永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于小波信號(hào)分析的永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩測量方法，包括轉(zhuǎn)矩傳感器對(duì)被測永磁電機(jī)進(jìn)行檢測；信號(hào)預(yù)處理模塊對(duì)所述傳感信號(hào)進(jìn)行調(diào)理；信號(hào)采集模塊根據(jù)預(yù)設(shè)的采樣頻率fs和采樣點(diǎn)數(shù)N，提取出調(diào)理后的傳感信號(hào)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出頻率f＝fs/N，并計(jì)算出所述被測永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)；特征提取模塊對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行多分辨率分解，獲得所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)的小波系數(shù)，并對(duì)所述小波系數(shù)進(jìn)行修正；采用修正后的小波系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，獲得所述被測永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)。本發(fā)明的方法易于實(shí)現(xiàn)、測量難度低、測量精度高且成本低。
【專利說明】
永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及永磁電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn) 矩的測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著永磁材料性能的不斷提高，永磁電機(jī)越來越廣泛的應(yīng)用于高性能速度與位置 機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、電子制造、電梯等領(lǐng)域。然而，在永磁電機(jī)中，永磁 體與有槽電樞鐵心相互作用，不可避免的會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，其結(jié)果導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，引起振動(dòng) 和噪聲，影響了系統(tǒng)的控制精度。
[0003] 齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)特有的問題，是與位置相關(guān)的物理量，在電機(jī)制造完成之后 將不會(huì)改變。齒槽轉(zhuǎn)矩是高性能永磁電機(jī)設(shè)計(jì)和制造中必須考慮和解決的關(guān)鍵性問題。在 高性能機(jī)電伺服系統(tǒng)中，較大齒槽轉(zhuǎn)矩的永磁電機(jī)不能滿足高性能控制的要求。例如，高速 高精數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等系統(tǒng)中的永磁電機(jī)設(shè)計(jì)，其基本需求就是低齒槽轉(zhuǎn)矩，因?yàn)檫^ 高的齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)影響定位精度。永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩測量，目前國內(nèi)通常采用兩種方法:一 是杠桿測量法。這種方法簡單、直觀、易于實(shí)現(xiàn)，但精度難以保證，只能反應(yīng)齒槽轉(zhuǎn)矩的大概 信息，在測量精度要求高的場合下無法使用。二是使用步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)測量法，也即常用的 對(duì)拖法。其具體測量方式為:采用一臺(tái)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)非常小的步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)高減速比的減速 機(jī)，通過連接減速機(jī)使得待測電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，用轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀測量轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，即為齒 槽轉(zhuǎn)矩。此方法要求轉(zhuǎn)矩傳感器精度高，測量方法復(fù)雜，儀器成本高，且測試功能單一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種易于實(shí)現(xiàn)的永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方 法，降低永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)的成本，提高其測量精度。
[0005] 為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩測量方法，包括：
[0006] 步驟101:轉(zhuǎn)矩傳感器對(duì)被測永磁電機(jī)進(jìn)行檢測，將所述轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的傳感信 號(hào)發(fā)送至信號(hào)預(yù)處理模塊；
[0007] 步驟102:所述信號(hào)預(yù)處理模塊對(duì)所述傳感信號(hào)進(jìn)行調(diào)理；
[0008] 步驟103:信號(hào)采集模塊根據(jù)預(yù)設(shè)的采樣頻率fs和采樣點(diǎn)數(shù)N，提取出調(diào)理后的傳 感信號(hào)中的實(shí)測轉(zhuǎn)矩輸出頻率值f = f S/N;
[0009] 步驟104:所述信號(hào)采集模塊根據(jù)轉(zhuǎn)換公式M = AX(f-f〇)/(fP-f〇)，計(jì)算出所述被 測永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)M;其中，A為轉(zhuǎn)矩滿量程，f為實(shí)測轉(zhuǎn)矩輸出頻率值，f Q為轉(zhuǎn)矩零點(diǎn)輸 出頻率值，fp為正向滿量程輸出頻率值；
[0010] 步驟105:所述信號(hào)采集模塊將采集得到的所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳輸至特征提取模塊;所 述轉(zhuǎn)矩信號(hào)包括齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)；
[0011]步驟106:所述特征提取模塊利用離散小波變換對(duì)所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行多分辨率分 解，獲得所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)的小波系數(shù)；
[0012] 步驟107:所述特征提取模塊根據(jù)所述被測永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)的脈動(dòng)頻率， 對(duì)所述小波系數(shù)進(jìn)行修正；
[0013] 步驟108:所述特征提取模塊采用修正后的小波系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，獲得所述被測 永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)。
[0014] 優(yōu)選地，所述信號(hào)預(yù)處理模塊包括:依次連接的電壓跟隨器、信號(hào)放大電路、濾波 器和整形電路;所述步驟102具體包括：
[0015] 步驟201:所述電壓跟隨器對(duì)所述傳感信號(hào)的電壓值進(jìn)行調(diào)整，以使所述電壓跟隨 器的輸出電壓與輸入電壓相匹配；
[0016] 步驟202:所述信號(hào)放大電路對(duì)所述電壓跟隨器輸出的傳感信號(hào)進(jìn)行放大；
[0017] 步驟203:所述濾波器對(duì)放大處理后的傳感信號(hào)中的干擾信號(hào)進(jìn)行過濾；
[0018] 步驟204:所述整形電路將濾波后的傳感信號(hào)整形為矩形脈沖信號(hào)，并提供給數(shù)據(jù) 采集卡。
[0019] 在一種優(yōu)選的實(shí)施方式當(dāng)中，所述濾波器為采用硬件電路實(shí)現(xiàn)的二階有源低通濾 波器。
[0020] 在另一種優(yōu)選的實(shí)施方式當(dāng)中，所述濾波器采用軟件濾波的方式對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行 濾波。
[0021] 優(yōu)選地，所述步驟106具體包括：
[0022] 步驟601:所述特征提取模塊待所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)的采樣率滿足采樣定理之后，將采集 到的信號(hào)占據(jù)的總頻帶定義為空間Vo,所述總頻帶為0~f s/2;經(jīng)一級(jí)分解后，將Vo劃分為低 頻子空間乂:和高頻子空間W1;，所述頻帶為0~f s/4,所述W1頻帶為fs/4~fs/2;
[0023] 步驟602:經(jīng)過二級(jí)分解后，將所述￥1分解為低頻子空間V2和高頻子空間W2，所述V 2 的頻帶為〇~fs/8,所述W2的頻帶Sfs/8~fs/4;如此類推，將頻率子空間剖分為:Vo = V1* ffi,Vi = V2?ff2,……，Vj-i = Vj?Wj，因此：
[0024] Vo=Wi ? W2 ? W3......Wj ? Vj
[0025] 其中，各Wj是反映 Vj-沒間信號(hào)細(xì)節(jié)的高頻子空間，Vj是反映 V^1空間信號(hào)細(xì)節(jié)的低 頻子空間，Wj為Vj在正交補(bǔ)空間；
[0026] 步驟603:由多分辨分析和空間正交分解理論
?其中J為任意尺 1234 度，將信號(hào)x(t) EL2(R)在空間L2(R)上展開，得到如下表達(dá)式：
2 3 4
[0031] 進(jìn)而分解得到小波系數(shù) 為：
[0032]
[0033]
[0034] 其中，k = 0，l，2-_n_l，表示平移位置;j對(duì)應(yīng)信號(hào)的頻率范圍；cj+1,k，dj+1,k為所述 小波系數(shù);h (k)為低通濾波器取樣響應(yīng);g (k)為高通濾波器取樣響應(yīng);％I (0為尺度函數(shù)； tkU)為小波函數(shù)。
[0035] 優(yōu)選地，所述步驟107包括以下步驟：
[0036]步驟701:根據(jù)所述被測永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速V和齒槽數(shù)量Z，計(jì)算出所述被測永磁電機(jī) 的齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率f C = V X Z/60;
[0037] 步驟702:根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出頻率f和所述齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率f。，選擇小波;并 確定小波分解的層數(shù)η，其中n>0;
[0038] 步驟703:對(duì)所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行1到η層的離散小波變換，分解得到各層的小波系 數(shù)；
[0039]步驟704:保留與所述齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率f。相對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)的分量，并將其余頻 段對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)的分量置零，獲得修正后的小波系數(shù)。
[0040] 優(yōu)選地，所述小波為多貝西小波。
[0041] 優(yōu)選地，所述步驟108包括以下步驟：
[0042]步驟801:利用小波的多分辨率特性，查找齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率段所對(duì)應(yīng)的頻段信 號(hào)；
[0043]步驟802:令除所述對(duì)應(yīng)的頻段信號(hào)外的其余頻段信號(hào)為零，處理得到新的小波系 數(shù)；
[0044] 步驟803:通過以下方程利用所述小波系數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)：
[0045]
[0046] 其中，(^k為齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)，重構(gòu)得到的信號(hào)即為齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)。
[0047] 本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案，其有益效果是可對(duì)一般常用的轉(zhuǎn)矩傳感器的傳感 信號(hào)進(jìn)行處理，利用信號(hào)采集模塊和數(shù)據(jù)采集卡提取被測永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)，并根據(jù)小 波分解的多分辨率特性，采用特征提取模塊和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)轉(zhuǎn)矩信 號(hào)進(jìn)行小波分解，并提取與轉(zhuǎn)矩信號(hào)中的齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率相匹配的小波系數(shù)進(jìn)行小波重 構(gòu)，最終獲得被測永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)，測量精度高而易于實(shí)現(xiàn)，且可將數(shù)據(jù)采集卡輸 出的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)輸出的齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出到顯示器中進(jìn)行顯示，測量更加 直觀且可實(shí)時(shí)反映測量信號(hào)的參數(shù)情況。
【附圖說明】
[0048] 圖1是本發(fā)明提供的一種永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩測量方法的一個(gè)實(shí)施例流程示意圖；
[0049] 圖2是圖1所示的步驟S102的一種可實(shí)現(xiàn)方式的流程示意圖；
[0050] 圖3是圖1所示的步驟S106的一種可實(shí)現(xiàn)方式的流程示意圖；
[00511圖4是圖1所示的步驟S107的一種可實(shí)現(xiàn)方式的流程示意圖；
[0052]圖5是本發(fā)明提供的系統(tǒng)測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0053] 圖6是信號(hào)預(yù)處理模塊的一種硬件電路連接圖；
[0054] 圖7是電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述。
[0056] 參見圖1，是本發(fā)明提供的一種永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方法的一個(gè)實(shí)施例的流 程不意圖。
[0057]在本實(shí)施例中，通過利用轉(zhuǎn)矩傳感器、信號(hào)預(yù)處理模塊、信號(hào)采集模塊與特征提取 模塊、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成的測量裝置，所述的永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方法，包括以下步 驟SlOl~步驟S108:
[0058]步驟SlOl:轉(zhuǎn)矩傳感器檢測被測永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，將所述轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的傳感 信號(hào)發(fā)送至信號(hào)預(yù)處理模塊。
[0059]步驟S102:所述信號(hào)預(yù)處理模塊對(duì)所述傳感信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。具體地，其信號(hào)調(diào)理過 程包括信號(hào)跟隨、信號(hào)放大、信號(hào)濾波和信號(hào)整形，其預(yù)處理或調(diào)理的目的在于，使得信號(hào) 預(yù)處理模塊輸出的信號(hào)符合下一級(jí)處理模塊的輸入信號(hào)的要求。
[0060] 在一種可實(shí)現(xiàn)的方式中，信號(hào)預(yù)處理模塊由硬件電路構(gòu)成。
[0061] 參看圖2,是圖1所示的步驟S102的一種可實(shí)現(xiàn)方式的流程示意圖。
[0062] 所示的信號(hào)預(yù)處理模塊包括依次連接的電壓跟隨器、信號(hào)放大電路、濾波器和整 形電路。
[0063] 則所述步驟S102,具體包括步驟S201~步驟S204:
[0064] 步驟S201:所述電壓跟隨器對(duì)所述傳感信號(hào)的電壓值進(jìn)行調(diào)整，以使所述電壓跟 隨器的輸出電壓與輸入電壓相匹配。電壓跟隨器是使得輸出電壓與輸入電壓相同的電路， 其特點(diǎn)是輸入阻抗高、輸出阻抗低，因而電壓跟隨器可作為前級(jí)電路與后級(jí)電路的緩沖級(jí) 及隔尚級(jí)，從而提尚電路的負(fù)載能力。
[0065]步驟S202:所述信號(hào)放大電路對(duì)所述電壓跟隨器輸出的傳感信號(hào)進(jìn)行合理放大。 在本實(shí)施例中，對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行放大的目的是為了便于后級(jí)電路信號(hào)采集模塊的處理，以 得到盡可能高的精度。具體實(shí)施時(shí)，在信號(hào)源幅值附近對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行放大，噪聲的破壞作 用將降低。優(yōu)選地，傳感信號(hào)放大的幅值以信號(hào)采集模塊的最大輸入范圍為準(zhǔn)。
[0066]步驟S203:所述濾波器對(duì)放大處理后的傳感信號(hào)中的干擾信號(hào)進(jìn)行過濾。具體實(shí) 施時(shí)，由于測量現(xiàn)場有電機(jī)等電氣設(shè)備的高頻干擾，當(dāng)被測信號(hào)很弱時(shí)，就會(huì)被干擾信號(hào) (噪聲等)覆蓋，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)存在誤差。根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器輸出信號(hào)特性，可設(shè)計(jì)硬件電 路實(shí)現(xiàn)二階有源低通濾波器，濾除傳感信號(hào)中不需要的成分或者噪聲。
[0067] 可選地，在本實(shí)施例中，也可采用軟件濾波的方式，將采集得到的傳感信號(hào)利用 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)軟件，即實(shí)驗(yàn)室虛擬 儀器工程工作臺(tái)，其中的濾波模塊對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行濾波。
[0068] 步驟S204:所述整形電路將濾波后的傳感信號(hào)整形為矩形脈沖信號(hào)。具體實(shí)施時(shí)， 經(jīng)轉(zhuǎn)矩傳感器和濾波器處理后的傳感信號(hào)往往是鋸齒波或非標(biāo)準(zhǔn)的方波，這種波形的傳感 信號(hào)輸送至信號(hào)采集模塊后，采集得到的轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出頻率等數(shù)據(jù)將會(huì)形成誤差。因此，在 對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩信號(hào)采集之前，需要設(shè)計(jì)整形電路對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行整形。
[0069] 步驟S103:信號(hào)采集模塊根據(jù)預(yù)設(shè)的采樣頻率fs和采樣點(diǎn)數(shù)N，提取出調(diào)理后的傳 感信號(hào)中的實(shí)測轉(zhuǎn)矩輸出頻率值f，其中f = fs/N。具體地，信號(hào)采集模塊通過數(shù)據(jù)采集卡來 實(shí)現(xiàn)，優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集卡選取NI (National Instruments)即美國國家儀器公司的 PCI-6251多功能數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。
[0070] 具體地，在對(duì)實(shí)測轉(zhuǎn)矩輸出頻率值f進(jìn)行提取時(shí)，根據(jù)預(yù)設(shè)的采樣頻率匕和采樣點(diǎn) 數(shù)N，即可得到對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)的采樣時(shí)間T = N/fs，即在時(shí)間間隔T采集得到一個(gè)轉(zhuǎn)矩值，因此， 轉(zhuǎn)矩信號(hào)的輸出頻率f = I /T。
[0071] 本實(shí)施例中，考慮到后續(xù)對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)分析時(shí)，若采樣頻率不能被采樣點(diǎn)數(shù)整除，將 會(huì)造成能量泄露，幅值失真。因此，采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率比值最好預(yù)設(shè)為整數(shù)。譬如，在測量 過程中，當(dāng)數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率fS為1.25MHz (兆赫茲)時(shí)，可設(shè)采樣點(diǎn)數(shù)為1250點(diǎn)，計(jì)算 得到采樣周期為Ims (毫秒）。即每Ims傳送一個(gè)轉(zhuǎn)矩值，對(duì)應(yīng)得到轉(zhuǎn)矩值的輸出頻率為 1000Hz (赫茲）。永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為10轉(zhuǎn)/分鐘。則電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需時(shí)間為6秒。該段時(shí)間采 集到的轉(zhuǎn)矩值的個(gè)數(shù)為6000個(gè)。具體實(shí)施時(shí)，可將采集到的轉(zhuǎn)矩信號(hào)的波形數(shù)據(jù)以電子表 格的形式保存至主機(jī)硬盤的指定位置。
[0072]具體實(shí)施時(shí)，PCI-6251多功能數(shù)據(jù)采集卡既可以采用模擬輸入的方式也可以采用 計(jì)數(shù)器的方式對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行采集。當(dāng)采用模擬輸入的方式時(shí)，將轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的脈沖 信號(hào)通過模擬通道采集到計(jì)算機(jī);通過設(shè)置采樣數(shù)和采樣頻率，使采樣時(shí)間內(nèi)包含若干個(gè) 脈沖周期，通過數(shù)據(jù)采集卡模擬信號(hào)輸入通道將脈沖信號(hào)完整采集進(jìn)來后，利用LabVIEW里 面的提取單頻信息子VI可獲得轉(zhuǎn)矩信號(hào)的輸出頻率。當(dāng)采用計(jì)數(shù)器的方式進(jìn)行測量時(shí)，設(shè) 定測量頻率范圍的最大值及最小值，利用測量工程函數(shù)進(jìn)行頻率計(jì)算，每次循環(huán)測量多個(gè) 頻率值，并將測得的多個(gè)頻率的平均值作為采集到所需信號(hào)。
[0073]步驟S104:所述信號(hào)采集模塊根據(jù)轉(zhuǎn)換公式M=AX (f-fo)/(fP-fQ)，計(jì)算出所述被 測永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)M。其中，A為轉(zhuǎn)矩滿量程，fo為轉(zhuǎn)矩零點(diǎn)輸出頻率值，fP為正向滿量程 輸出頻率值。在本實(shí)施例中，所述的轉(zhuǎn)矩信M> 0時(shí)，為正向轉(zhuǎn)矩輸出值;轉(zhuǎn)矩信號(hào)M<0時(shí)，為 反向轉(zhuǎn)矩輸出值。
[0074]步驟S105:所述信號(hào)采集模塊將采集得到的所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳送至特征提取模塊； 所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)包括齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)。
[0075]步驟S106:所述特征提取模塊利用離散小波變換對(duì)所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行多分辨率分 解，獲得所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)的小波系數(shù)。具體實(shí)施時(shí)，可通過在LabVIEW中調(diào)用MATLAB(Matrix Laboratory)軟件工作平臺(tái)，通過編程實(shí)現(xiàn)小波變換混合特征信號(hào)的算法，對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行 小波分解，獲得轉(zhuǎn)矩信號(hào)的小波系數(shù)。
[0076] MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì) 算語言和交互式環(huán)境。
[0077]參看圖3,是本發(fā)明實(shí)施例提供的利用離散小波變換對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行多分辨率分 析的一種可實(shí)現(xiàn)方式的步驟流程圖。
[0078]具體實(shí)施時(shí)，利用離散小波變換對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行多分辨率分析時(shí)，其具體分解過 程是：
[0079]步驟S601:所述特征提取模塊待所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)采樣率滿足采樣定理之后，將采集 到的信號(hào)占據(jù)的總頻帶(如頻帶為O~fs/2)定義為空間Vo,經(jīng)一級(jí)分解后Vo被劃分為兩個(gè)子 空間:低頻子空間VK頻帶為0~fs/4)和高頻子空間W1(頻帶Sfs/4~f s/2)。
[0080] 步驟S602:經(jīng)過二級(jí)分解后％又被分解為低頻的V2(頻帶為0~fs/8)和高頻子空間 w2(頻帶為fs/8~fs/4)，如此類推。這種頻率子空間的剖分如下：
[0081]
[0082]
[0083] 步驟S603:由多分辨分析和空間正交分解理論， 其中J任意尺 度，將信號(hào)x(t) EL2(R)在空間L2(R)上展開，得到如下表達(dá)；tv:
[0084]
:( 2 )
[0085]其中，雙尺度方程為：
[0086] ).
[0087] )
[0088] 進(jìn)而分解得到的小波系數(shù) 為：
[0089] ( 5 )
[0090] ( .6 )
[0091] 其中，k = 0，l，2…n-1，表示平移位置，只需在有限范圍內(nèi)取值;j對(duì)應(yīng)信號(hào)的頻率 范圍；Cj+i,k，dj+i,k為所述小波系數(shù);h(k)為低通濾波器取樣響應(yīng);g(k)為高通濾波器取樣響 應(yīng);&〇)為尺度函數(shù);Ut)為小波函數(shù)。
[0092]離散小波變換的多分辨率分析，將各種不同頻率組成的混合信號(hào)（如轉(zhuǎn)矩信號(hào))分 解為不同頻段的信號(hào)，對(duì)信號(hào)具有按頻帶處理能力。
[0093]步驟S107:所述特征提取模塊并根據(jù)所述被測永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)的脈動(dòng)頻 率，對(duì)所述小波系數(shù)進(jìn)行修正。具體實(shí)施時(shí)，通過方程(5)和方程(6)的計(jì)算后，得到轉(zhuǎn)矩信 號(hào)小波系數(shù);再根據(jù)轉(zhuǎn)矩信號(hào)中的齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)的脈動(dòng)頻率，提取轉(zhuǎn)矩信號(hào)的小波系數(shù)中 與齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)脈動(dòng)頻率相匹配的小波系數(shù)分量，并把其它小波系數(shù)分量置零，以修正小 波系數(shù)。
[0094] 參看圖4,是圖1所示的步驟S107的一種可實(shí)現(xiàn)方式的流程示意圖。
[0095] 具體地，所述步驟S107包括以下步驟S701~步驟S704:
[0096]步驟S701:根據(jù)所述被測永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速V和齒槽數(shù)量Z，計(jì)算出所述被測永磁電 機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率f c = v*Z/60。
[0097] 步驟S702:根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出頻率f和所述齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率f。，選擇小波； 并確定小波分解的層數(shù)η，其中η > 0。
[0098] 在本實(shí)施例中，優(yōu)選地，所述小波為多貝西小波(Daubechies Wavelet)。多貝西小 波也稱為DB小波，它是具有高消失矩的緊支集正交的小波，在信號(hào)的壓縮、去噪和奇異性檢 測方面有重要作用。
[0099] 具體地，在齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率f。獲得后，小波分解的層數(shù)η的對(duì)小波進(jìn)行選取后可 以進(jìn)行確定。一個(gè)信號(hào)長度為m的信號(hào)最多可分解為11 = 1(^2111層，每一層均有相應(yīng)的頻段。 具體實(shí)施時(shí)，可以通過計(jì)算獲得各個(gè)頻段范圍，再根據(jù)齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率找出其所在頻段， 從而確定小波變換所需分解的層數(shù)η。
[0100] 步驟S703:對(duì)所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行1到η層的離散小波變換，分解得到各層的小波系 數(shù)。
[0101] 步驟S704:保留與所述齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率f。相對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)的分量，并將其余 頻段對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)的分量置零，獲得修正后的小波系數(shù)。
[0102] 進(jìn)一步地，所述永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方法還包括步驟S108:所述特征提取模 塊采用修正后的小波系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，獲得所述被測永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)。
[0103] 在一種可實(shí)現(xiàn)的方式，所述步驟S108具體包括以下步驟S801~S803:
[0104]步驟S801:利用小波的多分辨率特性，找到齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率段所對(duì)應(yīng)的頻段信 號(hào)。
[0105] 步驟S802:令除所述對(duì)應(yīng)的頻段信號(hào)外的其余頻段信號(hào)為零，處理得到新的小波 系數(shù)，重構(gòu)得到的信號(hào)即為齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)。
[0106] 步驟S803:通過以下方程利用所述小波系數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)：
[0107]
( 7 )
[0108] 小波重構(gòu)過程是分解過程的逆運(yùn)算，重構(gòu)得到的信號(hào)即為齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)。
[0109]如圖5所示，為進(jìn)一步驗(yàn)證本實(shí)施例提出的磁槽轉(zhuǎn)矩測量方法的有效性，本實(shí)施例 構(gòu)建了以LabVIEW為上位機(jī)軟件的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)測試平臺(tái)，其中主要部分有:磁粉制動(dòng) 器、JN338智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、NI PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡、SCB-68接線盒、廣州數(shù)控 設(shè)備有限公司的GSK SJT系列的永磁電機(jī)以及配套的DAHOl系列伺服驅(qū)動(dòng)器，其中JN338轉(zhuǎn) 矩轉(zhuǎn)速傳感器的參數(shù)為:轉(zhuǎn)矩量程30N.m，齒數(shù)60齒，準(zhǔn)確度0.5級(jí)，線性度< 0.5%F · S;被 測對(duì)象的永磁電機(jī)參數(shù)為:額定功率1.5kW，額定轉(zhuǎn)速2500r/min，額定轉(zhuǎn)矩6N.m，齒槽數(shù)60。
[0110] 在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟硬件部分設(shè)計(jì)完畢后，進(jìn)行永磁電機(jī)磁槽轉(zhuǎn)矩測量實(shí)驗(yàn)。利用 JN338轉(zhuǎn)矩傳感器對(duì)被測永磁電機(jī)進(jìn)行檢測，并利用圖6所示信號(hào)預(yù)處理模塊對(duì)所測傳感信 號(hào)進(jìn)行調(diào)理。根據(jù)預(yù)設(shè)的采樣頻率f s和采樣點(diǎn)數(shù)N，提取出調(diào)理后的傳感信號(hào)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸 出頻率f = fs/N，并計(jì)算出所述被測永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)。根據(jù)公式對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行多分辨 率分解，計(jì)算出所測轉(zhuǎn)矩信號(hào)的小波系數(shù)，并對(duì)所述小波系數(shù)進(jìn)行修正，然后對(duì)修正后的小 波系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，獲得所述被測永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)。
[0111] 首先通過伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置使得電機(jī)轉(zhuǎn)速恒為10r/min，在LabVIEW上位機(jī)軟件中將 PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率設(shè)為600KHz，采集點(diǎn)數(shù)設(shè)為600,根據(jù)公式f = fs/N，計(jì)算出 實(shí)測轉(zhuǎn)矩輸出頻率為1000 Hz，經(jīng)過頻率與轉(zhuǎn)矩?fù)Q算公式M = AX (f-fQ)/(fP-f〇)計(jì)算出所述 被測永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)。
[0112]然后根據(jù)步驟S106根據(jù)所測轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行利用離散小波變換對(duì)所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn) 行多分辨率分解獲得轉(zhuǎn)矩信號(hào)的小波系數(shù)，并通過步驟S107對(duì)所獲小波系數(shù)進(jìn)行修正，最 后通過步驟S108對(duì)修正后小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，得到齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)，波形如圖7所示。
[0113] 本發(fā)明實(shí)施例提供的一種永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方法，可對(duì)普通精度的轉(zhuǎn)矩傳 感器的傳感信號(hào)進(jìn)行處理，無需搭配價(jià)格昂貴的高精度轉(zhuǎn)矩傳感器來使用，利用信號(hào)采集 模塊或數(shù)據(jù)采集卡提取傳感信號(hào)中的微弱轉(zhuǎn)矩信號(hào)，并根據(jù)小波分解的多分辨率特性，經(jīng) MTLAB平臺(tái)對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行小波分解，并提取與轉(zhuǎn)矩信號(hào)中的齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率相匹配的 小波系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，最終獲得被測永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)，測量精度高且易于實(shí)現(xiàn)。
[0114] 以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟101:轉(zhuǎn)矩傳感器對(duì)被測永磁電機(jī)進(jìn)行檢測，將所述轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的傳感信號(hào)發(fā) 送至信號(hào)預(yù)處理模塊； 步驟102:所述信號(hào)預(yù)處理模塊對(duì)所述傳感信號(hào)進(jìn)行調(diào)理； 步驟103:信號(hào)采集模塊根據(jù)預(yù)設(shè)的采樣頻率fs和采樣點(diǎn)數(shù)N，提取出調(diào)理后的傳感信號(hào) 中的實(shí)測轉(zhuǎn)矩輸出頻率值f = f s/N; 步驟104:所述信號(hào)采集模塊根據(jù)轉(zhuǎn)換公式M=AX(f-f〇)/(fp-f〇)，計(jì)算出所述被測永 磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)M;其中，A為轉(zhuǎn)矩滿量程，f為實(shí)測轉(zhuǎn)矩輸出頻率值，fo為轉(zhuǎn)矩零點(diǎn)輸出頻 率值，fp為正向滿量程輸出頻率值； 步驟105:所述信號(hào)采集模塊將采集得到的所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳輸至特征提取模塊;所述轉(zhuǎn) 矩信號(hào)包括齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)； 步驟106:所述特征提取模塊利用離散小波變換對(duì)所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行多分辨率分解，獲 得所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)的小波系數(shù)； 步驟107:所述特征提取模塊根據(jù)所述被測永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)的脈動(dòng)頻率，對(duì)所 述小波系數(shù)進(jìn)行修正； 步驟108:所述特征提取模塊采用修正后的小波系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，獲得所述被測永磁 電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)。2. 如權(quán)利要求1所述的永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方法，其特征在于，所述信號(hào)預(yù)處理模 塊包括:依次連接的電壓跟隨器、信號(hào)放大電路、濾波器和整形電路;所述步驟102具體包 括： 步驟201:所述電壓跟隨器對(duì)所述傳感信號(hào)的電壓值進(jìn)行調(diào)整，W使所述電壓跟隨器的 輸出電壓與輸入電壓相匹配； 步驟202:所述信號(hào)放大電路對(duì)所述電壓跟隨器輸出的傳感信號(hào)進(jìn)行放大； 步驟203:所述濾波器對(duì)放大處理后的傳感信號(hào)中的干擾信號(hào)進(jìn)行過濾； 步驟204:所述整形電路將濾波后的傳感信號(hào)整形為矩形脈沖信號(hào)，并提供給數(shù)據(jù)采集 卡。3. 如權(quán)利要求2所述的永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方法，其特征在于，所述濾波器為采用 硬件電路實(shí)現(xiàn)的二階有源低通濾波器。4. 如權(quán)利要求2所述的永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方法，其特征在于，所述濾波器采用軟 件濾波的方式對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行濾波。5. 如權(quán)利要求1所述的永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方法，其特征在于，所述步驟106具體 包括： 步驟601:所述特征提取模塊待所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)的采樣率滿足采樣定理之后，將采集到的 信號(hào)占據(jù)的總頻帶定義為空間Vo,所述總頻帶為0~fs/2;經(jīng)一級(jí)分解后，將Vo劃分為低頻子 空間Vi和高頻子空間Wi;，所述Vi的頻帶為0~fs/4,所述Wi頻帶為fs/4~fs/2; 步驟602:經(jīng)過二級(jí)分解后，將所述Vi分解為低頻子空間V2和高頻子空間W2，所述V2的頻 帶為0~fs/8,所述恥的頻帶為fs/8~fs/4;如此類推，將頻率子空間剖分為:Vo = VieWi，Vi = V2?W2,......，Vw = Vj?Wj，因此： Vo=Wi?W2?W3......Wj? Vj 其中，各w堤反映 Vw空間信號(hào)細(xì)節(jié)的高頻子空間，V堤反映 Vw空間信號(hào)細(xì)節(jié)的低頻子 空間，Wj為V迪Vj-1的正交補(bǔ)空間； 步驟603:由多分辨分析和空間正交分解理論：，其中J為任意尺度， 將信號(hào)x(t)EL2(R)在空間L2(R)上展開，得到如下表達(dá)式： 其中，雙尺度方程為：i的、Cj.+L。=^/^吟+。,)山+1,。=&，4^,?！颠M(jìn)而分解得到小波系數(shù)為：其中，k = 0，l，2'''n-l，表示平移位置;j對(duì)應(yīng)信號(hào)的頻率范圍；cj+i,k，cU,功所述小波系 數(shù);Mk)為低通濾波器取樣響應(yīng);g化)為高通濾波器取樣響應(yīng);為尺度函數(shù);4ik(t)為 小波函數(shù)。6. 如權(quán)利要求1所述的永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方法，其特征在于，所述步驟107包括 W下步驟： 步驟701:根據(jù)所述被測永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速V和齒槽數(shù)量Z，計(jì)算出所述被測永磁電機(jī)的齒 槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率f c = V X Z/60; 步驟702:根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)輸出頻率f和所述齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率f。，選擇小波;并確定 小波分解的層數(shù)n，其中n〉0; 步驟703:對(duì)所述轉(zhuǎn)矩信號(hào)進(jìn)行1到η層的離散小波變換，分解得到各層的小波系數(shù)； 步驟704:保留與所述齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率f。相對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)的分量，并將其余頻段對(duì) 應(yīng)的小波系數(shù)的分量置零，獲得修正后的小波系數(shù)。7. 如權(quán)利要求6所述的永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方法，其特征在于，所述小波為多貝西 小波。8. 如權(quán)利要求1所述的永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的測量方法，其特征在于，所述步驟108包括 W下步驟： 步驟801:利用小波的多分辨率特性，查找齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率段所對(duì)應(yīng)的頻段信號(hào)； 步驟802:令除所述對(duì)應(yīng)的頻段信號(hào)外的其余頻段信號(hào)為零，處理得到新的小波系數(shù)； 步驟803:通過W下方程利用所述小波系數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)：其中，Cj,k為齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)，重構(gòu)得到的信號(hào)即為齒槽轉(zhuǎn)矩信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01L5/00GK105841867SQ201610346067
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】曾岳南, 曾勵(lì)志, 陳艷, 張睿, 彭瑞, 陳康平
【申請(qǐng)人】廣東工業(yè)大學(xué)