用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法，该控制主要包括以下步骤：步骤S1：对弧形电机的磁阻力进行测量，得到在不同位置处的磁阻力大小；步骤S2：对得到的磁阻力随位置变化信息进行傅里叶非线性回归分析，得到电机的磁阻力大小随位置变化的表达式；步骤S3：对采集到的三相电流进行CLARKE和PARK变换得到直轴电流id和交轴电流iq；步骤S4：将拟合得到的磁阻力表达式除以电机力矩系数得到补偿电流随位置的表达式；步骤S5：在交轴电流环中，将理论参考电流I*qv减去补偿电流Iqr得到实际交轴参考电流I*q。该控制方法可以在很大程度上消除弧形电机由于边端效应造成的力矩波动，满足电机低速高精度旋转。
【专利说明】用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机电控制领域，特别涉及一种通过磁阻力补偿来减小大型望远镜的多定子弧形电机控制方法。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展，现代光电探测设备的尺寸越来越大，如国外最新型的天文望远镜尺寸已经达到30m-50m。以往的传动系统已经不能满足这些光电探测设备所需要的转动惯量和机械刚度。如果按照传统的望远镜设计方案，需要采用的直接驱动的力矩电机直径将达到IOm以上。这将给电机的加工、运输带来很大的麻烦。针对这一问题，一种采用新型的多定子弧形电机驱动方式得到了应用。该种电机由多块弧形定子组成，每块定子和动子之间都相当于一台单元电机，整台电机可以看成是由多台单元电机构成的大电机。该种电机和望远镜构成机电一体化的设计，可以形成刚度很强的连接关系，可以大大提高望远镜的动态响应时间。除此之外当一块定子出现故障的时候，可以随时拆除维修，并不影响整台电机正常工作。但是该种电机存在力矩波动较大的问题。如果电机产生的力矩波动较大，将不利于望远镜实现精密跟踪。力矩波动造成的原因有很多种，其中最主要的原因就是该种电机存在较大的边端力和齿槽力，二者可以统称为电机的磁阻力。
[0003]一般通过对电机的结构进行优化的方法可以降低电机的磁阻力，但是该方法重复性低，且成本高，周期长。因此如何采用控制方法来抑制电机的磁阻力就显得非常重要。
[0004]弧形电机从性质上来说，属于永磁同步电机。永磁同步电机的控制一般采用较成熟矢量控制方法。该方法将电机定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁分量或直轴分量)和产生转矩的电流分量(转矩分量或交轴分量)分别加以控制，从而可以得到较理想的线性电流一力矩关系。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对多定子弧形电机存在较大的力矩波动的问题，提供一种通过磁阻力补偿来减小大型望远镜多定子弧形电机力矩波动的方法。
[0006]为达成所述目的，本发明提供一种通过磁阻力补偿来减小大型望远镜的多定子弧形电机控制方法包括以下步骤:通过在多定子弧形电机控制系统的交轴电流环加入补偿电流来减小多定子弧形电机的力矩波动，保证整台多定子弧形电机低速、平稳、精度旋转，其控制方法的主要包括以下步骤:
[0007]步骤S1:采用电子测力计对多定子弧形电机不同位置处的磁阻力进行测量，得到在不同位置处多定子弧形电机的磁阻力矩大小；
[0008]步骤S2:对得到的磁阻力随位置变化信息进行傅里叶级数拟合，构建电机的磁阻力大小随多定子弧形电机旋转位置变化的表达式；
[0009]步骤S3:用电流传感器采集到的多定子弧形电机三相绕组的电流进行CLARKE和PARK矢量变换，得到直轴电流id和交轴电流i,；[0010]步骤S4:将拟合得到的磁阻力关系表达式除以多定子弧形电机力矩系数，构建补偿电流随多定子弧形电机旋转位置变化的表达式；
[0011]步骤S5:在交轴电流环中，将理论多定子弧形电机交轴电流环参考电流I\v减去多定子弧形电机补偿电流得到实际交轴参考电流 ,。
[0012]本发明的有益效果:本发明方法通过在控制系统的电流环加入补偿电流的方式来减小电机的磁阻力，从而降低电机的力矩波动，达到提高伺服系统跟踪精度的目的。本发明控制方法可以在很大程度上消除弧形电机由于边端效应造成的力矩波动，满足电机低速高精度旋转。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明多定子弧形电机的整体结构图；
[0014]图2是本发明的力矩测试原理图；
[0015]图3是本发明的力矩测试过程中，转子逆时针旋转时受力图；
[0016]图4是本发明的力矩测试过程中，转子顺时针旋转时受力图；
[0017]图5是本发明的用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法流程图。
【具体实施方式】 [0018]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0019]多定子电机实际输出力矩主要包括两部分，电磁力矩和干扰力矩。此处的干扰力矩主要指电机自身的磁阻力矩。假设电机绕组中不含有高次谐波以及电机空气气隙磁密为正弦波的情况下，电机输出的电磁力矩为恒值。电机的磁阻力矩是和自身结构形式相关，一般为周期波动的函数。采用矢量控制时，电机的电磁力矩和交轴电流之间为线性关系。由于磁阻力矩是电机旋转位置的周期函数，因此电机的输出力矩将会随着旋转位置做周期性的波动，这样就会破坏电机的速度平稳性和位置跟踪特性。磁阻力幅值越大，电机的力矩波动越明显，电机的速度平稳性和位置跟踪特性也越差。本发明通过对多定子弧形电机的磁阻力进行测量，得到补偿电流随位置变化信息后，在电流环的理想参考电流I\v中减去当前位置处磁阻力对应的补偿电流Itff，就可以使电机输出的电磁力矩和磁阻力矩按等大反向的规律变化，从而使多定子弧形电机输出的整体力矩为恒值，使多定子弧形电机伺服系统达到平稳运行的目的。
[0020]如图1所示多定子弧形电机的整体结构图，与传统的伺服电机不同，用于大型望远镜伺服系统的多定子弧形电机由很多块单元电机A、B、C、D拼接而成，这种电机多块相同的定子和一个公用转子构成，每块定子和转子等同于一台单元电机。该种电机可以满足大型望远镜的尺寸需求，同时又方便加工和安装。但是该种电机由于沿圆周方向铁心开断，以及在铁心上开有齿槽，当转子和定子之间相对运行时，会产生周期性的边端力和齿槽力，二者统称为电机的磁阻力。当望远镜运行时，磁阻力会使电机的输出力矩产生明显的力矩波动，力矩波动会使伺服系统产生速度波动，进而影响到望远镜的跟踪精度。
[0021]一种通过磁阻力补偿来减小大型望远镜电机力矩波动的方法主要包括:通过电子测力计测量出电机的磁阻力τ。随位置的变化信息后，在电流环的理想参考电流rqv中减去当前位置处磁阻力对应的补偿电流Itff，就可以使电机输出的电磁力矩和磁阻力矩按等大反向的规律变化，从而使电机输出的整体力矩为恒值，使电机伺服系统达到低速、平稳、高精度运行的目的。
[0022]如图2所示本发明的力矩测试原理图，包括标准电机、测力计、测试样机，其中:所述标准电机是低力矩波动电机含有定子、绕线盘、转子；所述测试样机含有测试定子、测试绕线盘、测试转子；测试样机是多定子弧形电机，多定子弧形电机的磁阻力矩测量包括以下骤:
[0023]步骤Sll:使用一台低力矩波动电机作为驱动的标准电机，标准电机带动测试样机作匀速转动。测试样机的一侧悬挂重块，这样可以保证测试样机的转子不会因为磁阻力的变化而产生沿圆周方向的窜动；
[0024]步骤S12:在测试样机不通电的情况下，标准电机通过绕线盘带动测试样机的测试转子做匀速旋转运动。通过测试样机同轴安装的位置传感器得到测试样机当前位置，同时通过连接在测式样机和重块之间的电子测力计，得到测式样机和重块的实时拉力数据Tu，通过USB数据线上传到工控机；
[0025]步骤S13:按照步骤S12标准电机反方向旋转，得到测式样机和重块拉力数据IY2 ；
[0026]多定子弧形电机的转子正转和反转的时候受力分析图如图3和图4所示。图中Tu为标准电机逆时针旋转时受到的牵引力矩，Tl2为标准电机顺时针旋转时受到的牵引力矩，Tg为重块产生的负载力矩，Tc为测试样机的磁阻力矩，Tf为摩擦力矩。
[0027]步骤14:当测试样机反复旋转时，根据测试样机和重块的实时拉力数据Tu和拉力数据IY2可以得到测试样机为多定子弧形电机的磁阻力矩为:
【权利要求】
1.一种用于大型望远镜的多定子弧形电机控制方法，其特征在于包括:通过在多定子弧形电机控制系统的交轴电流环加入补偿电流来减小多定子弧形电机的力矩波动，保证整台多定子弧形电机低速、平稳、精度旋转，其控制方法的主要包括以下步骤: 步骤S1:采用电子测力计对多定子弧形电机不同位置处的磁阻力进行测量，得到在不同位置处多定子弧形电机的磁阻力矩大小； 步骤S2:对得到的磁阻力随位置变化信息进行傅里叶级数拟合，构建电机的磁阻力大小随多定子弧形电机旋转位置变化的表达式； 步骤S3:用电流传感器对采集到的多定子弧形电机三相绕组的电流进行CLARKE和PARK矢量变换，得到直轴电流id和交轴电流i,； 步骤S4:将拟合得到的磁阻力关系表达式除以多定子弧形电机力矩系数，构建补偿电流随多定子弧形电机旋转位置变化的表达式； 步骤S5:在交轴电流环中，将理论多定子弧形电机交轴电流环参考电流I\v减去多定子弧形电机补偿电流得到实际交轴参考电流i,。
2.根据权利要求1所述的多定子弧形电机控制方法，其特征是，多定子弧形电机的磁阻力矩测量包括以下步骤: 步骤11:利用一台标准的低力矩波动电机带动多定子弧形电机作匀速转动；在多定子弧形电机的一侧悬挂重块，用于保证多定子弧形电机的转子不会因为磁阻力的变化而产生沿圆周方向的窜动； 步骤12:在多定子弧形电机不通电的情况下，标准电机通过绕线盘带动多定子弧形电机转子做匀速旋转运动；通过多定子弧形电机同轴安装的位置传感器得到多定子弧形电机当前位置，同时通过连接在多定子弧形电机和重块之间的电子测力计，得到多定子弧形电机和重块的实时拉力数据Tu，通过USB数据线上传到工控机； 步骤13:将低力矩波动电机反方向旋转，得到多定子弧形电机和重块拉力数据IY2 ；步骤14:根据多定子弧形电机和重块的实时拉力数据Tu和拉力数据IY2得到多定子弧形电机的磁阻力矩T。表示如下: Tc=\(Tn+TL2)-Tg 式中Tg为重块产生的负载力矩。
3.根据权利要求1所述的多定子弧形电机控制方法，其特征是，采用5阶以上的傅里叶级数对磁阻力进行非线性回归分析，这样使得到的回归分析值和实际测量值之间的误差较小。
4.根据权利要求1所述的多定子弧形电机控制方法，其特征是，使用电流传感器采集多定子弧形电机三相绕组中A、B两相绕组中的电流ia、ib。
5.根据权利要求1所述的多定子弧形电机控制方法，其特征是，使用位置传感器得到多定子弧形电机当前的机械角度Φ，并根据公式θ =2ΡΦ计算得到当前的电角度；其中Θ是多定子弧形电机的电角度，P为多定子弧形电机的极对数。
6.根据权利要求1所述的多定子弧形电机控制方法，其特征是，利用多定子弧形电机速度闭环PI运算得到理论多定子弧形电机交轴电流环参考电流rqv。
7.根据权利要求1所述的多定子弧形电机控制方法，其特征是，所述磁阻力随多定子弧形电机的旋转位置的变化?；(Φ)的表达式如下:
8.根据权利要求7所述的多定子弧形电机控制方法，其特征是，所述补偿电流Itff随多定子弧形电机位置的变化的表达式如下= Τε(Φ)/Κ?； Kt为电机力矩系数。
【文档编号】H02P21/05GK104038129SQ201410306419
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】常九健, 马文礼 申请人:中国科学院光电技术研究所