一种步进电机的干扰转矩测定方法及其低速振动抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种步进电机的干扰转矩测定方法及其低速振动抑制方法，干扰转矩的测定方法包括根据步进电机的干扰转矩的特征以及确定干扰转矩的频率、相位、幅值分别与振动幅度的关系；再通过二分法确定振动幅度最大时所对应的干扰转矩的频率，以及振动幅度最小时所对应的干扰转矩的相位、幅值；低速振动抑制方法是指在步进电机的定子电流的基波的基础上叠加注入谐波，其中注入谐波的频率和幅值等于干扰转矩的频率和幅值，注入谐波的相位与干扰转矩的相位相差180°。本发明专利技术通过运算量小的计算方法得到干扰转矩的各参数，再通过干扰转矩的参数向步进电机叠加注入谐波，抵消掉干扰转矩，使得步进电机在低速转动时避免出现共振现象。

【技术实现步骤摘要】
一种步进电机的干扰转矩测定方法及其低速振动抑制方法
本专利技术涉及电机驱动与控制
，尤其涉及一种步进电机的干扰转矩测定方法及其低速振动抑制方法。
技术介绍
现有的步进电机，尤其是混合步进电机，在运行的低速过程中，由于步进电机自有的干扰转矩，容易出现低速共振现象，此时不仅会产生很大噪音，也大大影响步进电机的性能，使得步进电机的寿命缩短。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种能够准确测定步进电机的干扰转矩的测定方法，还提供一种步进电机的低速振动抑制方法，并通过该测定方法确定的干扰转矩的频率、相位、幅值来向步进电机的定子电流的基波的基础上叠加注入谐波，从而达到抵消干扰转矩的目的，使得步进电机在低速转动时避免出现共振现象。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术公开了一种步进电机的干扰转矩的测定方法，包括：1)根据步进电机的干扰转矩的特征以及以下式，确定干扰转矩的频率、相位、幅值分别与振动幅度的关系，其中，ωfb(s)是步进电机的实际转速，Tf(s)是所述步进电机的干扰转矩，J是所述步进电机的转子及负载的转动惯量，B是所述步进电机转动的摩擦系数，kpp是所述步进电机的位置环的比例参数，kT是所述步进电机的转矩系数，s是拉普拉斯变换的复变量；2)通过二分法确定振动幅度最大时所对应的所述干扰转矩的频率，以及振动幅度最小时所对应的所述干扰转矩的相位、幅值。优选地，在根据二分法确定振动幅度最大时所对应的所述干扰转矩的频率之前，还包括：在所述干扰转矩的频率为[0Hz，1000Hz)之间，等间隔取A个值，分别为0Hz、然后比较所述干扰转矩的频率的A个值所对应的振动幅度，得出振动幅度为最大值时所对应的所述干扰转矩的频率为如果B＝0，则将[0Hz，]确定为采用二分法确定振动幅度最大时所对应的所述干扰转矩的频率的范围；如果B≠0，则将[]确定为采用二分法确定振动幅度最大时所对应的所述干扰转矩的频率的范围；其中A为大于1的正整数，B为大于等于0且小于A的整数。优选地，在根据二分法确定振动幅度最小时所对应的所述干扰转矩的相位之前，还包括：在干扰转矩的相位为[0°，360°)之间，等间隔取C个值，分别为0°、然后比较所述干扰转矩的相位的C个值所对应的振动幅度，得出振动幅度为最小值时所对应的干扰转矩的相位为将[]确定为采用二分法确定振动幅度最小时所对应的所述干扰转矩的相位的范围；其中C为大于1的正整数，D为大于等于0且小于C的整数。优选地，在根据二分法确定振动幅度最小时所对应的所述干扰转矩的幅值之前，还包括：在干扰转矩的幅值为[0％，20％)之间，等间隔取E个值，分别为0％、然后比较所述干扰转矩的幅值的E个值所对应的振动幅度，得出振动幅度为最小值时所对应的干扰转矩的幅值为如果F＝0，则将[0％，]确定为采用二分法确定振动幅度最小时所对应的所述干扰转矩的幅值的范围；如果F≠0，则将[％]确定为采用二分法确定振动幅度最小时所对应的所述干扰转矩的幅值的范围；其中E为大于1的正整数，F为大于等于0且小于E的整数。优选地，A取值为8、9或10。优选地，C取值为3、4或5。优选地，E取值为8、9或10。本专利技术另外还公开了一种步进电机的低速振动抑制方法，包括以下步骤：通过以上所述测定方法测定步进电机的干扰转矩的频率、相位和幅值；然后在所述步进电机的定子电流的基波的基础上叠加注入谐波，其中所述注入谐波的频率和幅值分别等于所述干扰转矩的频率和幅值，所述注入谐波的相位与所述干扰转矩的相位相差180°。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：本专利技术的测定方法通过使用实际转速的交流成分有效确定干扰转矩的频率、相位、幅值分别与振动幅度的关系，再通过二分法，快速地准确确定出振动幅度最大时所对应的所述干扰转矩的频率，以及振动幅度最小时所对应的所述干扰转矩的相位、幅值；在分析过程中占用MCU(微控制单元)存储空间小，并且MCU运算量很小。本专利技术的低速振动抑制方法根据上述测定方法所确定的干扰转矩的频率、相位、幅值来向步进电机的定子电流的基波的基础上叠加注入谐波，能达到有效抵消干扰转矩的目的，使得步进电机在低速转动时避免出现共振现象。在优选的方案中，测定干扰转矩的频率、相位、幅值时，在采用二分法之前先缩小振动幅值最大时所对应的干扰转矩的频率区间，以及振动幅度最小时所对应的干扰转矩的相位和幅值区间，更进一步地减小运算量，使得计算运行时间更短。附图说明图1是步进电机驱动器的控制结构框图；图2是步进电机驱动器的位置控制框图；图3是步进电机的电磁转矩产生机理示意图；图4是步进电机的电磁转矩的预测示意图；图5是步进电机的实际转速交流成分的估计示意图；图6是步进电机的干扰转矩的频率与振动幅度的关系示意图；图7是步进电机的注入谐波的相位与振动幅度的关系示意图；图8是步进电机的注入谐波的幅值与振动幅度的关系示意图。具体实施方式下面对照附图并结合优选的实施方式对本专利技术作进一步说明。步进电机的驱动器保证步进电机可以平稳和快速完成控制器要求的各种运动方式，如图1所示。从图中可知，控制器1以脉冲方式发送各种控制指令给步进电机的驱动器，其中步进电机的驱动器包括DSP(数字信号处理芯片)控制器21、PWM(脉冲宽度调制)斩波22和功率模块23，采用DSP控制器21完成步进电机的位置环电流环控制步进电机的低速振动抑制，PWM斩波22控制功率模块23的通断时间，进而达到控制步进电机及负载3的端电压，最终达到对给定电流的跟踪控制。位置环位于整个控制的最外环，完成位置跟随以及定位功能，其带宽直接决定了整个步进电机系统的最终性能。由于位置控制的实时控制，不是采用数字式的离散控制，也就不存在零阶保持器的系统环路延时；并且常用的步进电机的极对数为50，这样步进电机的刚性可以非常高。步进电机驱动器的位置控制如图2所示，其中PI控制器202为步进电机位置控制的控制单元，J为步进电机的转子及负载的转动惯量，B为摩擦系数，s是拉普拉斯变换的复变量，iq为转矩电流，Te为电磁转矩，Tf为干扰转矩(即为引起步进电机低速振动的激励源)，θref为给定位置，θfb为实际位置。从图2中可以看出，对给定位置θref通过低通滤波器201进行低通滤波，让步进电机运行更加平稳；θref-θfb为位置误差，位置误差经过PI控制器202和转矩系数203产生电磁转矩Te，电磁转矩Te减去干扰转矩Tf经过负载模型204和积分环节205产生负载真正的有效转矩。当步进电机的两相对称定子绕组由两相平衡正弦电压供电时，对每一相都可以写成一个电压平衡方程式，两相的电压平衡方程式相加，就可以合成空间矢量表示的步进电机定子电压方程式，如下：式(1)其中，Us是定子两相电压合成空间矢量，Is是定子两相电流合成空间矢量，是定子两相磁链合成空间矢量，Rs是定子等效电阻。分析时不计铁芯饱和的影响，并忽略主磁导中高次谐波的影响，电磁转矩Te的表达式如下：式(2)其中，p是步进电机的极对数，Is是定子两相电流合成空间矢量，是定子两相磁链合成空间矢量，是A相定子绕组的磁链，是B相定子绕组的磁链，IA是A相定子绕组的电流，IB是B相定子绕组的电流。步进电机的电磁转矩的产生机理如图3所示，转矩电流iq和励磁电流id经过Park逆变换301产生AB两相的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种步进电机的干扰转矩的测定方法，其特征在于，包括：1)根据步进电机的干扰转矩的特征以及以下式，确定干扰转矩的频率、相位、幅值分别与振动幅度的关系，ωfb(s)Tf(s)=sJs2+Bs+kpp·kT]]>其中，ωfb(s)是步进电机的实际转速，Tf(s)是所述步进电机的干扰转矩，J是所述步进电机的转子及负载的转动惯量，B是所述步进电机转动的摩擦系数，kpp是所述步进电机的位置环的比例参数，kT是所述步进电机的转矩系数，s是拉普拉斯变换的复变量；2)通过二分法确定振动幅度最大时所对应的所述干扰转矩的频率，以及振动幅度最小时所对应的所述干扰转矩的相位、幅值。

【技术特征摘要】
1.一种步进电机的干扰转矩的测定方法，其特征在于，包括：1)根据步进电机的干扰转矩的特征以及以下式，确定干扰转矩的频率、相位、幅值分别与振动幅度的关系，其中，ωfb(s)是步进电机的实际转速，Tf(s)是所述步进电机的干扰转矩，J是所述步进电机的转子及负载的转动惯量，B是所述步进电机转动的摩擦系数，kpp是所述步进电机的位置环的比例参数，kT是所述步进电机的转矩系数，s是拉普拉斯变换的复变量；2)通过二分法确定振动幅度最大时所对应的所述干扰转矩的频率，以及振动幅度最小时所对应的所述干扰转矩的相位、幅值；其中在根据二分法确定振动幅度最大时所对应的所述干扰转矩的频率之前，还包括：在所述干扰转矩的频率为[0Hz，1000Hz)之间，等间隔取A个值，分别为0Hz、……、然后比较所述干扰转矩的频率的A个值所对应的振动幅度，得出振动幅度为最大值时所对应的所述干扰转矩的频率为如果B＝0，则将确定为采用二分法确定振动幅度最大时所对应的所述干扰转矩的频率的范围；如果B≠0，则将确定为采用二分法确定振动幅度最大时所对应的所述干扰转矩的频率的范围；其中A为大于1的正整数，B为大于等于0且小于A的整数。2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，在根据二分法确定振动幅度最小时所对应的所述干扰转矩的相位之前，还包括：在干扰转矩的相位为[0°，360°)之间，等间隔取C个值，分别为0°、……、然后比较所述干扰转矩的相位的C个值所对应的振动幅度，得出振动幅度为最小值时所对应的干扰转矩的相位为将确定为采用二分法确定振动幅度最小时所对应的所述干扰转矩的相位的范围；其中C为大于1的正整数，D为大于等于0且小于C的整数。3.根据权利要求1或2所述的测定方法，其特征在于，在根据二分法确定振动幅度最小时所对应的所述干扰转矩的幅值之前，还包括：在干扰转矩的幅值为[0％，2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘营，张健，田天胜，李卫平，
申请(专利权)人：深圳市雷赛智能控制股份有限公司，深圳市雷赛软件技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44