用于大型望遠鏡的多定子弧形電機控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于大型望遠鏡的多定子弧形電機控制方法，該控制主要包括以下步驟：步驟S1：對弧形電機的磁阻力進行測量，得到在不同位置處的磁阻力大??；步驟S2：對得到的磁阻力隨位置變化信息進行傅里葉非線性回歸分析，得到電機的磁阻力大小隨位置變化的表達式；步驟S3：對采集到的三相電流進行CLARKE和PARK變換得到直軸電流id和交軸電流iq；步驟S4：將擬合得到的磁阻力表達式除以電機力矩系數得到補償電流隨位置的表達式；步驟S5：在交軸電流環(huán)中，將理論參考電流I*qv減去補償電流Iqr得到實際交軸參考電流I*q。該控制方法可以在很大程度上消除弧形電機由于邊端效應造成的力矩波動，滿足電機低速高精度旋轉。
【專利說明】用于大型望遠鏡的多定子弧形電機控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于機電控制領域，特別涉及一種通過磁阻力補償來減小大型望遠鏡的多定子弧形電機控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的發(fā)展，現代光電探測設備的尺寸越來越大，如國外最新型的天文望遠鏡尺寸已經達到30m-50m。以往的傳動系統(tǒng)已經不能滿足這些光電探測設備所需要的轉動慣量和機械剛度。如果按照傳統(tǒng)的望遠鏡設計方案，需要采用的直接驅動的力矩電機直徑將達到IOm以上。這將給電機的加工、運輸帶來很大的麻煩。針對這一問題，一種采用新型的多定子弧形電機驅動方式得到了應用。該種電機由多塊弧形定子組成，每塊定子和動子之間都相當于一臺單元電機，整臺電機可以看成是由多臺單元電機構成的大電機。該種電機和望遠鏡構成機電一體化的設計，可以形成剛度很強的連接關系，可以大大提高望遠鏡的動態(tài)響應時間。除此之外當一塊定子出現故障的時候，可以隨時拆除維修，并不影響整臺電機正常工作。但是該種電機存在力矩波動較大的問題。如果電機產生的力矩波動較大，將不利于望遠鏡實現精密跟蹤。力矩波動造成的原因有很多種，其中最主要的原因就是該種電機存在較大的邊端力和齒槽力，二者可以統(tǒng)稱為電機的磁阻力。
[0003]一般通過對電機的結構進行優(yōu)化的方法可以降低電機的磁阻力，但是該方法重復性低，且成本高，周期長。因此如何采用控制方法來抑制電機的磁阻力就顯得非常重要。
[0004]弧形電機從性質上來說，屬于永磁同步電機。永磁同步電機的控制一般采用較成熟矢量控制方法。該方法將電機定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量(勵磁分量或直軸分量)和產生轉矩的電流分量(轉矩分量或交軸分量)分別加以控制，從而可以得到較理想的線性電流一力矩關系。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對多定子弧形電機存在較大的力矩波動的問題，提供一種通過磁阻力補償來減小大型望遠鏡多定子弧形電機力矩波動的方法。
[0006]為達成所述目的，本發(fā)明提供一種通過磁阻力補償來減小大型望遠鏡的多定子弧形電機控制方法包括以下步驟:通過在多定子弧形電機控制系統(tǒng)的交軸電流環(huán)加入補償電流來減小多定子弧形電機的力矩波動，保證整臺多定子弧形電機低速、平穩(wěn)、精度旋轉，其控制方法的主要包括以下步驟:
[0007]步驟S1:采用電子測力計對多定子弧形電機不同位置處的磁阻力進行測量，得到在不同位置處多定子弧形電機的磁阻力矩大?。?br> [0008]步驟S2:對得到的磁阻力隨位置變化信息進行傅里葉級數擬合，構建電機的磁阻力大小隨多定子弧形電機旋轉位置變化的表達式；
[0009]步驟S3:用電流傳感器采集到的多定子弧形電機三相繞組的電流進行CLARKE和PARK矢量變換，得到直軸電流id和交軸電流i,；[0010]步驟S4:將擬合得到的磁阻力關系表達式除以多定子弧形電機力矩系數，構建補償電流隨多定子弧形電機旋轉位置變化的表達式；
[0011]步驟S5:在交軸電流環(huán)中，將理論多定子弧形電機交軸電流環(huán)參考電流I\v減去多定子弧形電機補償電流得到實際交軸參考電流 ,。
[0012]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明方法通過在控制系統(tǒng)的電流環(huán)加入補償電流的方式來減小電機的磁阻力，從而降低電機的力矩波動，達到提高伺服系統(tǒng)跟蹤精度的目的。本發(fā)明控制方法可以在很大程度上消除弧形電機由于邊端效應造成的力矩波動，滿足電機低速高精度旋轉。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明多定子弧形電機的整體結構圖；
[0014]圖2是本發(fā)明的力矩測試原理圖；
[0015]圖3是本發(fā)明的力矩測試過程中，轉子逆時針旋轉時受力圖；
[0016]圖4是本發(fā)明的力矩測試過程中，轉子順時針旋轉時受力圖；
[0017]圖5是本發(fā)明的用于大型望遠鏡的多定子弧形電機控制方法流程圖。
【具體實施方式】 [0018]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0019]多定子電機實際輸出力矩主要包括兩部分，電磁力矩和干擾力矩。此處的干擾力矩主要指電機自身的磁阻力矩。假設電機繞組中不含有高次諧波以及電機空氣氣隙磁密為正弦波的情況下，電機輸出的電磁力矩為恒值。電機的磁阻力矩是和自身結構形式相關，一般為周期波動的函數。采用矢量控制時，電機的電磁力矩和交軸電流之間為線性關系。由于磁阻力矩是電機旋轉位置的周期函數，因此電機的輸出力矩將會隨著旋轉位置做周期性的波動，這樣就會破壞電機的速度平穩(wěn)性和位置跟蹤特性。磁阻力幅值越大，電機的力矩波動越明顯，電機的速度平穩(wěn)性和位置跟蹤特性也越差。本發(fā)明通過對多定子弧形電機的磁阻力進行測量，得到補償電流隨位置變化信息后，在電流環(huán)的理想參考電流I\v中減去當前位置處磁阻力對應的補償電流Itff，就可以使電機輸出的電磁力矩和磁阻力矩按等大反向的規(guī)律變化，從而使多定子弧形電機輸出的整體力矩為恒值，使多定子弧形電機伺服系統(tǒng)達到平穩(wěn)運行的目的。
[0020]如圖1所示多定子弧形電機的整體結構圖，與傳統(tǒng)的伺服電機不同，用于大型望遠鏡伺服系統(tǒng)的多定子弧形電機由很多塊單元電機A、B、C、D拼接而成，這種電機多塊相同的定子和一個公用轉子構成，每塊定子和轉子等同于一臺單元電機。該種電機可以滿足大型望遠鏡的尺寸需求，同時又方便加工和安裝。但是該種電機由于沿圓周方向鐵心開斷，以及在鐵心上開有齒槽，當轉子和定子之間相對運行時，會產生周期性的邊端力和齒槽力，二者統(tǒng)稱為電機的磁阻力。當望遠鏡運行時，磁阻力會使電機的輸出力矩產生明顯的力矩波動，力矩波動會使伺服系統(tǒng)產生速度波動，進而影響到望遠鏡的跟蹤精度。
[0021]一種通過磁阻力補償來減小大型望遠鏡電機力矩波動的方法主要包括:通過電子測力計測量出電機的磁阻力τ。隨位置的變化信息后，在電流環(huán)的理想參考電流rqv中減去當前位置處磁阻力對應的補償電流Itff，就可以使電機輸出的電磁力矩和磁阻力矩按等大反向的規(guī)律變化，從而使電機輸出的整體力矩為恒值，使電機伺服系統(tǒng)達到低速、平穩(wěn)、高精度運行的目的。
[0022]如圖2所示本發(fā)明的力矩測試原理圖，包括標準電機、測力計、測試樣機，其中:所述標準電機是低力矩波動電機含有定子、繞線盤、轉子；所述測試樣機含有測試定子、測試繞線盤、測試轉子；測試樣機是多定子弧形電機，多定子弧形電機的磁阻力矩測量包括以下驟:
[0023]步驟Sll:使用一臺低力矩波動電機作為驅動的標準電機，標準電機帶動測試樣機作勻速轉動。測試樣機的一側懸掛重塊，這樣可以保證測試樣機的轉子不會因為磁阻力的變化而產生沿圓周方向的竄動；
[0024]步驟S12:在測試樣機不通電的情況下，標準電機通過繞線盤帶動測試樣機的測試轉子做勻速旋轉運動。通過測試樣機同軸安裝的位置傳感器得到測試樣機當前位置，同時通過連接在測式樣機和重塊之間的電子測力計，得到測式樣機和重塊的實時拉力數據Tu，通過USB數據線上傳到工控機；
[0025]步驟S13:按照步驟S12標準電機反方向旋轉，得到測式樣機和重塊拉力數據IY2 ；
[0026]多定子弧形電機的轉子正轉和反轉的時候受力分析圖如圖3和圖4所示。圖中Tu為標準電機逆時針旋轉時受到的牽引力矩，Tl2為標準電機順時針旋轉時受到的牽引力矩，Tg為重塊產生的負載力矩，Tc為測試樣機的磁阻力矩，Tf為摩擦力矩。
[0027]步驟14:當測試樣機反復旋轉時，根據測試樣機和重塊的實時拉力數據Tu和拉力數據IY2可以得到測試樣機為多定子弧形電機的磁阻力矩為:
【權利要求】
1.一種用于大型望遠鏡的多定子弧形電機控制方法，其特征在于包括:通過在多定子弧形電機控制系統(tǒng)的交軸電流環(huán)加入補償電流來減小多定子弧形電機的力矩波動，保證整臺多定子弧形電機低速、平穩(wěn)、精度旋轉，其控制方法的主要包括以下步驟: 步驟S1:采用電子測力計對多定子弧形電機不同位置處的磁阻力進行測量，得到在不同位置處多定子弧形電機的磁阻力矩大??； 步驟S2:對得到的磁阻力隨位置變化信息進行傅里葉級數擬合，構建電機的磁阻力大小隨多定子弧形電機旋轉位置變化的表達式； 步驟S3:用電流傳感器對采集到的多定子弧形電機三相繞組的電流進行CLARKE和PARK矢量變換，得到直軸電流id和交軸電流i,； 步驟S4:將擬合得到的磁阻力關系表達式除以多定子弧形電機力矩系數，構建補償電流隨多定子弧形電機旋轉位置變化的表達式； 步驟S5:在交軸電流環(huán)中，將理論多定子弧形電機交軸電流環(huán)參考電流I\v減去多定子弧形電機補償電流得到實際交軸參考電流i,。
2.根據權利要求1所述的多定子弧形電機控制方法，其特征是，多定子弧形電機的磁阻力矩測量包括以下步驟: 步驟11:利用一臺標準的低力矩波動電機帶動多定子弧形電機作勻速轉動；在多定子弧形電機的一側懸掛重塊，用于保證多定子弧形電機的轉子不會因為磁阻力的變化而產生沿圓周方向的竄動； 步驟12:在多定子弧形電機不通電的情況下，標準電機通過繞線盤帶動多定子弧形電機轉子做勻速旋轉運動；通過多定子弧形電機同軸安裝的位置傳感器得到多定子弧形電機當前位置，同時通過連接在多定子弧形電機和重塊之間的電子測力計，得到多定子弧形電機和重塊的實時拉力數據Tu，通過USB數據線上傳到工控機； 步驟13:將低力矩波動電機反方向旋轉，得到多定子弧形電機和重塊拉力數據IY2 ；步驟14:根據多定子弧形電機和重塊的實時拉力數據Tu和拉力數據IY2得到多定子弧形電機的磁阻力矩T。表示如下: Tc=\(Tn+TL2)-Tg 式中Tg為重塊產生的負載力矩。
3.根據權利要求1所述的多定子弧形電機控制方法，其特征是，采用5階以上的傅里葉級數對磁阻力進行非線性回歸分析，這樣使得到的回歸分析值和實際測量值之間的誤差較小。
4.根據權利要求1所述的多定子弧形電機控制方法，其特征是，使用電流傳感器采集多定子弧形電機三相繞組中A、B兩相繞組中的電流ia、ib。
5.根據權利要求1所述的多定子弧形電機控制方法，其特征是，使用位置傳感器得到多定子弧形電機當前的機械角度Φ，并根據公式θ =2ΡΦ計算得到當前的電角度；其中Θ是多定子弧形電機的電角度，P為多定子弧形電機的極對數。
6.根據權利要求1所述的多定子弧形電機控制方法，其特征是，利用多定子弧形電機速度閉環(huán)PI運算得到理論多定子弧形電機交軸電流環(huán)參考電流rqv。
7.根據權利要求1所述的多定子弧形電機控制方法，其特征是，所述磁阻力隨多定子弧形電機的旋轉位置的變化?；(Φ)的表達式如下:
8.根據權利要求7所述的多定子弧形電機控制方法，其特征是，所述補償電流Itff隨多定子弧形電機位置的變化的表達式如下= Τε(Φ)/Κ?； Kt為電機力矩系數。
【文檔編號】H02P21/05GK104038129SQ201410306419
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權日:2014年6月30日
【發(fā)明者】常九健, 馬文禮 申請人:中國科學院光電技術研究所