[發(fā)明專利]基于非線性滑模觀測器實現(xiàn)的電機定子振動模態(tài)觀測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010589027.4
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111697874B
• 公開（公告）日: 2023-09-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 荊鍇;林夏萍;劉暢;董硯;孫鶴旭
• 申請（專利權(quán)）人: 河北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H02N2/12
• 分類號: H02N2/12;H02N2/14;H02N2/16;H02P23/12;H02P23/14
• 代理公司: 天津翰林知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12210
• 代理人: 張國榮

本發(fā)明公開基于非線性滑模觀測器實現(xiàn)的電機定子振動模態(tài)觀測方法，實現(xiàn)該方法所用到的設(shè)備包括FPGA、霍爾電流傳感器、電壓分壓采樣電阻、高速ADC、H橋驅(qū)動電路、行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機，其步驟如下：第一步，利用FPGA控制霍爾電流傳感器、電壓分壓采樣電阻，以4MHz采樣頻率對行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機運行時的輸出電壓、電流實現(xiàn)采樣，通過高速ADC實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，并建立針對振動模態(tài)一階導(dǎo)數(shù)的觀測器：第二步，根據(jù)第一步建立的振動模態(tài)一階導(dǎo)數(shù)的觀測器，建立振動模態(tài)非線性滑模觀測器。該方法針對行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機，能夠?qū)崿F(xiàn)定子振動模態(tài)準確觀測，具有一定的參數(shù)魯棒性，且能克服現(xiàn)有測量技術(shù)實施困難、測量精度低的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電機定子振動模態(tài)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是基于非線性滑模觀測器實現(xiàn)的行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機定子振動模態(tài)觀測方法。

背景技術(shù)

行波超聲電機(TWUSM)是一種微型電機，結(jié)構(gòu)簡單、體積小，響應(yīng)快速，且不受電磁場干擾，被廣泛應(yīng)用于控制精度需求高的場合，如航天航空、醫(yī)療領(lǐng)域等。

TWUSM是利用壓電材料逆壓電效應(yīng)，施加兩相高頻激勵電壓激發(fā)定子產(chǎn)生振動行波，使定子表面質(zhì)點以橢圓軌跡運動，從而通過與轉(zhuǎn)子接觸摩擦驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。依據(jù)其驅(qū)動機理可知，定子產(chǎn)生行波是驅(qū)動關(guān)鍵，而行波是由定子兩相振動模態(tài)疊加形成，因此對定子振動模態(tài)測量的研究是十分必要的。分析當前文獻，對于實現(xiàn)定子振動模態(tài)的測量主要依賴于高速攝像機、傳感器、變壓器電橋電路等方式，這類測量方式不易安裝、且儀器價格昂貴，不利于推廣使用。總之，當前對于定子振動模態(tài)的測量技術(shù)不易實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供基于非線性滑模觀測器實現(xiàn)的電機定子振動模態(tài)觀測方法。該方法針對行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機，能夠?qū)崿F(xiàn)定子振動模態(tài)準確觀測，具有一定的參數(shù)魯棒性，且能克服現(xiàn)有測量技術(shù)實施困難、測量精度低的問題。

本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：基于非線性滑模觀測器實現(xiàn)的電機定子振動模態(tài)觀測方法，實現(xiàn)該方法所用到的設(shè)備包括FPGA、霍爾電流傳感器、電壓分壓采樣電阻、高速ADC、H橋驅(qū)動電路、行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機，其步驟如下：

第一步，利用FPGA控制霍爾電流傳感器、電壓分壓采樣電阻，以4MHz采樣頻率對行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機運行時的輸出電壓、電流實現(xiàn)采樣，通過高速ADC實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，并建立振動模態(tài)一階導(dǎo)數(shù)的觀測器，獲得振動模態(tài)一階導(dǎo)數(shù)的觀測值；

第二步，根據(jù)第一步獲得的振動模態(tài)一階導(dǎo)數(shù)的觀測值，建立振動模態(tài)非線性滑模觀測器；

第三步，證明第二步設(shè)計的振動模態(tài)非線性滑模觀測器的穩(wěn)定性和收斂性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明方法從TWUSM模型出發(fā)，搭建振動模態(tài)一階導(dǎo)觀測器實現(xiàn)定子振動模態(tài)一階導(dǎo)觀測。

2、本發(fā)明方法通過搭建非線性滑模觀測器對定子振動模態(tài)進行估計，實現(xiàn)TWUSM振動模態(tài)無傳感器測量，降低成本。

3、本發(fā)明方法從理論上克服TWUSM易受環(huán)境影響產(chǎn)生參數(shù)不確定性，實現(xiàn)準確觀測。

4、本發(fā)明方法從理論上克服TWUSM復(fù)雜的驅(qū)動機理而產(chǎn)生的不可測非線性量帶來的影響實現(xiàn)準確觀測。

5、本發(fā)明方法以測量定子振動模態(tài)為目標，其直接反應(yīng)定子振動狀態(tài)，間接了解轉(zhuǎn)子響應(yīng)狀態(tài)，有利于對電機內(nèi)部狀態(tài)的研究。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1為本發(fā)明方法的原理示意圖。

圖2為本發(fā)明方法在參數(shù)穩(wěn)定狀態(tài)下的振動模態(tài)非線性滑模觀測器的觀測結(jié)果與仿真真實值對比示意圖。