CN113258841A - 一种两相混合式步进电机中速转矩补偿方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种两相混合式步进电机中速转矩补偿方法及装置，本发明先进行反电动势观测，根据输入电压和输入电流求解静止坐标系下感应电动势，然后根据静止坐标系下感应电动势同时进行相位角调制和电压补偿。在进行相位角调制时根据静止坐标系下感应电动势和转矩常数求解转速，接着提取转矩脉动量，由此求解中速转矩补偿角度，并修正电机相位角；无需使用带通滤波器，扩大应用范围，也没有引入微分器，使得噪声信号没有被放大，避免增大对***的干扰。同时根据静止坐标系下感应电动势求解中速转矩补偿电压补偿输出电压，增加中速下线圈上的有效电压，使得电机输出力矩变大。

Description

一种两相混合式步进电机中速转矩补偿方法及装置
技术领域
本发明属于电机转矩补偿技术领域，具体涉及一种两相混合式步进电机中速转矩补偿方法及装置。
背景技术
在实际应用中，步进电机为伺服***的执行元件，所以步进电机设计中比较注重位置定位精确和产生较大转矩等方面。在定转子的设计中均为凸极结构并会在极上开有小齿，造成了气隙磁场存在着较大的空间谐波，从而导致电机的转矩脉动和转速波动也会比较大，容易产生噪声导致振荡。为了解决这个问题，业内人员进行了诸多研究。
例如申请号200910110021.8公开的《混合式步进电机转子旋转振荡抑制装置和抑制方法》。通过获取转矩脉动量并对其积分，乘以相应系数得到相位角调制量来抑制转子振荡。该方案中，使用带通滤波器，获取转矩脉动量，随着电压，电流，电机类型，负载的不同，转矩脉动量的频率范围也不同，带通滤波器的参数需要调整，通用性差，使用不便。
还有学者在两相混合步进电机伺服控制技术研究中提出了一种中高速开环电机振荡抑制方法，该方法通过磁链观测器得到转子估算角度，对其进行微分得到速度，通过高通滤波器得到速度脉振量，乘以一定增益得到给定的角度矫正量。该方案中由转子角度估算得到角度，进行微分得到转速；应用微分，会放大噪声信号，影响***的运行。
并且现有混合式步进电机的输出电压没有得到有效的补偿，导致电机输出力矩不够大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用范围广、对***干扰小并能增大输出力矩的两相混合式步进电机中速转矩补偿方法及装置。
本发明提供的这种两相混合式步进电机中速转矩补偿方法，首先进行反电动势观测，根据输入电压和输入电流求解静止坐标系下感应电动势，然后根据静止坐标系下感应电动势同时进行相位角调制和电压补偿；
A、相位角调制，
A.1、根据静止坐标系下感应电动势和转矩常数求解转速，
A.2、提取转矩脉动量，
A.3、求解中速转矩补偿角度，修正电机给定电流相位角；
B、电压补偿，
B.1、坐标变换得旋转坐标系下感应电动势，
B.2、将旋转坐标系下感应电动势经低通滤波器后再进行反坐标变换，
B.3、求解中速转矩补偿电压，补偿输出电压。
本实施例中，进行反电动势观测时，静止坐标系下感应电动势为：
Figure 463017DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 455244DEST_PATH_IMAGE002
，
式中，
Figure 619509DEST_PATH_IMAGE003
为输入电压，
Figure 562932DEST_PATH_IMAGE004
为输入电流，
Figure 838056DEST_PATH_IMAGE005
为电阻，
Figure 950368DEST_PATH_IMAGE006
为电感。
在步骤A.1中根据
Figure 19955DEST_PATH_IMAGE007
求解转速
Figure 217718DEST_PATH_IMAGE008
，
其中
Figure 765374DEST_PATH_IMAGE010
为转矩常数。
在步骤A.2中将转速经过低通滤波器得到转速直流分量
Figure 466614DEST_PATH_IMAGE012
，将转速和转速直流分量通过做差，得到转矩脉动量
Figure 707103DEST_PATH_IMAGE013
。
在步骤A.3中将转矩脉动量经过积分器，得到中速转矩补偿角度
Figure 392162DEST_PATH_IMAGE014
。
在B.1中，将静止坐标系下感应电动势
Figure 510553DEST_PATH_IMAGE015
，进行派克变换可得旋转坐标系下感应电动势
Figure 331878DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 8847DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 915623DEST_PATH_IMAGE018
为派克变换中静止坐标系与旋转坐标系之间的夹角。
在B.2中，将旋转坐标系下感应电动势经过低通滤波器得到
Figure 70661DEST_PATH_IMAGE019
，
再通过反派克变换得到
Figure 12073DEST_PATH_IMAGE020
,
Figure 594364DEST_PATH_IMAGE021
。
在B.3中，补偿电压
Figure 988436DEST_PATH_IMAGE022
分别为
Figure 947165DEST_PATH_IMAGE023
式中
Figure 743082DEST_PATH_IMAGE024
为补偿系数，并根据补偿电压补偿电机输出电压。
本发明还提供了一种两相混合式步进电机中速转矩补偿装置，本装置包括：反电动势观测模块，用于自输入电压和输入电流求解静止坐标系下感应电动势；相位角调制模块，用于根据静止坐标系下感应电动势生成补偿角度，补偿角度用于修正电机给定电流相位角；补偿电压计算模块，用于根据静止坐标系下感应电动势生成补偿电压，补偿电压用于增加电机输出电压。
所述相位角调制模块包括
转速估算模块，用于根据静止坐标系下感应电动势估算转速，
低通滤波器，用于根据转速得到转速直流分量，
转矩脉动量提取模块，用于将转速和转速直流分量做差，得到转矩脉动量，
积分器，用于将转矩脉动量积分得到中速转矩补偿角度；
所述补偿电压计算模块包括
坐标转换模块，用于将静止坐标系下感应电动势转换为旋转坐标系下感应电动势，
低通滤波器，用于处理旋转坐标系下感应电动势，
反坐标转换模块，用于将低通滤波器处理后的旋转坐标系下感应电动势进行反坐标转换，
补偿电压计算模块，用于计算补偿电压。
本发明先进行反电动势观测，根据输入电压和输入电流求解静止坐标系下感应电动势，然后根据静止坐标系下感应电动势同时进行相位角调制和电压补偿。在进行相位角调制时根据静止坐标系下感应电动势和转矩常数求解转速，接着提取转矩脉动量，由此求解中速转矩补偿角度，并修正电机相位角；无需使用带通滤波器，扩大应用范围，也没有引入微分器，使得噪声信号没有被放大，避免增大对***的干扰。同时根据静止坐标系下感应电动势求解中速转矩补偿电压补偿输出电压，增加中速下线圈上的有效电压，使得电机输出力矩变大。
附图说明
图1为本发明一个优选实施例的电机控制流程框图。
图2为本优选实施例内中速转矩补偿算法的流程框图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进一步描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本实施例提供的这种两相混合式步进电机中速转矩补偿方法，在传统电机控制电流环上加入中速转矩补偿算法。传统电机控制电流环为本领域公知常识，在此不再赘述。
如图1、图2所示，本实施例一方面通过这种中速转矩补偿算法得到补偿角度，反馈到传统电机控制电流环中，使电机中速运行更稳。另一方面得到补偿电压，对输出电压进行适当补偿，使得电机在中速下，线圈有效电压增加，使得电机中速输出力矩更大。
如图2所示，本实施例首先进行反电动势观测，根据输入电压和输入电流求解静止坐标系下感应电动势，然后根据静止坐标系下感应电动势同时进行相位角调制和电压补偿。
静止坐标系下感应电动势
Figure 761854DEST_PATH_IMAGE001
（1），
Figure 141757DEST_PATH_IMAGE002
（2），
式中，
Figure 638598DEST_PATH_IMAGE003
为输入电压，
Figure 289022DEST_PATH_IMAGE004
为输入电流，
Figure 478695DEST_PATH_IMAGE005
为电阻，
Figure 847359DEST_PATH_IMAGE006
为电感。
再根据静止坐标系下感应电动势进行相位角调制和电压补偿。
进行相位角调制时：
首先求解转速
Figure 147891DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 918400DEST_PATH_IMAGE025
（3），
其中
Figure 13395DEST_PATH_IMAGE010
为转矩常数。
然后提取转矩脉动量
Figure 134935DEST_PATH_IMAGE013
，提取时，将转速经过低通滤波器得到转速直流分量
Figure 973578DEST_PATH_IMAGE012
，再将转速和转速直流分量通过做差，即可得到转矩脉动量
Figure 598595DEST_PATH_IMAGE013
。
再求解中速转矩补偿角度
Figure 631535DEST_PATH_IMAGE014
，将转矩脉动量
Figure 709212DEST_PATH_IMAGE013
经过积分器积分即可得到
Figure 617126DEST_PATH_IMAGE014
。求解完成后，将求得的
Figure 96648DEST_PATH_IMAGE014
补偿至传统电机控制电流环中即可得到
Figure 533446DEST_PATH_IMAGE026
，即可根据求得的补偿角度修正电机相位角。
本实施例基于新的转速脉动量提取，对转速脉动量积分获得电机中速转矩补偿角度，使得电机在中速运行时，电机给定电流相位角会得到修正，电机电流角度和电机转子角度维持在一定范围内。该修正过程中无需使用带通滤波器，应用范围广，也无需引入微分器，使得噪声信号没有被放大，使得***受干扰小。
本实施例进行电压补偿时：
首先将静止坐标系下感应电动势进行派克变换得到旋转坐标系下感应电动势
Figure 363999DEST_PATH_IMAGE016
。
Figure 278865DEST_PATH_IMAGE027
（4）。
将旋转坐标系下感应电动势经过低通滤波器得到
Figure 144053DEST_PATH_IMAGE028
，
再将
Figure 751752DEST_PATH_IMAGE028
通过反派克变换得到
Figure 69601DEST_PATH_IMAGE028
。
Figure 286693DEST_PATH_IMAGE021
（5）
Figure 6387DEST_PATH_IMAGE018
为派克变换中静止坐标系与旋转坐标系之间的夹角。
求解中速转矩补偿电压
Figure 50567DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 590133DEST_PATH_IMAGE023
（6）
求解时，令补偿系数
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，结合实际使用情况，通过调整
Figure 846802DEST_PATH_IMAGE024
系数，得到
Figure 421002DEST_PATH_IMAGE022
，并补偿进
Figure 370504DEST_PATH_IMAGE003
得到
Figure 397366DEST_PATH_IMAGE030
。
本发明在传统电机控制电流环上加入中速转矩补偿算法，使得电机中速输出力矩更大，运行更稳。中速转矩补偿算法由两部分组成，一部分是基于相位角调制，使得电机在中速运行时，电机给定电流相位角会得到修正，电机电流角度和电机转子角度维持在一定范围内，并且在调制过程中无需使用带通滤波器，应用范围广，也无需引入微分器，使得噪声信号没有被放大，使得***受干扰小。另一部分是基于反电动势的电压补偿，电机转速上升时，反电动势加大，在母线电压一定的情况下，加到电机线圈上的电压逐渐减少，电机线圈上的电流减少，电机输出力矩变小，因此对电机输出电压进行基于反电动势的补偿，增加中速下线圈上的有效电压，使得电机输出力矩变大。
本实施例还公开了一种两相混合式步进电机中速转矩补偿装置。该装置包括反电动势观测模块、相位角调制模块和补偿电压计算模块。
其中反电动势观测模块用于自输入电压和输入电流求解静止坐标系下感应电动势。
相位角调制模块，用于根据静止坐标系下感应电动势生成补偿角度，补偿角度用于修正电机给定电流相位角；相位角调制模块包括转速估算模块根据静止坐标系下感应电动势估算转速，低通滤波器根据转速得到转速直流分量，转矩脉动量提取模块将转速和转速直流分量做差，得到转矩脉动量，积分器将转矩脉动量积分得到中速转矩补偿角度。
补偿电压计算模块，用于根据静止坐标系下感应电动势生成补偿电压，补偿电压用于增加电机输出电压。补偿电压计算模块包括坐标转换模块用于将静止坐标系下感应电动势转换为旋转坐标系下感应电动势，低通滤波器用于处理旋转坐标系下感应电动势，反坐标转换模块用于将低通滤波器处理后的旋转坐标系下感应电动势进行反坐标转换，补偿电压计算模块用于计算补偿电压。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可以作出种种的等同的变型或者替换，这些等同的变形或者替换均包含在本申请的范围内。

Claims (10)

1.一种两相混合式步进电机中速转矩补偿方法，其特征在于：本方法首先进行反电动势观测，根据输入电压和输入电流求解静止坐标系下感应电动势，然后根据静止坐标系下感应电动势进行相位角调制和电压补偿；
A、相位角调制，
A.1、根据静止坐标系下感应电动势和转矩常数求解转速，
A.2、提取转矩脉动量，
A.3、求解中速转矩补偿角度，修正电机给定电流相位角；
B、电压补偿，
B.1、坐标变换得旋转坐标系下感应电动势，
B.2、将旋转坐标系下感应电动势经低通滤波器后再进行反坐标变换，
B.3、求解中速转矩补偿电压，补偿输出电压。
2.如权利要求1所述的两相混合式步进电机中速转矩补偿方法，其特征在于：进行反电动势观测时，静止坐标系下感应电动势为：
Figure 179116DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 231386DEST_PATH_IMAGE002
，
式中，
Figure 949943DEST_PATH_IMAGE003
为输入电压，
Figure 905523DEST_PATH_IMAGE004
为输入电流，
Figure 949702DEST_PATH_IMAGE005
为电阻，
Figure 489268DEST_PATH_IMAGE006
为电感。
3.如权利要求2所述的两相混合式步进电机中速转矩补偿方法，其特征在于：在步骤A.1中根据
Figure 277096DEST_PATH_IMAGE007
求解转速
Figure 585717DEST_PATH_IMAGE008
，
其中
Figure 535219DEST_PATH_IMAGE009
为转矩常数。
4.如权利要求3所述的两相混合式步进电机中速转矩补偿方法，其特征在于：在步骤A.2中将转速经过低通滤波器得到转速直流分量
Figure 562080DEST_PATH_IMAGE010
，将转速和转速直流分量通过做差，得到转矩脉动量
Figure 153599DEST_PATH_IMAGE011
。
5.如权利要求4所述的两相混合式步进电机中速转矩补偿方法，其特征在于：在步骤A.3中将转矩脉动量经过积分器，得到中速转矩补偿角度
Figure 316727DEST_PATH_IMAGE012
。
6.如权利要求2所述的两相混合式步进电机中速转矩补偿方法，其特征在于：在B.1中，将静止坐标系下感应电动势
Figure 702709DEST_PATH_IMAGE013
，进行派克变换可得旋转坐标系下感应电动势
Figure 216867DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 845032DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 862667DEST_PATH_IMAGE016
为派克变换中静止坐标系与旋转坐标系之间的夹角。
7.如权利要求2所述的两相混合式步进电机中速转矩补偿方法，其特征在于：在B.2中，将旋转坐标系下感应电动势经过低通滤波器得到
Figure 685129DEST_PATH_IMAGE017
，再通过反派克变换得到
Figure 421004DEST_PATH_IMAGE018
,
Figure 354325DEST_PATH_IMAGE019
。
8.如权利要求2所述的两相混合式步进电机中速转矩补偿方法，其特征在于：在B.3中，补偿电压
Figure 226466DEST_PATH_IMAGE020
分别为
Figure 219830DEST_PATH_IMAGE021
式中
Figure 443001DEST_PATH_IMAGE022
为补偿系数，并根据补偿电压补偿电机输出电压。
9.一种两相混合式步进电机中速转矩补偿装置，其特征在于，本装置包括：
反电动势观测模块，用于自输入电压和输入电流生成静止坐标系下感应电动势；
相位角调制模块，用于根据静止坐标系下感应电动势生成补偿角度，补偿角度用于修正电机给定电流相位角；
补偿电压计算模块，用于根据静止坐标系下感应电动势生成补偿电压，补偿电压用于增加电机输出电压。
10.如权利要求9所述的两相混合式步进电机中速转矩补偿装置，其特征在于：所述相位角调制模块包括
转速估算模块，用于根据静止坐标系下感应电动势估算转速，
低通滤波器，用于根据转速得到转速直流分量，
转矩脉动量提取模块，用于将转速和转速直流分量做差，得到转矩脉动量，
积分器，用于将转矩脉动量积分得到中速转矩补偿角度；
所述补偿电压计算模块包括
坐标转换模块，用于将静止坐标系下感应电动势转换为旋转坐标系下感应电动势，
低通滤波器，用于处理旋转坐标系下感应电动势，
反坐标转换模块，用于将低通滤波器处理后的旋转坐标系下感应电动势进行反坐标转换，
补偿电压计算模块用于计算补偿电压。
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