專利名稱：用于消弱電永磁體設備的齒槽定位轉矩效應的方法
技術領域：
提供一種用于消弱電永磁體設備的齒槽定位(cogging)轉矩效應的方法。更準確 而言，所述方法涉及消弱電永磁體設備的齒槽定位轉矩效應，其中所述設備連接到控制電 子裝置，所述控制電子裝置在下文中稱為驅動器，控制所述設備的轉矩和轉速，此外，所述 驅動器包括獨立于驅動器調節(jié)轉速的部分所產(chǎn)生的轉矩而增加轉矩分量的特性。
背景技術：
所謂齒槽定位是永磁體(PM)設備的一種公知特性，通過改變設備的轉速和/或轉 矩表現(xiàn)出來。齒槽定位轉矩是由于PM設備轉子的永磁體與定子槽之間的相互作用，因此轉 子被吸引到通過氣隙(airgap)的磁通為最大值的位置。除了步進電動機之外，不希望有齒 槽定位轉矩，因為它造成轉速變化還有定子座的振動，特別是在低到中度電動機轉速時尤 其如此。因此大多數(shù)PM設備一般是通過利用偏斜磁鐵或定子槽來設計為將齒槽定位轉矩 最小化。盡管試圖通過適當?shù)碾妼W和機械設計將齒槽定位轉矩最小化，但通常PM設備具 有振幅為額定轉矩0. 5% -2%的剩余齒槽定位轉矩。即使是實質上相同的設備，在齒槽定 位轉矩特性上也會有較大的個體差異?，F(xiàn)在的永磁體設備通常用可變頻驅動器來控制，可變頻驅動器廣泛應用于控制電 感應電動機。這些驅動器中有一些也具有用于補償齒槽定位轉矩的內置軟件。這種軟件簡 單地向來自轉速控制器的轉速校正轉矩增加具有指定諧波次數(shù)、振幅和相位的諧波轉矩分 量。對于特定的負載和轉速，已經(jīng)證實這種補償軟件效果很好，但是經(jīng)驗表明，當轉速和/ 或負載與調諧(timing)條件差別很大時，這種軟件就不行了。其原因是，隨著電動機轉速 和負載的變化，最佳補償信號或期望補償信號變化很大，并且振幅和相位恒定的靜態(tài)方法 不能適應新條件。下面為了方便而采用術語“電動機”，盡管分析也適用于也能用作發(fā)電機的多種電設備。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服或至少部分地彌補現(xiàn)有技術PM設備的缺陷。根據(jù)本發(fā)明，通過下面的描述和概述用于適應性齒槽定位補償方法的所附權利要 求書所指出的特點，實現(xiàn)上述目的。提供一種用于消弱電永磁體設備的齒槽定位轉矩效應的方法，其中，所述設備連 接到驅動器，所述驅動器包括獨立于轉速調節(jié)器產(chǎn)生的轉矩而增加轉矩分量的特性，所述 設備具有轉子和定子，所述方法包括利用傳感器測量所述轉子相對于所述定子的角位置以及所述轉子的角速度；通過來自所述驅動器的至少兩個不同的齒槽定位補償信號運行至少兩個測試，其 中一個測試指定為“a”測試，另一個測試指定為“b”測試；
分析從所述傳感器接收的信號，以得出關于所述測試的振動信號的對應振幅和相 位響應；通過將應用于所述a測試的補償信號的復齒槽定位振幅與表示因為所述b測試的 齒槽定位轉矩所致的振動的振動信號的復振幅相乘，計算第一值；通過將應用于所述b測試的補償信號的復齒槽定位振幅與表示因為所述a測試的 齒槽定位轉矩所致的振動的振動信號的復振幅相乘，計算第二值；通過所述第一值與所述第二值之間的差除以表示因為所述b測試與所述a測試 所致的振動的振動信號的復振幅之間的差，來計算復齒槽定位補償振幅，如下面的方程式 (11)或(Ila)所示；基于所述復齒槽定位補償振幅，向所述設備施加齒槽定位補償轉矩。本發(fā)明的一個方案中所述方法包括步驟利用連接到所述設備或其底座的振動傳感器，測量以下量的至少之一 S卩，所述轉 子、所述定子的角速度或角加速度、或者兩者之間的差。本發(fā)明的一個方案中所述方法包括步驟用兩個不同的補償信號運行主動(active)測試，其中，將一個或多個齒槽定位基 頻的諧波添加到來自所述轉速調節(jié)器的設定轉矩。本發(fā)明的另一個方案中所述方法包括步驟對原始信號或經(jīng)過處理的轉速信號進行基于位置或基于時間的傅里葉分析，以得 出關于所述測試的轉速的對應振幅和相位響應。
速
號號。
本發(fā)明的另一個方案中，通過以下步驟對非諧波振動校正傅里葉分析之前的轉
對表示整數(shù)個齒槽定位周期的間隔計算轉速和角度的部分平均值。 本發(fā)明的另一個方案中，通過以下步驟對非諧波振動來校正經(jīng)過處理的轉速信
在表示整數(shù)個齒槽定位周期的間隔來計算轉速和角度的部分平均值； 對所述平均值進行多項式函數(shù)擬合；
從所述原始轉速信號減去擬合后的函數(shù)，得到更適合于傅里葉分析的動態(tài)轉速信
驅動器包括至少一個轉速控制器和一個轉矩控制器。
下文采用以下符號
C齒槽定位補償轉矩
(；和(；齒槽定位補償振幅
己“經(jīng)過k次調諧測試后的平均補償振幅
Ch諧波h的復齒槽定位補償振幅
C0補償振幅
Ht轉矩控制器的復傳遞函數(shù)
N每轉編碼器計數(shù)
P和I 轉速控制器參數(shù)
Jr轉子慣量
Js定子慣量
Tm來自驅動器的電動機轉矩
T 1 C齒槽定位轉矩
T 1 re來自外部轉子負載的轉矩
Zr轉子的機械阻抗
7 z^re外部轉子阻抗
Zs定子的機械阻抗
7 z^se外部定子阻抗
ΖΩ轉速控制器的復阻抗
θ轉子基于編碼器的機械角位置
θ0可能的偏移角
Δ θη角度增量
Ω測得的轉速
從測試a得到的復轉速振幅
Qb從測試b得到的復轉速振幅
ΩΓ轉子角速度
定子角速度
et要求的轉速
Q1一次諧波的轉速振幅
石平均轉速
{h}齒槽定位諧波
i虛數(shù)單位
k調諧測試次數(shù)
m齒槽定位周期次數(shù)
η實際計數(shù)值
nP電動機磁極對數(shù)
ns定子槽數(shù)
S拉普拉斯變量
eh剩余補償誤差
ω角頻率
ν表示因為齒槽定位轉矩所致的振動的振動信號
Atn時間增量
為了理解齒槽定位轉矩效應，研究轉子的運動方程是有用的。轉子的運動方程如下
r dt= Tm-Tc-Tre ⑴
其中，1是轉子慣量，Ω^是轉子角速度，Tm是來自驅動器的電動機轉矩，Τ。是齒
槽定位轉矩，Tre是來自外部轉子負載的轉矩。通過轉速控制器和轉矩控制器確定電動機轉 矩，并且電動機轉矩通常基于操作者設定的要求的轉速。
作為實例，如果轉速控制器是標準的PI控制器，當前控制器是理想的，具有均勻 增益上，并且時間延遲可忽略，則沒有齒槽定位補償時的電動機轉矩如下Tm = P · ( Ω set- Ω ) +1 f (Ω set- Ω ) dt (2)這里，P和I是轉速控制器參數(shù)，Ω是測得的轉速，Ω set是操作者設定的要求的轉 速。通常從用于測量轉子相對于定子的角位置的編碼器來得到測得的轉速。只要定子不是無限堅硬的，就不能忽略定子振動和它們對測得的轉速的影響。對 于表示定子和其底座中結構共振的頻率而言這是最基本的事實。當研究轉速和轉矩的周期性振動時，使用拉普拉斯變換是方便的。然后用拉普拉 斯變量s代替時間微分，同時用1/s代替積分。對于穩(wěn)態(tài)條件，拉普拉斯變量表示角頻率乘 以虛數(shù)單位，也就是s = i 。在下面的復振幅中，不管是用它們的實部和虛部來描述還是 用它們的大小和相位來表示，為了方便起見，都稱為振幅。采用以下的簡化假設設定的轉速恒定，沒有諧波變化時。轉速控制器產(chǎn)生的諧波轉矩用其振幅C表示。測得的轉速表示轉子與定子之間的角速度差，也就是Ω = ΩΓ-Ω3θ轉速控制器是線性的，可用復阻抗ΖΩ表示。轉矩控制器是線性的，因此可用復傳遞函數(shù)Ht表示。這個假設對于轉速和負載的 小變化局部有效，盡管轉矩調節(jié)器在更大尺度內是非線性的。作用在轉子上的外部轉矩分量隨著轉子轉速線性變化。在上述假設下，經(jīng)過拉普拉斯變換的轉子運動方程如下s Jr Ω r = -HtZ ω ( Ω r- Ω s) +H1C-Zre Ω r-Tc (3)這里，Zre是外部轉子阻抗，因此乘積-Zre Ω r表示因為轉子的轉速變化所致的動態(tài) 外部負載。為了方便起見，在方程式(1)中對經(jīng)過拉普拉斯變換的轉速和齒槽定位轉矩使 用相同的符號作為對應的時間變量。根據(jù)牛頓第三定律，電動機轉矩和齒槽定位轉矩還在相反方向作用在定子上。因 此定子的運動方程如下s Js Ω s = HtZ Ω ( Ω r- Ω s) -H1C-Zse Ω r+Tc (4)這里，Zse是外部定子阻抗，因此乘積-Zse Ω s表示通過定子底座作用在定子上的反 作用力。
結合方程式(3)和方程式⑷得到以下表達式(sJr+Zre) Ω r = - (SJs+Zse) Ω s (5)引入以下縮寫是方便的Zr = sJr+Zre ^P Zs = Sjs+Zse0與最后的術語相對照，這些 阻抗也包括慣性效應。因此，上述方程式的左邊表示由于轉子本身的轉速變化而作用在轉 子上的動態(tài)力。利用Qs= Ω r- Ω，上述方程式可寫成= 5 Ω(6)
乙 Y將此表達式結合方程式(3)并引入組合阻抗Z = ZrZs/(Zr+Zs)得到(ΗΤΖ Ω+Ζ) Ω = HtC-Tc (7)
目的是得到使動態(tài)轉速變化消失的補償振幅C。= Τ。/Ητ。應當了解，齒槽定位轉矩 振幅Τ。、阻抗ΖΩ、ZpZs以及轉矩控制器傳遞函數(shù)Ht都是隨電動機的轉速和轉矩負載而變化 的未知復函數(shù)。但是不用知道這些參數(shù)也能得出補償振幅。下面描述實現(xiàn)這一點的方法。 幸運的是這似乎也是最佳或期望的齒槽定位補償。假定用Ca和Cb表示的兩個不同齒槽定位補償振幅應用于具有相同平均轉速和負 載的兩個測試。不同的振幅產(chǎn)生不同的響應，不同的響應用可測量轉速振幅03和0)3表 示。同樣包括給出零轉速振幅的期望齒槽定位補償振幅，下面三個方程式適用(ΗΤΖ Ω+Ζ) Ω3 = H1Ca-Tc (8)(ΗΤΖΩ+Ζ) Qb = HTCb_Tc (9)0 = HtC0-Tc(10)可以看出，將Τ。= HTC。代入兩個第一方程式，然后將方程式(8)除以方程式(9)， 則期望的齒槽定位補償可表示如下C0 = c^(11)
12A —、la此公式表明，既不要知道齒槽定位轉矩本身，也不要知道描述電動機動力學以及 它與結構的相互作用的系統(tǒng)參數(shù)，就可以根據(jù)兩個測試憑經(jīng)驗確定期望的齒槽定位補償振 幅。有必要提及，選擇用轉速變化振幅來表示齒槽定位轉矩響應是為了方便起見。因 為為了知道相對轉子位置而要求編碼器信號，所以不需要其他傳感器就能直接得到角速度。如果我們用角加速度α = Ω/s代替角速度振幅，公式(11)的適用得一樣好?；?者，可用測量定子或定子座的線性加速度的標準加速計作為振動傳感器。因此方程式(11) 可推廣為C。= C八(lib)這里，ν表示代表因為齒槽定位轉矩所致的變化的任何振動信號。用加速計而不用基于速度的編碼器的缺點是a)需要額外的振動傳感器，b)加速 計更容易從外源拾取振動，以及C)對于低速或低頻，加速度信號的信噪比會很差。到目前為止只對一種頻率或諧波得出方程式，典型地表示齒槽定位基頻。但是，所 述方法可推廣到包括多種齒槽定位諧波。因為基本的線性假設，只要對于兩種調諧測試而 言每種諧波的振幅不同，從同樣的測試能得出不同諧波的復振幅。在電學設備的理論中，機械角度、機械角速度與電學角度、電學角速度之間區(qū)別很 大。對于具有 對磁極的同步設備而言，即時的電角度(又稱為轉換角)以及角頻率由下 式給出θ e = ηρ θ (12)ω=ηπ — ^ Ω(13)
ρ dt ρ這里，θ是轉子基于編碼器的機械角位置。如果電動機有ns個槽，則角(angular) 齒槽定位基頻是
權利要求
一種用于消弱電永磁體設備(1)的齒槽定位轉矩效應的方法，其中，設備(1)連接到驅動器(8)，驅動器(8)包括獨立于轉速調節(jié)器產(chǎn)生的轉矩而增加轉矩分量的特性，所述設備具有轉子和定子，其特征在于所述方法包括利用傳感器(6)測量所述轉子相對于所述定子的角位置以及所述轉子的角速度；通過來自所述驅動器(8)的至少兩個不同的齒槽定位補償信號運行至少兩個測試，其中一個測試指定為“a”測試，另一個測試指定為“b”測試；分析從所述傳感器(6)接收的信號，以得出關于所述測試的振動信號的對應振幅和相位響應；通過將應用于所述a測試的補償信號的復齒槽定位振幅與表示因為所述b測試的齒槽定位轉矩所致的振動的振動信號的復振幅相乘，計算第一值；通過將應用于所述b測試的補償信號的復齒槽定位振幅與表示因為所述a測試的齒槽定位轉矩所致的振動的振動信號的復振幅相乘，計算第二值；通過所述第一值與所述第二值之間的差除以表示因為所述b測試與所述a測試所致的振動的振動信號的復振幅之間的差，來計算期望的復齒槽定位補償振幅；基于所述期望的復齒槽定位補償振幅，向所述設備(1)施加齒槽定位補償轉矩。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述方法包括步驟利用連接到所述設備或其底座的振動傳感器，測量以下量的至少之一所述轉子、所述 定子的角速度或角加速度、或者兩者之間的差。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述方法包括步驟用兩個不同的補償信號運行主動測試，其中，將一個或多個齒槽定位基頻的諧波添加 到來自所述轉速調節(jié)器的設定轉矩。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述方法包括步驟對原始信號或經(jīng)過處理的轉速信號進行基于位置或基于時間的傅里葉分析，以得出關 于所述測試的轉速的對應振幅和相位響應。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，通過以下步驟對非諧波振動來校正傅里葉 分析之前的轉速在表示整數(shù)的間隔上計算轉速和角度的部分平均值。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過以下步驟對非諧波振動來校正所述經(jīng) 過處理的信號在表示整數(shù)個齒槽定位周期的間隔上計算轉速和角度的部分平均值；對所述平均值進行多項式函數(shù)擬合；從所述原始轉速信號減去擬合后的函數(shù)，得到更適合于傅里葉分析的動態(tài)轉速信號。
全文摘要
一種用于消弱電永磁體設備(1)的齒槽定位轉矩效應的方法，其中，設備(1)連接到驅動器(8)，驅動器(8)包括獨立于轉速調節(jié)器產(chǎn)生的轉矩而增加轉矩分量的特性，所述設備具有轉子和定子，所述方法包括利用傳感器(6)測量所述轉子相對于所述定子的角位置以及所述轉子的角速度；通過來自所述驅動器(8)的至少兩個不同的齒槽定位補償信號運行至少兩個測試，其中一個測試指定為“a”測試，另一個測試指定為“b”測試；分析從所述傳感器(1)或多個傳感器接收的信號，以得出關于所述測試的振動信號的對應振幅和相位響應；通過將應用于所述a測試的補償信號的復齒槽定位振幅與表示因為所述b測試的齒槽定位轉矩所致的振動的振動信號的復振幅相乘，計算第一值；通過將應用于所述b測試的補償信號的復齒槽定位振幅與表示因為所述a測試的齒槽定位轉矩所致的振動的振動信號的復振幅相乘，計算第二值；通過所述第一值與所述第二值之間的差除以表示因為所述b測試與所述a測試所致的振動的振動信號的復振幅之間的差，來計算期望的復齒槽定位補償振幅；基于所述期望的復齒槽定位補償振幅，向所述設備(1)施加齒槽定位補償轉矩。
文檔編號H02P6/10GK101981803SQ200980110492
公開日2011年2月23日 申請日期2009年3月16日 優(yōu)先權日2008年3月26日
發(fā)明者奧厄·許林斯塔德 申請人:挪威國立奧伊威爾瓦克有限公司