一种基于路径规划的伺服电机重复定位运行效率优化方法

本发明属于伺服电机领域，涉及一种基于路径规划的伺服电机重复定位运行效率优化方法。

背景技术：

1、永磁同步电机伺服系统由于体积小、转矩密度大、高效节能的特点，在军事、工业和民用等领域的应用范围不断得到拓展。在航空航天舵机、机载转台和工业机器人等应用对象中伺服电机重复定位运行，其运行效率决定了装备的续航能力与能耗水平，是提高装备续航性能和实现伺服系统高效节能的关键。伺服电机在实际重复定位的工作过程中往往按照伺服控制系统设定的路径规划重复运行，此时，伺服电机的运行工作点为一条转矩-转速工作曲线。目前在电机效率优化设计中，一般考虑电机在额定与峰值工作点长期运行，或以新能源电动汽车伺服电机为代表的转矩转速宽域内运行，从而针对转矩转速的固定运行点或宽域进行效率优化设计。但是，伺服电机重复定位运行下工作点为一条转矩-转速工作曲线，固定点或整体宽域效率优化方法并不能契合其实际效率优化需求。因此，为了提高伺服装备的续航能力和能量转换效率，需要发明一种基于路径规划的伺服电机重复定位运行效率优化设计方法，结合伺服电机重复定位运行下转矩-转速工作曲线的特殊性，在借鉴固定点和整体宽域效率优化方法基础上，提出效率map中高效区移动调控设计，提高转矩-转速工作曲线上高效区覆盖占比，降低单次定位周期内以转矩-转速工作曲线为积分路径下的总能量消耗。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于路径规划的伺服电机重复定位运行效率优化方法。在满足位置伺服系统对电机定位性能指标需求的前提下，结合伺服电机重复定位运行下转矩-转速工作曲线的特殊性，进行效率map中高效区移动调控设计，提高转矩-转速工作曲线上高效区覆盖占比，降低单次定位周期内以转矩-转速工作曲线为积分路径下的总能量消耗。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于路径规划的伺服电机重复定位运行效率优化方法，该方法具体包括以下步骤：

4、s1：计算重复运行伺服电机单次定位时间周期内的路径规划函数，求解永磁同步电机基于路径规划函数的单次定位周期内转速和转矩时间函数，获取永磁同步电机单次定位过程中的转矩-转速工作曲线；

5、s2：建立永磁同步电机有限元模型，求解电机在重复运行的热稳态下全转矩和转速范围内铜耗和铁耗的功率大小，得到电机效率map；

6、s3：建立铜耗和铁耗的功率与转矩转速的函数对应关系，以单次定位过程中的转矩-转速工作曲线为积分路径，积分计算单次定位时间周期内电机消耗的铜耗能量和铁耗能量；

7、s4：针对电机效率map中的转矩-转速工作曲线，通过降低定子电阻和铁芯材料优化等方法降低铜耗和铁耗的功率，提高工作曲线所经区域的整体效率；

8、s5：通过电负荷、磁负荷与电流密度的优化来调控铜耗与铁耗的占比，将效率map高效区域向转矩-转速工作曲线移动，使得单次定位周期内以转矩-转速工作曲线为积分路径下的铜耗能量和铁耗能量之和降低。

9、可选的，所述s1中，转速和转矩时间函数，转矩-转速工作曲线计算方法：

10、s＝s(t)＝a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2+a3(t-t0)3+a4(t-t0)4+a5(t-t0)5(m.deg)

11、

12、

13、t(n)＝t(f-1(n))

14、其中，s(t)为当路径规划算法为五次多项式下的机械旋转角度关于时间的函数，a0、a1、a2、a3、a4、a5为满足单次定位的时间周期和角度下的多项式系数，j为伺服电机轴系转动惯量，单次定位过程中的转矩-转速工作曲线由转速时间函数的反函数求得。

15、可选的，所述s2中，永磁同步电机有限元模型为重复运行达到热稳态下的电-磁-热耦合有限元模型，并求解涵盖转矩-转速工作曲线上最大转矩和最高转速的转矩转速范围内电机铜耗和铁耗的功率大小，绘制效率map，得到不同转矩-转速组合点下电机铜耗和铁耗的功率数据。

16、可选的，所述s3中，建立铜耗和铁耗功率大小与转矩转速的函数对应关系具体包括：通过不同转矩-转速组合点下电机铜耗和铁耗的功率数据，拟合铜耗和铁耗的功率大小以转矩和转速为自变量的多项式函数；其函数对应关系为：

17、pcu＝f(n,t)(w)

18、pfe＝g(n,t)(w)

19、以单次定位过程中转矩-转速工作曲线为积分路径计算铜耗能量和铁耗能量的方法：

20、wcu+wfe＝∫lpcuds+∫lpfeds＝∫lf(n,t)ds+∫lg(n,t)ds(j)

21、

22、其中，l为积分弧段，即单次定位时间周期内转矩-转速工作曲线，l的参数方程中t0为单次定位时间周期。

23、可选的，所述s5中具体包括：进行电负荷、磁负荷与电流密度的优化方法：

24、基于伺服力矩电机低转速、大转矩、总体损耗中铜耗占比较高的特性，维持电机设计方案的电负荷保持不变，提高磁负荷，并降低定子磁路在电机2d径向截面的面积占比，从而增大绕组槽面积降低电流密度；提高铁耗占电机总体损耗的比例，降低电机铜耗的占比，使得单次定位周期内以转矩-转速工作曲线为积分路径下的铜耗能量和铁耗能量之和降低。

25、本发明的有益效果在于：

26、(1)本发明提出基于路径规划的重复定位伺服电机设计方法，将伺服系统实际运行工况与电机本体设计一体化结合。

27、(2)刻画出伺服电机在路径规划下的转矩-转速运行曲线，可以精准的对电机效率map中电机实际运行工况下效率进行提升。

28、(3)采用效率map高效区移动调控设计，大幅度降低重复定位伺服系统单次定位的总损耗，实现伺服系统运行效率的提升，本发明提出的设计方法在工业机器人、航空伺服等位置伺服系统领域具有很强的实用性。

29、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种基于路径规划的伺服电机重复定位运行效率优化方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于路径规划的伺服电机重复定位运行效率优化方法，其特征在于：所述s1中，转速和转矩时间函数，转矩-转速工作曲线计算方法：

3.根据权利要求1所述的一种基于路径规划的伺服电机重复定位运行效率优化方法，其特征在于：所述s2中，永磁同步电机有限元模型为重复运行达到热稳态下的电-磁-热耦合有限元模型，并求解涵盖转矩-转速工作曲线上最大转矩和最高转速的转矩转速范围内电机铜耗和铁耗的功率大小，绘制效率map，得到不同转矩-转速组合点下电机铜耗和铁耗的功率数据。

4.根据权利要求1所述的一种基于路径规划的伺服电机重复定位运行效率优化方法，其特征在于：所述s3中，建立铜耗和铁耗功率大小与转矩转速的函数对应关系具体包括：通过不同转矩-转速组合点下电机铜耗和铁耗的功率数据，拟合铜耗和铁耗的功率大小以转矩和转速为自变量的多项式函数；其函数对应关系为：

5.根据权利要求1所述的一种基于路径规划的伺服电机重复定位运行效率优化方法，其特征在于：所述s5中具体包括：进行电负荷、磁负荷与电流密度的优化方法：

技术总结
本发明涉及一种基于路径规划的伺服电机重复定位运行效率优化方法，属于伺服电机领域。该方法包括：以重复定位运行中的单次定位用时为时间周期，计算伺服电机在满足实际定位需求下的路径规划函数，获取永磁同步电机基于路径规划的单次定位转速和转矩时间函数，得到永磁同步电机单次定位过程中的转矩‑转速工作曲线；建立永磁同步电机有限元模型，求解电机在重复运行的热稳态下全转矩和转速范围内铜耗和铁耗的功率大小，得到电机效率map；本发明能够将伺服电机实际运行工况和电机设计一体化结合，在满足伺服重复定位功能前提下大幅降低电机总损耗能量，提高伺服电机重复定位运行效率，对于广泛应用的位置伺服系统具有重要的实用价值。

技术研发人员：李辉,袁彬,向学位,姚然,周童,蒋鹏
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14