馬達的齒槽定位轉矩補償系統及方法
2023-05-13 04:47:26 1
專利名稱：馬達的齒槽定位轉矩補償系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種馬達的齒槽定位轉矩補償系統及方法。
背景技術：
永磁馬達由一列固定在基座上的永磁體和一組固定在轉子上的線圈組成。轉子在 轉動過程中，其線圈相對永磁體存在一組磁能量最低的對齊位置，線圈總是試圖穩定在這 些位置，因此產生了齒槽定位(cogging)轉矩。 一般來說，在永磁馬達中，齒槽定位轉矩常 常成為引起振動、噪聲和提高控制精度困難的基本原因。 為了減小由於永磁馬達的齒槽定位轉矩所帶來的種種不利因素，現有一般採用改 變馬達內部元件的幾何尺寸參數及電磁參數，但是由於受到不能過分影響基本電氣性能的 限制，減小齒槽定位轉矩的效果往往會受到限制，不能完全滿足要求。
發明內容
鑑於以上內容，有必要提供一種較為理想的馬達齒槽定位轉矩補償系統及方法， 所述馬達齒槽定位轉矩補償系統及方法不用改變馬達內部元件的幾何尺寸參數及電磁參 數。 —種齒槽定位轉矩補償系統，用於補償一馬達的齒槽定位轉矩，所述齒槽定位轉 矩補償系統包括 —速度測量裝置，用於測量所述馬達的速度； —轉動慣量測量裝置，用於測量所述馬達的轉動慣量； —轉子位置測量裝置，用於測量所述馬達的轉子位置； —運算裝置，用於接收所述馬達的速度、轉動慣量及轉子位置，並根據所述馬達的 速度及轉動慣量運算得到所述馬達的齒槽定位轉矩； 若干帶通濾波器，每一帶通濾波器均設定不同的濾波頻率以得到所述馬達的齒槽 定位轉矩的傅立葉函數的若干傅立葉係數；所述運算裝置還用於根據所述若干傅立葉係數 得到所述馬達的齒槽定位轉矩的以所述馬達的轉子位置為變量的傅立葉函數，並根據所述 傅立葉函數得到所述馬達欲補償轉子位置處的齒槽定位轉矩及一對應的齒槽定位轉矩電 流；及 —電流控制裝置，用於對所述馬達輸入一與所述齒槽定位轉矩電流方向相反的電 流以補償所述馬達的齒槽定位轉矩。 —種齒槽定位轉矩補償方法，用於補償一馬達的齒槽定位轉矩，所述齒槽定位轉 矩補償方法包括以下步驟 測量所述馬達的速度、轉動慣量及轉子位置； 通過一運算裝置根據所述馬達的速度及轉動慣量運算得到所述馬達的齒槽定位 轉矩； 通過若干設定不同的濾波頻率的帶通濾波器得到所述齒槽定位轉矩傅立葉函數
5的若干傅立葉係數； 所述運算裝置根據所述齒槽定位轉矩傅立葉函數的若干傅立葉係數運算得到所 述齒槽定位轉矩的以所述馬達的轉子位置為變量的傅立葉函數，並根據所述傅立葉函數運 算得到所述馬達欲補償轉子位置處的齒槽定位轉矩及一對應的齒槽定位轉矩電流；以及
—電流控制裝置對所述馬達輸入一與所述齒槽定位轉矩電流方向相反的電流以 補償所述馬達的齒槽定位轉矩。 上述齒槽定位轉矩補償系統及方法通過所述運算裝置運算得到所述馬達此時的 齒槽定位轉矩，並利用所述若干帶通濾波器得到所述齒槽定位轉矩Tg的以所述馬達的轉子 位置為變量的傅立葉函數，從而可得到對應的齒槽定位轉矩電流，通過所述電流控制裝置 向所述馬達輸入一與所述齒槽定位轉矩電流相反的電流即可抵銷所述馬達的齒槽定位轉 矩V
圖1為本發明馬達齒槽定位轉矩的補償系統的較佳實施方式的示意圖。 圖2為穩態下馬達的速度與齒槽定位轉矩之間的閉環控制圖。 圖3為本發明馬達齒槽定位轉矩的補償方法的較佳實施方式的流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及較佳實施方式對本發明作進一步詳細描述。 請參考圖l，本發明馬達齒槽定位轉矩補償系統用於補償一馬達100的齒槽定位 轉矩Tg，其較佳實施方式包括一馬達驅動器10、一速度控制裝置12、一速度測量裝置14、一 轉動慣量測量裝置16、一轉子位置測量裝置18、一運算裝置20、 m個帶通濾波器22及一電 流控制裝置24，其中，m為一大於1的整數，本實施方式中m = 3，即所述馬達齒槽定位轉矩 系統包括三個帶通濾波器22a、22b以及22c，所述運算裝置20包括一處理單元200及一存 儲單元210。 所述馬達驅動器10用於驅動所述馬達IO，所述速度控制裝置12用於向所述馬達 驅動器IO輸出一速度指令，以通過所述馬達驅動器IO調整所述馬達100的速度；所述速度 測量裝置14、轉動慣量測量裝置16及轉子位置測量裝置18分別用於測量所述馬達100某 一時刻的速度、轉動慣量以及轉子位置，並將其存儲於所述存儲單元210內，所述存儲單元 210內還存儲有若干運算程序；所述存儲單元210將所述速度、轉動慣量、轉子位置以及運 算程序傳送給所述處理單元200，所述處理單元200根據運算程序對所述速度以及轉動慣 量進行運算，以得到此時所述馬達100的齒槽定位轉矩Tg，並將所述齒槽定位轉矩Tg輸出 給所述三個帶通濾波器22a、22b以及22c ;所述三個帶通濾波器22a、22b以及22c分別設 定為不同的濾波頻率，用於對所述齒槽定位轉矩Tg進行濾波處理，並將經濾波處理後的齒 槽定位轉矩Tg再次輸出給所述運算裝置20 ;所述運算裝置20再次根據存儲於其內部的運 算程序對所述齒槽定位轉矩Tg進行運算，並根據運算結果通過所述電流控制裝置24調整 所述馬達100的輸入電流，以抵消所述馬達100的齒槽定位轉矩Tg。 圖2為穩態下，所述馬達100的速度V與齒槽定位轉矩Tg之間的閉環控制圖，其 中K^表示所述速度控制裝置12的比例值，Vr表示由所述速度控制裝置12所發出的速度指令，J表示所述馬達100的轉動慣量，X表示所述馬達100的轉子的位置，可以是所述馬達 100的轉子所轉過的相對角度，Fg表示與所述馬達100的齒槽定位轉矩Tg相反的力矩，B表 示所述馬達100的粘滯係數，S表示拉普拉斯算子，K表示增益常數。
根據圖2，可得到以下方程式
丄、+ W
即Fg = -KvpK(Vr-V)+JVS+BV， 從而可以得到TS = KTOK(V「V)-JVS-BV
公
式(1)formula see original document page 7
請繼續參考圖3，本發明馬達齒槽定位轉矩補償方法包括以下步驟
步驟SI :通過所述速度控制裝置12向所述馬達驅動器10發送一速度指令Vr，並 通過所述馬達驅動器10啟動所述馬達100。當所述馬達100達到某一穩態時，通過所述速 度測量裝置16、轉動慣量測量裝置18以及轉子位置測量裝置20測出所述馬達100此時的 速度V、轉動慣量J以及轉子的位置X，並將速度V、轉動慣量J以及轉子的位置X傳送給所 述存儲單元210。所述處理單元200根據公式(1)即可計算出此時所述馬達100的齒槽定 位轉矩TK。所述處理單元200將所述齒槽定位轉矩TK進行傅立葉變換即可得到以下力、
厶、式formula see original document page 7
formula see original document page 7
公式(2) 其中
formula see original document page 7
(2y-1)
formula see original document page 7公式(3) ——— — . ，HH2y—D，H^為Tg的傅立葉函數的若干傅立葉係數，Tg。
為一常數，M為所述馬達100的極距(Pole Pitch)，其中每一馬達都具有一固定的極距值。
步驟S2 :根據所述帶通濾波器22的數量設定公式(2)中的逼近階數y，本實施方 式中，y = m= 3。所述運算裝置20將運算得到的齒槽定位轉矩Tg傳送給所述三個帶通濾 波器22a、22b以及22c。本實施方式中，所述帶通濾波器22a設定的濾波頻率為fl，所述帶 通濾波器22b設定的濾波頻率為f2，所述帶通濾波器22c設定的濾波頻率為f3。當所述齒 槽定位轉矩Tg通過所述帶通濾波器22a後輸出頻率為fl的波形，此時，通過對輸出的頻率 為fl的波形進行測量即可得到該波形的振幅及初相位，該振幅及相位分別為公式(2)中乙 及^。同理，當所述齒槽定位轉矩Tg分別通過所述帶通濾波器22b以及22c後輸出頻率為 f2以及f3的波形，此時，通過分別對輸出的頻率為f2以及f3的波形進行領
:即可得知公
式(2)中的T-、 T
'g3、
9 2以及9 3，並將其傳送給所述處理單元200c
7
本實施方式中取ym = 3是為了描述方便，此處y的取值越大，得到的傅立葉係數Hr2y也就越多，所述齒槽定位 轉矩Tg的傅立葉函數也就越精確。
步驟S3 :所述處理單元200根據公式(3)得到如下公式
formula see original document page 8 所述處理單元200根據公式(4)即可得出公式(3)中的傅立葉係數Hri， Hrt， Hrt，
Hrt，.......， Hr(2y—d， Hr2y的值，因此即可得到所述馬達100的齒槽定位轉矩Tg的傅立葉函數。 步驟S4 :根據所述馬達100的齒槽定位轉矩Tg的傅立葉函數，所述處理單元200 根據所述馬達100的轉子位置X即可得知所述馬達100對應的齒槽定位轉矩Tg ;並根據馬 達100的輸入電流與其輸出轉矩之間的關係對應計算出此時造成該齒槽定位轉矩Tg的電
流，艮卩I cogging ° 步驟S5 :根據計算得到的齒槽定位轉矩電流Ie。^M，通過所述電流控制裝置24向 所述馬達100輸入一與所述齒槽定位轉矩電流Ie。^^相反的電流即可抵消所述馬達100的 齒槽定位轉矩Tg。 本實施方式中，所述齒槽定位轉矩補償系統通過所述公式(1)計算得到所述馬達 100此時的齒槽定位轉矩Tg，在其他實施方式中，設計者也可以根據其他本領域技術人員知 曉的方法計算得到所述馬達100的齒槽定位轉矩Tg。所述運算裝置20可為一外在的獨立 裝置，也可集成於所述馬達驅動器10內部。 上述齒槽定位轉矩補償系統及方法通過所述速度測量裝置14、轉動慣量測量裝置 16以及轉子位置測量裝置18感測所述馬達100的速度、轉動慣量以及轉子位置，並將其傳 送給所述運算裝置20，所述運算裝置20通過對其進行運算後，利用所述帶通濾波器22得到 所述齒槽定位轉矩Tg的傅立葉函數，從而得到齒槽定位轉矩電流I。。gging，通過所述電流控制 裝置24向所述馬達100輸入一與所述齒槽定位轉矩電流I。。gging方向相反的電流即可抵銷 所述馬達100的齒槽定位轉矩Ts。
權利要求
一種齒槽定位轉矩補償系統，用於補償一馬達的齒槽定位轉矩，所述齒槽定位轉矩補償系統包括一速度測量裝置，用於測量所述馬達的速度；一轉動慣量測量裝置，用於測量所述馬達的轉動慣量；一轉子位置測量裝置，用於測量所述馬達的轉子位置；一運算裝置，用於接收所述馬達的速度、轉動慣量及轉子位置，並根據所述馬達的速度及轉動慣量運算得到所述馬達的齒槽定位轉矩；若干帶通濾波器，每一帶通濾波器均設定不同的濾波頻率以得到所述馬達的齒槽定位轉矩的傅立葉函數的若干傅立葉係數；所述運算裝置還用於根據所述若干傅立葉係數得到所述馬達的齒槽定位轉矩的以所述馬達的轉子位置為變量的傅立葉函數，並根據所述傅立葉函數得到所述馬達欲補償轉子位置處的齒槽定位轉矩及一對應的齒槽定位轉矩電流；及一電流控制裝置，用於對所述馬達輸入一與所述齒槽定位轉矩電流方向相反的電流以補償所述馬達的齒槽定位轉矩。
2. 如權利要求1所述的齒槽定位轉矩補償系統，其特徵在於所述運算裝置包括一處 理單元及一存儲單元，所述存儲單元存儲有若干運算程序並用於存儲所述馬達的速度、轉 動慣量及轉子位置，所述處理單元用於根據所述若干運算程序、速度、轉動慣量以及轉子位 置進行運算以得到所述馬達齒槽定位轉矩、所述傅立葉函數以及所述齒槽定位轉矩電流。
3. 如權利要求1所述的齒槽定位轉矩補償系統，其特徵在於所述運算裝置是通過以 下公式運算得到所述馬達的齒槽定位轉矩formula see original document page 2其中Kvp表示一速度控制裝置的比例值，Vr表示由所述速度控制裝置所發出的速度指 令，J表示所述馬達的轉動慣量，Tg表示所述馬達的齒槽定位轉矩，B表示所述馬達的粘滯 係數，S表示拉普拉斯算子，K表示增益常數，所述速度控制裝置用於向一馬達驅動器輸入 所述速度指令以控制所述馬達。
4. 如權利要求3所述的齒槽定位轉矩補償系統，其特徵在於所述運算裝置是通過 下列公式運算得到所述馬達的齒槽定位轉矩的以所述馬達的轉子位置為變量的傅立葉函 數formula see original document page 2Hr(2y—d = TgyC0S e y， Hr2y = Tgysin e y， Tg。為一常數，Tgl， Tg2，， Tgy分別等於所述馬達 的齒槽定位轉矩通過對應的帶通濾波器後的波形的振幅，^， e2，…，9y分別為所述馬達 的齒槽定位轉矩通過對應的帶通濾波器後的波形的初相位；M為所述馬達的極距；X為所述 馬達的轉子位置；y為所述傅立葉函數的逼近階數，其等於所述若干帶通濾波器的數量。
5. —種齒槽定位轉矩補償方法，用於補償一馬達的齒槽定位轉矩，所述齒槽定位轉矩 補償方法包括以下步驟測量所述馬達的速度、轉動慣量及轉子位置；通過一運算裝置根據所述馬達的速度及轉動慣量運算得到所述馬達的齒槽定位轉矩；通過若干設定不同的濾波頻率的帶通濾波器得到所述齒槽定位轉矩傅立葉函數的若 幹傅立葉係數；所述運算裝置根據所述齒槽定位轉矩傅立葉函數的若干傅立葉係數運算得到所述齒 槽定位轉矩的以所述馬達的轉子位置為變量的傅立葉函數，並根據所述傅立葉函數運算得 到所述馬達欲補償轉子位置處的齒槽定位轉矩及一對應的齒槽定位轉矩電流；以及一電流控制裝置對所述馬達輸入一與所述齒槽定位轉矩電流方向相反的電流以補償 所述馬達的齒槽定位轉矩。
6. 如權利要求5所述的齒槽定位轉矩補償方法，其特徵在於所述運算裝置通過以下 公式運算得到所述馬達的齒槽定位轉矩Tg = K叩K(Vr-V)-JVS-BV，其中Kvp表示一速度控制裝置的比例值，Vr表示由所述速度控制裝置所發出的速度指 令，J表示所述馬達的轉動慣量，Tg表示所述馬達的齒槽定位轉矩，B表示所述馬達的粘滯 係數，S表示拉普拉斯算子，K表示增益常數，所述速度控制裝置用於向一馬達驅動器輸入 所述速度指令以控制所述馬達。
7. 如權利要求6所述的齒槽定位轉矩補償方法，其特徵在於所述運算裝置通過下列 公式運算得到所述馬達的齒槽定位轉矩的以所述馬達的轉子位置為變量的傅立葉函數formula see original document page 3其中Hrt， Hri， Hr2， Hrt， Hrt，......， HH2y—d， Hrty為所述若干傅立葉係數，且formula see original document page 3Hwy-d = Tgycos e y， Hr2y = Tgysin e y， Tg。為一常數，Tgl， Tg2，， Tgy分別等於所述馬達 的齒槽定位轉矩通過對應的帶通濾波器後的波形的振幅，9n e2，…，9y分別為所述馬達 的齒槽定位轉矩通過對應的帶通濾波器後的波形的初相位；M為所述馬達的極距；X為所述馬達的轉子位置；y為所述傅立葉函數的逼近階數，其等於所述若干帶通濾波器的數』
全文摘要
一種齒槽定位轉矩補償系統包括一速度測量裝置、一轉動慣量測量裝置、一轉子位置測量裝置、一運算裝置、若干帶通濾波器以及一電流控制裝置。所述運算裝置根據所述馬達的速度及轉動慣量運算得到所述馬達的齒槽定位轉矩，並通過所述若干帶通濾波器得到所述馬達的齒槽定位轉矩的以所述馬達的轉子位置為變量的傅立葉函數，以及根據所述傅立葉函數得到所述馬達欲補償轉子位置處的齒槽定位轉矩，並據此對應得到一齒槽定位轉矩電流。所述電流控制裝置用於對所述馬達輸入一與所述齒槽定位轉矩電流方向相反的電流以補償所述馬達齒槽定位轉矩。上述齒槽定位轉矩補償系統可以對馬達的齒槽定位轉矩進行補償。本發明還提供了一種齒槽定位轉矩補償方法。
文檔編號H02P6/08GK101753073SQ20081030640
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月20日 優先權日2008年12月20日
發明者林佑任, 洪榮煌, 賴幼仙 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司;賜福科技股份有限公司