[发明专利]基于特征频率观测器的永磁电机谐波扰动力矩抑制系统

说明书

基于特征频率观测器的永磁电机谐波扰动力矩抑制系统，伺服控制单元用于控制负载按指令角速度稳定旋转。谐波扰动力矩评价单元给控制伺服控制单元发送指令角速度，对伺服控制器输出的测量角速度进行频谱分析，将频谱分析得到的扰动力矩谐波次数N传送给谐波扰动力矩辨识单元、谐波扰动力矩抑制单元，作为谐波扰动力矩辨识和抑制的依据。谐波扰动力矩辨识单元使用相关积分法构造的特征频率观测器对谐波次数为N的扰动力矩进行精准辨识，得到谐波扰动力矩正弦量和谐波扰动力矩余弦量。谐波扰动力矩抑制单元根据谐波扰动力矩辨识单元得到的谐波扰动力矩正弦量和余弦量重构电机磁场不均匀性，并对电机不均匀磁场进行补偿，进而抑制电机谐波扰动力矩。

技术领域

本发明涉及基于特征频率观测器的永磁电机谐波扰动力矩抑制系统，适用于辨识电机磁场周期不均匀性，并对由其造成的谐波扰动力矩进行抑制，可大幅提高永磁伺服电机的控制精度。

背景技术

永磁伺服电机具有效率高、集成度高等特点，广泛应用于航天伺服控制领域。控制力矩陀螺靠改变转子角动量的方向输出力矩，用以调整航天器姿态。框架转速精度和稳定度直接影响控制力矩陀螺输出力矩精度和稳定度。永磁电机磁场非正弦畸变及齿槽气隙变化导致的谐波扰动力矩是框架伺服系统内扰力的主要来源，直接影响速度伺服系统的稳定度，进而降低控制力矩陀螺输出力矩精度和稳定度。

在永磁伺服电机中，齿槽气隙变化、磁通畸变等因素与框架角位置相关，产生电机磁场不均匀性，由其导致的电机扰动力矩有严格的周期特性，称为电机谐波扰动力矩。周期性扰动力矩将引起同频的周期性的速度控制误差。

现有电机磁场不均匀性测量一般使用外部力矩传感器实现，高次谐波不均匀磁场需要密集描点，操作不便，精度亦无法保证。现有永磁电机谐波扰动力矩抑制系统以干扰观测器、自抗扰控制器等为主，未专门针对特定谐波的扰动力矩；同时，这些扰动力矩抑制方法加入闭环控制才能起作用，改变了原系统稳定性，需要重新进行稳定性分析。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了基于特征频率观测器的永磁电机谐波扰动力矩抑制系统，辨识由齿槽气隙变化、磁通畸变等因素导致电机磁场不均匀性，并对由其造成的谐波扰动力矩进行补偿和抑制，进而提高伺服系统控制精度和稳定度。

本发明的技术解决方案是：基于特征频率观测器的永磁电机谐波扰动力矩抑制系统，包括伺服控制单元、谐波扰动力矩评价单元、谐波扰动力矩辨识单元和谐波扰动力矩抑制单元；

所述伺服控制单元用于控制负载按指令角速度稳定旋转；

所述谐波扰动力矩评价单元用于向控制伺服控制单元发送指令角速度，对伺服控制器输出的测量角速度进行频谱分析，将频谱分析得到的扰动力矩谐波次数N传送给谐波扰动力矩辨识单元和谐波扰动力矩抑制单元，作为谐波扰动力矩辨识和抑制的依据；

所述谐波扰动力矩辨识单元使用特征频率观测器对谐波次数为N的扰动力矩进行辨识，得到谐波扰动力矩正弦量和谐波扰动力矩余弦量；

所述谐波扰动力矩抑制单元根据谐波扰动力矩辨识单元得到的谐波扰动力矩正弦量和余弦量重构电机磁场不均匀性，并对电机不均匀磁场进行补偿，进而抑制电机谐波扰动力矩。

进一步地，所述伺服控制单元包括速度环控制器、电流环控制器、功率放大器、伺服电机、角位置传感器、微分器；所述角位置传感器测量负载角位置得到测量角位置θ，送入微分器进行微分处理后得到控制角速度Vel_ctr，将控制角速度Vel_ctr与指令角速度Vel_zl作差处理得到角速度控制误差Vel_e兵发送至速度环控制器；速度环控制器根据角速度控制误差Vel_e进行运算得到速度环控制量Ctr_vel，与电流传感器检测伺服电机绕组电流Cur_coil相减得到电流控制误差Cur_e并送入到电流环控制器进行运算得到电流环控制量Ctr_cur，送入功率放大器进行功率放大，将放大的电流环控制量Ctr_cur转化为控制电流给伺服电机，伺服电机输出力矩驱动负载跟踪指令角速度Vel_zl。