CN101753073A - 马达的齿槽定位转矩补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种齿槽定位转矩补偿系统包括一速度测量装置、一转动惯量测量装置、一转子位置测量装置、一运算装置、若干带通滤波器以及一电流控制装置。所述运算装置根据所述马达的速度及转动惯量运算得到所述马达的齿槽定位转矩，并通过所述若干带通滤波器得到所述马达的齿槽定位转矩的以所述马达的转子位置为变量的傅立叶函数，以及根据所述傅立叶函数得到所述马达欲补偿转子位置处的齿槽定位转矩，并据此对应得到一齿槽定位转矩电流。所述电流控制装置用于对所述马达输入一与所述齿槽定位转矩电流方向相反的电流以补偿所述马达齿槽定位转矩。上述齿槽定位转矩补偿系统可以对马达的齿槽定位转矩进行补偿。本发明还提供了一种齿槽定位转矩补偿方法。

Description

马达的齿槽定位转矩补偿系统及方法

技术领域

本发明涉及一种马达的齿槽定位转矩补偿系统及方法。

背景技术

永磁马达由一列固定在基座上的永磁体和一组固定在转子上的线圈组成。转子在转动过程中，其线圈相对永磁体存在一组磁能量最低的对齐位置，线圈总是试图稳定在这些位置，因此产生了齿槽定位(cogging)转矩。一般来说，在永磁马达中，齿槽定位转矩常常成为引起振动、噪声和提高控制精度困难的基本原因。

为了减小由于永磁马达的齿槽定位转矩所带来的种种不利因素，现有一般采用改变马达内部元件的几何尺寸参数及电磁参数，但是由于受到不能过分影响基本电气性能的限制，减小齿槽定位转矩的效果往往会受到限制，不能完全满足要求。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种较为理想的马达齿槽定位转矩补偿系统及方法，所述马达齿槽定位转矩补偿系统及方法不用改变马达内部元件的几何尺寸参数及电磁参数。

一种齿槽定位转矩补偿系统，用于补偿一马达的齿槽定位转矩，所述齿槽定位转矩补偿系统包括：

一速度测量装置，用于测量所述马达的速度；

一转动惯量测量装置，用于测量所述马达的转动惯量；

一转子位置测量装置，用于测量所述马达的转子位置；

一运算装置，用于接收所述马达的速度、转动惯量及转子位置，并根据所述马达的速度及转动惯量运算得到所述马达的齿槽定位转矩；

若干带通滤波器，每一带通滤波器均设定不同的滤波频率以得到所述马达的齿槽定位转矩的傅立叶函数的若干傅立叶系数；所述运算装置还用于根据所述若干傅立叶系数得到所述马达的齿槽定位转矩的以所述马达的转子位置为变量的傅立叶函数，并根据所述傅立叶函数得到所述马达欲补偿转子位置处的齿槽定位转矩及一对应的齿槽定位转矩电流；及

一电流控制装置，用于对所述马达输入一与所述齿槽定位转矩电流方向相反的电流以补偿所述马达的齿槽定位转矩。

一种齿槽定位转矩补偿方法，用于补偿一马达的齿槽定位转矩，所述齿槽定位转矩补偿方法包括以下步骤：

测量所述马达的速度、转动惯量及转子位置；

通过一运算装置根据所述马达的速度及转动惯量运算得到所述马达的齿槽定位转矩；

通过若干设定不同的滤波频率的带通滤波器得到所述齿槽定位转矩傅立叶函数的若干傅立叶系数；

所述运算装置根据所述齿槽定位转矩傅立叶函数的若干傅立叶系数运算得到所述齿槽定位转矩的以所述马达的转子位置为变量的傅立叶函数，并根据所述傅立叶函数运算得到所述马达欲补偿转子位置处的齿槽定位转矩及一对应的齿槽定位转矩电流；以及

一电流控制装置对所述马达输入一与所述齿槽定位转矩电流方向相反的电流以补偿所述马达的齿槽定位转矩。

上述齿槽定位转矩补偿系统及方法通过所述运算装置运算得到所述马达此时的齿槽定位转矩，并利用所述若干带通滤波器得到所述齿槽定位转矩T_g的以所述马达的转子位置为变量的傅立叶函数，从而可得到对应的齿槽定位转矩电流，通过所述电流控制装置向所述马达输入一与所述齿槽定位转矩电流相反的电流即可抵销所述马达的齿槽定位转矩T_g。

附图说明

图1为本发明马达齿槽定位转矩的补偿系统的较佳实施方式的示意图。

图2为稳态下马达的速度与齿槽定位转矩之间的闭环控制图。

图3为本发明马达齿槽定位转矩的补偿方法的较佳实施方式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施方式对本发明作进一步详细描述。

请参考图1，本发明马达齿槽定位转矩补偿系统用于补偿一马达100的齿槽定位转矩T_g，其较佳实施方式包括一马达驱动器10、一速度控制装置12、一速度测量装置14、一转动惯量测量装置16、一转子位置测量装置18、一运算装置20、m个带通滤波器22及一电流控制装置24，其中，m为一大于1的整数，本实施方式中m＝3，即所述马达齿槽定位转矩系统包括三个带通滤波器22a、22b以及22c，所述运算装置20包括一处理单元200及一存储单元210。

所述马达驱动器10用于驱动所述马达10，所述速度控制装置12用于向所述马达驱动器10输出一速度指令，以通过所述马达驱动器10调整所述马达100的速度；所述速度测量装置14、转动惯量测量装置16及转子位置测量装置18分别用于测量所述马达100某一时刻的速度、转动惯量以及转子位置，并将其存储于所述存储单元210内，所述存储单元210内还存储有若干运算程序；所述存储单元210将所述速度、转动惯量、转子位置以及运算程序传送给所述处理单元200，所述处理单元200根据运算程序对所述速度以及转动惯量进行运算，以得到此时所述马达100的齿槽定位转矩T_g，并将所述齿槽定位转矩T_g输出给所述三个带通滤波器22a、22b以及22c；所述三个带通滤波器22a、22b以及22c分别设定为不同的滤波频率，用于对所述齿槽定位转矩T_g进行滤波处理，并将经滤波处理后的齿槽定位转矩T_g再次输出给所述运算装置20；所述运算装置20再次根据存储于其内部的运算程序对所述齿槽定位转矩T_g进行运算，并根据运算结果通过所述电流控制装置24调整所述马达100的输入电流，以抵消所述马达100的齿槽定位转矩T_g。

图2为稳态下，所述马达100的速度V与齿槽定位转矩T_g之间的闭环控制图，其中K_vp表示所述速度控制装置12的比例值，V_r表示由所述速度控制装置12所发出的速度指令，J表示所述马达100的转动惯量，X表示所述马达100的转子的位置，可以是所述马达100的转子所转过的相对角度，F_g表示与所述马达100的齿槽定位转矩T_g相反的力矩，B表示所述马达100的粘滞系数，S表示拉普拉斯算子，K表示增益常数。

根据图2，可得到以下方程式：

$[(V_r-V)\×K_{\mathrm{vp}}\×K+F_g]\×\frac{1}{\mathrm{JS}+B}=V,$

即F_g＝-K_vpK(V_r-V)+JVS+BV，

从而可以得到：T_g＝K_vpK(V_r-V)-JVS-BV    公式(1)

请继续参考图3，本发明马达齿槽定位转矩补偿方法包括以下步骤：

步骤S1：通过所述速度控制装置12向所述马达驱动器10发送一速度指令V_r，并通过所述马达驱动器10启动所述马达100。当所述马达100达到某一稳态时，通过所述速度测量装置16、转动惯量测量装置18以及转子位置测量装置20测出所述马达100此时的速度V、转动惯量J以及转子的位置X，并将速度V、转动惯量J以及转子的位置X传送给所述存储单元210。所述处理单元200根据公式(1)即可计算出此时所述马达100的齿槽定位转矩T_g。所述处理单元200将所述齿槽定位转矩T_g进行傅立叶变换即可得到以下公式：

$T_g=T_{g0}+\underset{n=1}{\overset{y}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{gn}}\sin (\frac{2\mathrm{\πnX}}{M}+{\mathrm{\θ}}_n)$

$=H_{r0}+H_{r1}\sin \left(\frac{2\mathrm{\πX}}{M}\right)+H_{r2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πX}}{M}\right)+H_{r3}\sin \left(\frac{4\mathrm{\πX}}{M}\right)+H_{r4}\cos \left(\frac{4\mathrm{\πX}}{M}\right)$

$+......+H_{r(2y-1)}\sin \left[\frac{2(2y-1)\mathrm{\πX}}{M}\right]+H_{r2y}\cos \left(\frac{4\mathrm{y\πX}}{M}\right)$

公式(2)

其中：

H_r0＝T_g0；

H_r1＝T_g1cosθ₁，H_r2＝T_g1sinθ₁；

H_r3＝T_g2cosθ₂，H_r4＝T_g2sinθ₂；

.............

H_r(2y-1)＝T_gycosθ_y，H_r2y＝T_gysinθ_y.    公式(3)

H_r0，H_r1，H_r2，H_r3，H_r4，.......，H_r(2y-1)，H_r2y为T_g的傅立叶函数的若干傅立叶系数，T_g0为一常数，M为所述马达100的极距(Pole Pitch)，其中每一马达都具有一固定的极距值。

步骤S2：根据所述带通滤波器22的数量设定公式(2)中的逼近阶数y，本实施方式中，y＝m＝3。所述运算装置20将运算得到的齿槽定位转矩T_g传送给所述三个带通滤波器22a、22b以及22c。本实施方式中，所述带通滤波器22a设定的滤波频率为f1，所述带通滤波器22b设定的滤波频率为f2，所述带通滤波器22c设定的滤波频率为f3。当所述齿槽定位转矩T_g通过所述带通滤波器22a后输出频率为f1的波形，此时，通过对输出的频率为f1的波形进行测量即可得到该波形的振幅及初相位，该振幅及相位分别为公式(2)中T_g1及θ₁。同理，当所述齿槽定位转矩T_g分别通过所述带通滤波器22b以及22c后输出频率为f2以及f3的波形，此时，通过分别对输出的频率为f2以及f3的波形进行测量即可得知公式(2)中的T_g2、T_g3、θ2以及θ3，并将其传送给所述处理单元200。本实施方式中取y＝m＝3是为了描述方便，此处y的取值越大，得到的傅立叶系数H_r2y也就越多，所述齿槽定位转矩T_g的傅立叶函数也就越精确。

步骤S3：所述处理单元200根据公式(3)得到如下公式：

T_g0＝H_r0；

$T_{g1}=\frac{H_{r1}}{\cos {\mathrm{\θ}}_1},$ ${\mathrm{\θ}}_1={\tan }^{-1}\left(\frac{H_{r2}}{H_{r1}}\right);$

$T_{g2}=\frac{H_{r3}}{\cos {\mathrm{\θ}}_2},$ ${\mathrm{\θ}}_2={\tan }^{-1}\left(\frac{H_{r4}}{H_{r3}}\right);$

.............

$T_{\mathrm{gy}}=\frac{H_{r(2y-1)}}{\cos \left({\mathrm{\θ}}_y\right)},$ ${\mathrm{\θ}}_y={\tan }^{-1}\left(\frac{H_{r2y}}{H_{r(2y-1)}}\right).$ 公式(4)

所述处理单元200根据公式(4)即可得出公式(3)中的傅立叶系数H_r1，H_r2，H_r3，H_r4，.......，H_r(2y-1)，H_r2y的值，因此即可得到所述马达100的齿槽定位转矩T_g的傅立叶函数。

步骤S4：根据所述马达100的齿槽定位转矩T_g的傅立叶函数，所述处理单元200根据所述马达100的转子位置X即可得知所述马达100对应的齿槽定位转矩T_g；并根据马达100的输入电流与其输出转矩之间的关系对应计算出此时造成该齿槽定位转矩T_g的电流，即I_cogging。

步骤S5：根据计算得到的齿槽定位转矩电流I_cogging，通过所述电流控制装置24向所述马达100输入一与所述齿槽定位转矩电流I_cogging相反的电流即可抵消所述马达100的齿槽定位转矩T_g。

本实施方式中，所述齿槽定位转矩补偿系统通过所述公式(1)计算得到所述马达100此时的齿槽定位转矩T_g，在其他实施方式中，设计者也可以根据其他本领域技术人员知晓的方法计算得到所述马达100的齿槽定位转矩T_g。所述运算装置20可为一外在的独立装置，也可集成于所述马达驱动器10内部。

上述齿槽定位转矩补偿系统及方法通过所述速度测量装置14、转动惯量测量装置16以及转子位置测量装置18感测所述马达100的速度、转动惯量以及转子位置，并将其传送给所述运算装置20，所述运算装置20通过对其进行运算后，利用所述带通滤波器22得到所述齿槽定位转矩T_g的傅立叶函数，从而得到齿槽定位转矩电流I_cogging，通过所述电流控制装置24向所述马达100输入一与所述齿槽定位转矩电流I_cogging方向相反的电流即可抵销所述马达100的齿槽定位转矩T_g。

Claims (7)

1.一种齿槽定位转矩补偿系统，用于补偿一马达的齿槽定位转矩，所述齿槽定位转矩补偿系统包括：

一速度测量装置，用于测量所述马达的速度；

一转动惯量测量装置，用于测量所述马达的转动惯量；

一转子位置测量装置，用于测量所述马达的转子位置；

一运算装置，用于接收所述马达的速度、转动惯量及转子位置，并根据所述马达的速度及转动惯量运算得到所述马达的齿槽定位转矩；

若干带通滤波器，每一带通滤波器均设定不同的滤波频率以得到所述马达的齿槽定位转矩的傅立叶函数的若干傅立叶系数；所述运算装置还用于根据所述若干傅立叶系数得到所述马达的齿槽定位转矩的以所述马达的转子位置为变量的傅立叶函数，并根据所述傅立叶函数得到所述马达欲补偿转子位置处的齿槽定位转矩及一对应的齿槽定位转矩电流；及

一电流控制装置，用于对所述马达输入一与所述齿槽定位转矩电流方向相反的电流以补偿所述马达的齿槽定位转矩。

2.如权利要求1所述的齿槽定位转矩补偿系统，其特征在于：所述运算装置包括一处理单元及一存储单元，所述存储单元存储有若干运算程序并用于存储所述马达的速度、转动惯量及转子位置，所述处理单元用于根据所述若干运算程序、速度、转动惯量以及转子位置进行运算以得到所述马达齿槽定位转矩、所述傅立叶函数以及所述齿槽定位转矩电流。

3.如权利要求1所述的齿槽定位转矩补偿系统，其特征在于：所述运算装置是通过以下公式运算得到所述马达的齿槽定位转矩：

T_g＝K_vpK(V_r-V)-JVS-BV，

其中K_vp表示一速度控制装置的比例值，V_r表示由所述速度控制装置所发出的速度指令，J表示所述马达的转动惯量，T_g表示所述马达的齿槽定位转矩，B表示所述马达的粘滞系数，S表示拉普拉斯算子，K表示增益常数，所述速度控制装置用于向一马达驱动器输入所述速度指令以控制所述马达。

4.如权利要求3所述的齿槽定位转矩补偿系统，其特征在于：所述运算装置是通过下列公式运算得到所述马达的齿槽定位转矩的以所述马达的转子位置为变量的傅立叶函数：

$T_g=T_{g0}+\underset{n=1}{\overset{y}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{gn}}\sin (\frac{2\mathrm{\πnX}}{M}+{\mathrm{\θ}}_n)$

$=H_{r0}+H_{r1}\sin \left(\frac{2\mathrm{\πX}}{M}\right)+H_{r2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πX}}{M}\right)+H_{r3}\sin \left(\frac{4\mathrm{\πX}}{M}\right)+H_{r4}\cos \left(\frac{4\mathrm{\πX}}{M}\right)$

$+......+H_{r(2y-1)}\sin \left[\frac{2(2y-1)\mathrm{\πX}}{M}\right]+H_{r2y}\cos \left(\frac{4\mathrm{y\πX}}{M}\right),$

其中H_r0，H_r1，H_r2，H_r3，H_r4，......，H_r(2y-1)，H_r2y为所述若干傅立叶系数，且

H_r0＝T_g0；

H_r1＝T_g1cosθ₁，H_r2＝T_g1sinθ₁；

H_r3＝T_g2cosθ₂，H_r4＝T_g2sinθ₂；

.............

H_r(2y-1)＝T_gycosθ_y，H_r2y＝T_gysinθ_y，T_g0为一常数，T_g1，T_g2，…，T_gy分别等于所述马达的齿槽定位转矩通过对应的带通滤波器后的波形的振幅，θ₁，θ₂，…，θ_y分别为所述马达的齿槽定位转矩通过对应的带通滤波器后的波形的初相位；M为所述马达的极距；X为所述马达的转子位置；y为所述傅立叶函数的逼近阶数，其等于所述若干带通滤波器的数量。

5.一种齿槽定位转矩补偿方法，用于补偿一马达的齿槽定位转矩，所述齿槽定位转矩补偿方法包括以下步骤：

测量所述马达的速度、转动惯量及转子位置；

通过一运算装置根据所述马达的速度及转动惯量运算得到所述马达的齿槽定位转矩；

通过若干设定不同的滤波频率的带通滤波器得到所述齿槽定位转矩傅立叶函数的若干傅立叶系数；

所述运算装置根据所述齿槽定位转矩傅立叶函数的若干傅立叶系数运算得到所述齿槽定位转矩的以所述马达的转子位置为变量的傅立叶函数，并根据所述傅立叶函数运算得到所述马达欲补偿转子位置处的齿槽定位转矩及一对应的齿槽定位转矩电流；以及

一电流控制装置对所述马达输入一与所述齿槽定位转矩电流方向相反的电流以补偿所述马达的齿槽定位转矩。

6.如权利要求5所述的齿槽定位转矩补偿方法，其特征在于：所述运算装置通过以下公式运算得到所述马达的齿槽定位转矩：

T_g＝K_vpK(V_r-V)-JVS-BV，

其中K_vp表示一速度控制装置的比例值，V_r表示由所述速度控制装置所发出的速度指令，J表示所述马达的转动惯量，T_g表示所述马达的齿槽定位转矩，B表示所述马达的粘滞系数，S表示拉普拉斯算子，K表示增益常数，所述速度控制装置用于向一马达驱动器输入所述速度指令以控制所述马达。

7.如权利要求6所述的齿槽定位转矩补偿方法，其特征在于：所述运算装置通过下列公式运算得到所述马达的齿槽定位转矩的以所述马达的转子位置为变量的傅立叶函数：

$T_g=T_{g0}+\underset{n=1}{\overset{y}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{gn}}\sin (\frac{2\mathrm{\πnX}}{M}+{\mathrm{\θ}}_n)$

$=H_{r0}+H_{r1}\sin \left(\frac{2\mathrm{\πX}}{M}\right)+H_{r2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πX}}{M}\right)+H_{r3}\sin \left(\frac{4\mathrm{\πX}}{M}\right)+H_{r4}\cos \left(\frac{4\mathrm{\πX}}{M}\right)$

$+......+H_{r(2y-1)}\sin \left[\frac{2(2y-1)\mathrm{\πX}}{M}\right]+H_{r2y}\cos \left(\frac{4\mathrm{y\πX}}{M}\right),$

其中H_r0，H_r1，H_r2，H_r3，H_r4，......，H_r(2y-1)，H_r2y为所述若干傅立叶系数，且

H_r0＝T_g0；

H_r1＝T_g1cosθ₁，H_r2＝T_g1sinθ₁；

H_r3＝T_g2cosθ₂，H_r4＝T_g2sinθ₂；

.............

H_r(2y-1)＝T_gycosθ_y，H_r2y＝T_gysinθ_y，T_g0为一常数，T_g1，T_g2，…，T_gy分别等于所述马达的齿槽定位转矩通过对应的带通滤波器后的波形的振幅，θ₁，θ₂，…，θ_y分别为所述马达的齿槽定位转矩通过对应的带通滤波器后的波形的初相位；M为所述马达的极距；X为所述马达的转子位置；y为所述傅立叶函数的逼近阶数，其等于所述若干带通滤波器的数量。

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