CN102403937B - 永磁同步电机中齿槽力矩的测量及抑制系统与实现方法 - Google Patents

Abstract

永磁同步电机齿槽力矩的测量及抑制系统，包括：数字控制器、功率驱动模块、电流传感器、永磁同步电机、角位置传感器、角速度传感器；数字控制器由电流控制器、第一速度控制器、第二速度控制器和查找表LUT组成；本发明能够得到的齿槽力矩精度高、实施方便，并可将辨识出的齿槽力矩信息应用于闭环系统，不论是针对周期性速度参考信号，还是非周期性速度参考信号，都可以抑制转矩波动，使电机运行更为平滑。

Description

永磁同步电机中齿槽力矩的测量及抑制系统与实现方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制领域，涉及高精度转台系统中永磁同步力矩电机齿槽力矩的测量及抑制系统及方法。

背景技术

永磁同步电机中，有很多干扰力矩的存在，比如齿槽力矩、气隙磁场的谐波、摩擦力矩，等等。这些因素影响了速度的平稳性，降低了系统的性能。针对齿槽力矩，目前基本方法是在优化电机本体的设计和制造环节尽量减少齿槽力矩，如汪旭东等人在文献《永磁电机齿槽力矩综合抑制方法研究现状及展望》(《微电机》，2009，42(12)，pp64-70)中提供的电机设计方面的方法：定子斜槽、转子斜极、改变极弧宽度等。但是由于设计、制造工艺等问题，相对于额定转矩一般仍有1％-3％的齿槽力矩存在。在高精度伺服转台系统中，尤其在低速或超低速运行时，对系统性能的影响将不能忽略。

齿槽力矩是永磁体与线圈绕组的铁心相互作用的结果，是与位置相关的物理量，并且在电机制造之后将不会改变。但是电机制造商很少会提供齿槽力矩的详细参数。齿槽力矩的测量方法目前大部分是采用弹簧秤或称重物的方法，这种方法只能测量电机一周中的几个离散点的齿槽力矩，不能充分反映电机齿槽力矩的详细信息，也不能用来抑制齿槽力矩。

另一种方法是采用扭矩传感器测量。这种方法通过联轴器将电机转子与扭矩传感器连接，固定扭矩传感器的另一端，然后转动电机的定子，扭矩传感器的输出就是齿槽力矩波动。这种方法需要扭矩传感器、联轴器等，且安装、操作非常复杂，不便于实施(A Simple Method for Measuring CoggingTorque in Permanent Magnet Machines.IEEE，2009)。

Z.Q.Zhu等人采用直接转矩控制方法来减小齿槽力矩(Minimizing theInfluence of Cogging Torque on Vibration of PM Brushless Machines byDirect Torque Control，IEEE TRANS ON MAGNETICS，42(10)，OCT，2006)。但是齿槽力矩需要事先通过有限元分析软件计算得出，这需要知道电机结构的设计参数，而这些参数电机厂商往往不会提供。

《Torque ripple minimization in PM synchronous motors usingiterative learning control》(IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS，VOL.19，NO.2，MARCH 2004)一文，采用迭代学习控制设计了转矩控制器，但是需要转矩传感器来提供转矩参考值，大大增加了系统的复杂度。

陈娟等人通过设计重复控制来减小力矩波动的影响(《电机波动力矩的重复学习控制补偿》，光学精密工程，2003，11(4)，pp390-393)。但文中提供的方法只能针对周期型参考信号，对非周期参考信号，系统性能将极度恶化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术测量精度不高、测量方法复杂的缺点，提供一种永磁同步电机中齿槽力矩的测量及抑制系统与实现方法，在不破坏转台完整性和不增加额外硬件的条件下，辨识出电机连续、精确的齿槽力矩。

本发明的技术解决方案：永磁同步电机齿槽力矩的测量及抑制系统，包括：数字控制器100、功率驱动模块101、电流传感器102、永磁同步电机103、角位置传感器104、角速度传感器105；其中，数字控制器100由电流控制器1001、第一速度控制器1002、第二速度控制器1003和查找表LUT1004组成；角位置传感104用来测量永磁同步电机103的转子相对于定子的位置信息，并将所述位置信息送至查找表LUT1004；角速度传感器105用来测量永磁同步电机103的转子相对于定子的速度ω，速度ω的期望值为ω^*，二者的差值为速度误差e，e＝ω^*-ω，速度误差信号e被送到第一速度控制器1002和第二速度控制器1003的输入端，第一速度控制器1002完成速度闭环控制得到电流期望值，将所述电流期望值送至电流控制器1001的输入端，第二速度控制器1003完成速度优化得到电流优化期望值u，并将所述电流优化期望值u输出送至查找表LUT1004和电流控制器1001的输入端；电流传感器102安装永磁同步电机电源线1031上，用来测量永磁同步电机103的电流，并将所测量的电流信号送至电流控制器1001的输入端，所述电流控制器1001的输入信号为第一速度控制器1002输出的电流期望值、第二速度控制器1003输出的电流优化期望值u(或者是查找表LUT1004的输出信号)、电流传感器102测量的电流信号(以负反馈形式加到电流控制器1001的输入端)；电流控制器1001通过优化控制得到电机的期望电压信号，将所述期望电压信号输出送至功率驱动模块101，功率驱动模块101通过永磁同步电机电源线1031驱动永磁同步电机103完成速度优化；在得到速度优化之后，查找表LUT1004把第二速度控制器1003输出的电流优化期望值u按照角位置传感器104送来的位置信息，做成一维查找表，一维查找表乘以-Kt就得到电机的齿槽力矩信息(Kt为电机力矩系数)；在齿槽力矩补偿方面，电流控制器1001通过逻辑判断选择第二速度控制器1003的输出信号或者查找表1004的输出信号送至电流控制器1001的输入端，即可完成齿槽力矩的补偿。

所述第一速度控制器1002的设计原则是使得速度环开环传递函数至少为I型系统，以抑制恒定的摩擦力矩和负载力矩；所述第一速度控制器1002的闭环控制算法为：其中K_p为比例系数，K_i为积分系数，s为拉普拉斯算子。

所述第二速度控制器1003具有学习、优化功能，能够对第一速度控制器作用之后的速度信息进行优化；所述第二速度控制器1003速度优化算法为：

$u_{j+1}\left(k\right)=Q\left(s\right)[u_j\left(k\right)+L\left(s\right)e_j(k+1)]$

$=\frac{1}{\mathrm{\τs}+1}[u_j\left(k\right)+k_p{e}_j(k+1)+k_d(e_j(k+1)-e_j\left(k\right))]$

其中L(s)为学习函数；Q(s)为滤波函数；j代表迭代周期；k代表每个迭代周期中的采样点；e_j(k)＝ω^*(k)-ω_j(k)为第二速度控制器1003的输入信号；k_p为比例系数，k_d为微分系数，k_p和k_d的整定方式类似于PID控制器参数的整定方式，τ为一阶惯性环节的时间常数，s为拉普拉斯算子，u为第二速度控制器1003的输出信号。

所述电流控制器1001必须保证电流环的带宽大于200Hz，以保证永磁同步电机103有足够快的力矩响应特性；所述电流控制器1001的优化控制算法为

其中K_p为比例系数，K_i为积分系数。

所述位置信息为电机的一周0°-360°；所述一维查找表的长度根据实际情况进行选择，要足够长(本发明实施例选择为2000)，以保证可以精确表述齿槽力矩信息，另外要求位置传感器要达到精度要求。

永磁同步电机齿槽力矩的测量及抑制方法，实现步骤如下：

(1)按照权利要求1安装电流传感器102、角速度传感器105和角位置传感器104；

(2)设计电流控制器1001，使电流环带宽大于200Hz，以保证永磁同步电机103具有足够快的力矩响应；

(3)设计第一速度控制器1002，使得速度环开环传递函数至少为I型系统，以抑制恒定的摩擦力矩和负载力矩；

(4)设计具有学习、优化功能的第二速度控制器1003，使其能够对第一速度控制器作用之后的速度信息进行优化；

(5)给定恒定的速度参考信号，使永磁同步电机在第一速度控制器1002的作用下匀速转动多个周期，直至速度误差稳定；将第二速度控制器1003输出的电流优化期望值u送至电流控制器1001的输入端，通过第二速度控制器1003调整电机的输出力矩来优化电机速度信息；当速度误差再次稳定后，按照角位置传感器104送来的位置信息将第二速度控制器1003输出的电流优化期望值u做成查找表1004，就达到了辨识齿槽力矩的目的；

(6)抑制齿槽力矩方面，如果速度给定信号是恒定速度信号或周期性变化的速度信号，直接将设计好的第一速度控制器1002输出的电流期望值和第二速度控制器1003输出的电流优化期望值u至电流控制器1001的输入端，如果给定的电机速度信号不是周期性的，则将第一速度控制器1002输出的电流期望值和查找表1004的输出信号送至电流控制器1001，电流控制器1001完成电流控制算法，将期望电压值送至功率驱动模块101驱动电机运转，就可以达到抑制齿槽力矩的目的。

所述步骤(5)中，查找表LUT1004的大小根据位置传感器的精度和存储器的大小设定。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明可以在不改变现有硬件条件下，很好的测量出连续、精确的齿槽力矩(而不只是几个离散点处的齿槽力矩)，进而抑制齿槽力矩，使得电机速度更为平滑，满足高精度伺服系统对速度平稳性的要求。

(2)本发明中的第二速度控制器以并联方式接入系统，可以在不改变第一速度控制器的前提下，很好地与之结合，并将得到的齿槽力矩做成查找表的方式，不论是针对周期性速度参考信号，还是非周期性速度参考信号均可以抑制齿槽力矩，使电机运行更为平滑。

(3)本发明简单，对数字处理器性能要求较低，便于工程应用。

附图说明

图1为本发明的测量系统组成图；

图2a为本发明的齿槽力矩测量流程图；

图2b为本发明的齿槽力矩补偿流程图；

图3为齿槽力矩辨识过程中的速度变化情况。0-8s时只有第一速度控制器作用，8s之后第一速度控制器和第二速度控制器共同作用；

图4为辨识得到的齿槽力矩与实际力矩；

图5为速度期望为非周期性信号时，PI算法、PI+LUT两种算法对应的速度跟踪情况；

图6为两种算法对应的速度误差情况。

具体实施方式

如图1所示，本发明的永磁同步电机齿槽力矩的测量及抑制系统包括：数字控制器100、功率驱动模块101、电流传感器102、永磁同步电机103、角位置传感器104、角速度传感器105；其中，数字控制器100由电流控制器1001、第一速度控制器1002、第二速度控制器1003和查找表LUT 1004组成；角位置传感器104用来测量永磁同步电机103的转子相对于定子的位置信息，并将所述位置信息送至查找表LUT1004；角速度传感器105用来测量永磁同步电机103的转子相对于定子的速度ω，速度ω的期望值为ω^*，二者的差值为速度误差e，e＝ω^*-ω，速度误差信号e被送到第一速度控制器1002和第二速度控制器1003的输入端，第一速度控制器1002完成速度闭环控制得到电流期望值，将所述电流期望值送至电流控制器1001的输入端，第二速度控制器1003完成速度优化得到电流优化期望值u，并将所述电流优化期望值u输出送至查找表LUT 1004和电流控制器1001的输入端；电流传感器102安装在永磁同步电机电源线1031上，用来测量永磁同步电机103的电流大小，并将所测量的电流送至电流控制器1001的输入端；第一速度控制器1002完成速度闭环控制算法，得到电流的期望值，将其送至电流控制器1001的输入端；速度的期望值ω^*也同时被送到第二速度控制器1003，完成速度优化算法，得到电流的优化期望值u，并将u输出送至查找表LUT1004和电流控制器1001的输入端；电流控制器1001完成电流闭环算法，得到电机的期望电压信号，将其送至功率驱动模块101，功率驱动模块101通过永磁同步电机电源线1031驱动永磁同步电机103，完成速度优化算法。在速度得到优化之后，查找表LUT 1004按照位置信息(0°-360°，查找表的长度可以根据实际情况选择，本发明选择为2000)将u做成一维查找表，一维查找表乘以-K_t(K_t为电机力矩系数)就得到电机的齿槽力矩信息。在齿槽力矩补偿方面，通过逻辑判断选择第二速度控制器1003的输出信号或者查找表1004的输出信号送至电流控制器1001的输入端，即可完成齿槽力矩的补偿。

图1中ω^*为速度期望值；ω为电机转子相对于定子的速度；e为速度误差，e＝ω^*-ω；u为第二速度控制器输出的电流优化期望值。

本实施例中角位置传感器104采用旋转变压器；角速度传感器105采用角速率陀螺；电流传感器102采用霍尔电流传感器；数字控制器100采用PC104/SPT2嵌入式系统；永磁同步电机103部分参数如下：

电感R＝0.52Ω；电阻L＝3mH；力矩系数K_t＝23.4Nm/A；J＝3.6kg·m²；摩擦系数B＝0.05Nm/(rad/s)；

如图2所示，本发明中提出的测量及抑制齿槽力矩的步骤如下：

(1)按照图1方式安装系统；

(2)采用频域法设计电流控制器1001，但不仅限于该方法。设计电流控制器

得到开环截止频率300Hz，相位裕度90°；

(3)采用频域法设计第一速度控制器(1002)，速度控制器

开环截止频率10.4Hz，相位裕度85.4°；

(4)设计第二速度控制器1003。此处采用迭代学习控制算法。包括学习函数L和滤波函数Q。可以采用P型、PD型、PID型学习控制律；也可以采用H∞方法、模型逆方法、最优化方法等等。此处L采用PD型学习律，Q采用一阶低通滤波器；

$u_{j+1}\left(k\right)=Q\left(s\right)[u_j\left(k\right)+L\left(s\right)e_j(k+1)]$

$=\frac{1}{\mathrm{\τs}+1}[u_j\left(k\right)+k_p{e}_j(k+1)+k_d(e_j(k+1)-e_j\left(k\right))]$

其中L(s)为学习函数；Q(s)为滤波函数；j代表迭代周期；k代表每个迭代周期中的采样点；e_j(k)＝ω^*(k)-ω_j(k)；s为拉普拉斯算子；u为第二速度控制器(1003)的输出信号；k_p为比例系数，k_d为微分系数，k_p和k_d的整定方式类似于PID控制器参数的整定方式。此处取为：k_p＝2，k_d＝50；

τ为一阶惯性环节的时间常数，决定了滤波器的带宽，根据系统的噪声情况取值。此处参数取值为：τ＝0.016；

(5)给定速度信号ω^*＝πrad/s，在8s时，速度信号已经稳定(如图3所示)，这时将第二速度控制器1003的输出信号送至电流控制器1001的输入端。约40s之后，速度误差已经再次稳定(如图3所示)，将第二速度控制1003的输出端送至查找表LUT1004，按照位置信息做成查找表(此处查找表的大小为2000)，再乘以-K_t就得到了齿槽力矩。实际齿槽力矩和通过辨识得到的齿槽力矩如图4所示；

(6)抑制齿槽力矩方面，如果给定的电机速度信号不是周期性的，则在步骤(5)的基础上，将第一速度控制器1002输出的电流期望值和查找表1004的输出信号送至电流控制器1001，电流控制器1001完成电流控制算法，将期望电压值送至功率驱动模块101驱动电机运转，就可以达到抑制齿槽力矩的目的。速度波形和速度误差波形如图5、图6所示。可以看出，本发明对非周期速度参考信号下的力矩波动也有很好的抑制效果。

Claims (2)

1.永磁同步电机齿槽力矩的测量及抑制系统，其特征在于包括：数字控制器（100）、功率驱动模块（101）、电流传感器（102）、永磁同步电机（103）、角位置传感器（104）、角速度传感器（105）；其中，数字控制器（100）由电流控制器（1001）、第一速度控制器（1002）、第二速度控制器（1003）和查找表LUT（1004）组成；角位置传感器（104）用来测量永磁同步电机（103）的转子相对于定子的位置信息,并将所述位置信息送至查找表LUT（1004）；角速度传感器（105）用来测量永磁同步电机（103）的转子相对于定子的速度ω，速度ω的期望值为ω^*，二者的差值为速度误差e，e=ω^*-ω，速度误差信号e被送到第一速度控制器（1002）和第二速度控制器（1003）的输入端，第一速度控制器（1002）完成速度闭环控制得到电流期望值，将所述电流期望值送至电流控制器（1001）的输入端，第二速度控制器（1003）完成速度优化得到电流优化期望值u，并将所述电流优化期望值u输出送至查找表LUT（1004）和电流控制器（1001）的输入端；电流传感器（102）位于永磁同步电机电源线（1031）上，用来测量永磁同步电机（103）的电流；所述电流控制器（1001）的输入信号为第一速度控制器（1002）输出的电流期望值、第二速度控制器（1003）输出的电流优化期望值u或者是查找表LUT（1004）的输出信号、电流传感器（102）测量的电流信号，其中，电流传感器的电流信号以负反馈形式加到电流控制器的输入端；电流控制器（1001）通过优化控制得到电机的期望电压信号，将所述期望电压信号输出送至功率驱动模块（101），功率驱动模块（101）通过永磁同步电机电源线（1031）驱动永磁同步电机（103）完成速度优化；在得到速度优化值之后，查找表LUT（1004）把第二速度控制器（1003）输出的电流优化期望值u按照角位置传感器（104）送来的位置信息，做成一维查找表，一维查找表乘以-K_t就得到电机的齿槽力矩信息，所述K_t为电机力矩系数；在齿槽力矩补偿方面，电流控制器（1001）通过逻辑判断选择第二速度控制器（1003）的输出信号或者查找表（1004）的输出信号送至电流控制器（1001）的输入端，即可完成齿槽力矩的补偿。

2.根据权利要求1所述永磁同步电机齿槽力矩的测量及抑制系统，其特征在于：所述第一速度控制器（1002）的设计原则是使得速度环开环传递函数为Ⅰ型系统，以抑制恒定的摩擦力矩和负载力矩。

3. 根据权利要求1或2所述永磁同步电机齿槽力矩的测量及抑制系统，其特征在于：所述第一速度控制器（1002）的闭环控制算法为：                                               ，其中K_p为比例系数，K_i为积分系数，s为拉普拉斯算子。

4.根据权利要求1所述永磁同步电机齿槽力矩的测量及抑制系统，其特征在于：所述第二速度控制器（1003）具有学习、优化功能，能够对第一速度控制器作用之后的速度信息进行优化。

5. 根据权利要求1或4所述永磁同步电机齿槽力矩的测量及抑制系统，其特征在于：所述第二速度控制器（1003）速度优化算法为：

其中L(s)为学习函数；Q(s)为滤波函数；j代表迭代周期；k代表每个迭代周期中的采样点；

为第二速度控制器（1003）的输入信号；k_p为比例系数，k_d为微分系数，k_p和k_d的整定方式类似于PID控制器参数的整定方式，τ为一阶惯性环节的时间常数，s为拉普拉斯算子，u为第二速度控制器（1003）的输出信号。

6. 根据权利要求1所述永磁同步电机齿槽力矩的测量及抑制系统，其特征在于：所述电流控制器（1001）必须保证电流环的带宽大于200Hz,以保证永磁同步电机（103）有足够快的力矩响应特性。

7. 根据权利要求1或6所述永磁同步电机齿槽力矩的测量及抑制系统，其特征在于：所述电流控制器（1001）的优化控制算法为

，其中K_p为比例系数，K_i为积分系数。

8. 根据权利要求1所述永磁同步电机齿槽力矩的测量及抑制系统，其特征在于：所述位置信息为电机的一周0^o-360^o；所述一维查找表的长度根据实际情况进行选择，要足够长，以保证可以精确表述齿槽力矩信息，这要求位置传感器要达到精度要求。

9. 永磁同步电机齿槽力矩的测量及抑制方法，其特征在于实现步骤如下：

（1）按照权利要求1所述系统安装电流传感器（102）、角速度传感器（105）

和角位置传感器（104）；

（2）设计电流控制器（1001），使电流环带宽大于200Hz，以保证永磁

同步电机（103）具有足够快的力矩响应； 

（3）设计第一速度控制器（1002），使得速度环开环传递函数为Ⅰ型系统，以抑制恒定的摩擦力矩和负载力矩；

（4）设计具有学习、优化功能的第二速度控制器（1003），使其能够对第一速度控制器作用之后的速度信息进行优化；

（5）给定恒定的速度参考信号，使永磁同步电机在第一速度控制器（1002）的作用下匀速转动多个周期，直至速度误差稳定；将第二速度控制器（1003）输出的电流优化期望值u送至电流控制器（1001）的输入端，通过第二速度控制器（1003）调整电机的输出力矩来优化电机速度信息;当速度误差再次稳定后，按照角位置传感器（104）送来的位置信息将第二速度控制器（1003）输出的电流优化期望值u做成查找表（1004），就达到了辨识齿槽力矩的目的；

（6）抑制齿槽力矩方面，如果速度给定信号是周期性变化的速度信号，直接将设计好的第一速度控制器（1002）输出的电流期望值和第二速度控制器（1003）输出的电流优化期望值u送至电流控制器（1001）的输入端，如果给定的电机速度信号不是周期性的，则将第一速度控制器（1002）输出的电流期望值和查找表（1004）的输出信号送至电流控制器（1001），电流控制器（1001）完成电流控制算法，将期望电压值送至功率驱动模块（101）驱动电机运转，就可以达到抑制齿槽力矩的目的。

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