应。专利CN102204815B发明了一种人体机械阻抗测量装置和方法，使用直线电机作为驱动器产生作用于人体的扰动信号，使用力传感器测量扰动力，并使用光栅尺测量人体的运动响应信号。专利CN103364160A发明了一种综框机械阻抗的测量装置和方法，使用力锤作为激励发生器，使用力传感器、加速度传感器、位移传感器测量施力信号和运动响应信号。由于涉及多个激励和传感设备，上述传统机械阻抗测量装置通常存在结构复杂、体积大、成本高等缺点。这也导致这些方法难以用于微小对象的机械阻抗检测，也难以在对象正常工作状态中对其进行实时在线检测。此外，传感器的使用会引入负载效应，导致测量的准确性降低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种电机负载机械阻抗的在线自传感检测方法及系统，在不使用额外力/力矩、运动传感器的情况下，利用电机驱动器本身实现对其负载的机械阻抗的检测，从而解决传统机械阻抗测量方法结构复杂、体积大、成本高、传感器负载效应等缺点，并且实现对微小对象的检测以及对象正常工作状态中的实时在线检测。

本发明提供的一种电机负载机械阻抗的在线自传感检测方法，该方法通过检测电机的电阻抗实现对其负载的机械阻抗的间接测量；首先，对三相定子电流进行采样并变换到转子旋转坐标系，利用带通滤波器提取出与注入的检测电压同频率的q轴电流成分；其次，分别对所述检测电压和q轴电流成分进行Hilbert变换，并合成电压和电流的解析信号；然后，对所述解析信号进行复数运算得到电机的电阻抗；最后利用电机的电阻抗与机械阻抗的耦合关系计算出电机输出轴上的负载的机械阻抗。

所述对三相定子电流进行采样并变换到转子旋转坐标系具体为：

根据公式(1)，将三相定子电流采样信号i_a、i_b和i_c变换到转子旋转坐标系电流信号i_d和i_q

其中p为电机极对数；θ_m为转子机械角度。

所述电压的解析信号为：