一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的無刷直流電機(jī)狀態(tài)估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的無位置傳感器無刷直流電機(jī)狀態(tài)估計(jì)方法。使用本發(fā)明能夠在系統(tǒng)噪聲和測(cè)量噪聲為非零均值白噪聲以及系統(tǒng)模型存在誤差的情況降低調(diào)試難度，提高觀測(cè)精度。本發(fā)明通過模糊規(guī)則調(diào)整測(cè)量誤差協(xié)方差矩陣R，從而大幅度降低了系統(tǒng)調(diào)試難度，并提高了精度；同時(shí)在狀態(tài)更新方程中加入一個(gè)衰減因子，調(diào)整了新舊觀測(cè)量對(duì)估計(jì)值的修正權(quán)重，提高了跟蹤性能；此外，通過將p(0)，Q的值做適當(dāng)分組調(diào)整的方法，抑制嚴(yán)重失真情況并提高擴(kuò)展卡爾曼濾波器的估計(jì)準(zhǔn)確性。
【專利說明】一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的無刷直流電機(jī)狀態(tài)估計(jì)方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的無位置傳感器無刷直流電機(jī)狀態(tài)估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]永磁無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor, BLDCM)融合了直流電動(dòng)機(jī)控制方式簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩特性好，調(diào)速性能好，以及交流電動(dòng)機(jī)制造簡(jiǎn)單，無勵(lì)磁損耗，功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，所以在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，并引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究。但是無刷直流電機(jī)的運(yùn)行需要轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，傳統(tǒng)的方法是采用位置傳感器。隨著對(duì)額定功率更小的電機(jī)的研究與需求，位置傳感器的體積占整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)體積的百分比越來越大，這就使得整個(gè)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)小型化，限制了其在精密微小場(chǎng)合的應(yīng)用。此外，由于位置傳感器的存在，使得系統(tǒng)復(fù)雜程度加大、成本增加、可靠性降低、增加了生產(chǎn)和維護(hù)難度并且對(duì)電機(jī)的制造工藝也帶來不利的影響。
[0003]針對(duì)位置傳感器對(duì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)帶來的上述不利影響，比較好的解決辦法是采用無位置傳感器控制技術(shù)。所謂的無位置傳感器控制，實(shí)質(zhì)上是無機(jī)械位置傳感器的控制，即在電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由新的位置信號(hào)檢測(cè)方法(一般通過軟件與硬件相互結(jié)合的技術(shù))代替機(jī)械的位置 傳感器來提供逆變橋功率器件換相導(dǎo)通的時(shí)序信號(hào)。無位置傳感器控制不僅可以克服機(jī)械位置傳感器帶來的問題，還可以充分利用軟件技術(shù)改善并提高電機(jī)的動(dòng)、靜態(tài)性能。
[0004]所以在無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制技術(shù)中，狀態(tài)估計(jì)是最關(guān)鍵的核心問題，也就是如何不通過機(jī)械的位置傳感器，而只通過三相電壓與電流，準(zhǔn)確、快速、可靠的得到轉(zhuǎn)子位置與速度信號(hào)。
[0005]Gamazo-Real JC 等人在文獻(xiàn)(Position and Speed Control of BrushlessDC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends [J].SENSORS, 2010, 10(7):6901-6947.)中總結(jié)，現(xiàn)有的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的狀態(tài)估計(jì)方法主要有傳統(tǒng)方法和狀態(tài)觀測(cè)器方法兩種。其中傳統(tǒng)方法主要有:反電勢(shì)過零法、三次諧波電壓積分法、續(xù)流二級(jí)管法、反電勢(shì)積分法等；狀態(tài)觀測(cè)器法主要有:擴(kuò)展卡爾曼濾波法、參考模型自適應(yīng)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和滑模觀測(cè)器法等。
[0006]傳統(tǒng)方法主要存在的問題是在某一特定的速度范圍內(nèi)可以較好的估計(jì)出轉(zhuǎn)子的速度、位置信息，但是在電機(jī)低速或高速運(yùn)行時(shí)，觀測(cè)效果大幅下降甚至無法使用。
[0007]近年來的主要研究和應(yīng)用方向都集中在利用狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)無刷直流電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，無刷直流電機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)典型的非線性的系統(tǒng)，結(jié)合擴(kuò)展卡爾曼濾波器，可以對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。
[0008]卡爾曼濾波器有一系列遞推數(shù)學(xué)公式描述。他們提供了一種高效可計(jì)算的方法來估計(jì)過程的狀態(tài)，并使估計(jì)均方誤差最小?？柭鼮V波器應(yīng)用廣泛且功能強(qiáng)大；它可以估計(jì)信號(hào)的過去和當(dāng)前狀態(tài)，甚至能估計(jì)將來的狀態(tài)，即使并不知道模型的確切性質(zhì)。但是卡爾曼濾波器用于無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的估計(jì)存在一些問題。首先，由于卡爾曼濾波器的參數(shù)是在某一特定轉(zhuǎn)速(如額定轉(zhuǎn)速)下設(shè)置的，當(dāng)速度變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)精度下降。其次，在擴(kuò)展卡爾曼濾波器的設(shè)計(jì)過程中，假設(shè)了系統(tǒng)噪聲和測(cè)量噪聲為精確已知的零均值白噪聲，而當(dāng)系統(tǒng)噪聲與測(cè)量噪聲不滿足此條件時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致誤差協(xié)方差矩陣變大，降低了估計(jì)精度，如果實(shí)時(shí)人工調(diào)整濾波器的參數(shù)，調(diào)試難度很大。再次，擴(kuò)展卡爾曼濾波的速度跟蹤性能不是很好，主要體現(xiàn)在估計(jì)的轉(zhuǎn)速比實(shí)際轉(zhuǎn)速存在一個(gè)明顯的相位延遲，造成這種現(xiàn)象的原因主要是新舊觀測(cè)量對(duì)估計(jì)值的修正權(quán)重不一樣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的無位置傳感器無刷直流電機(jī)狀態(tài)估計(jì)方法，能夠在系統(tǒng)噪聲和測(cè)量噪聲為非零均值白噪聲以及系統(tǒng)模型存在誤差的情況降低調(diào)試難度，提高觀測(cè)精度。
[0010]本發(fā)明的基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的無刷直流電機(jī)狀態(tài)估計(jì)方法包括如下步驟:
[0011]步驟一，對(duì) 傳統(tǒng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行改進(jìn)，采用模糊算法調(diào)整測(cè)量誤差協(xié)方差矩陣Rk，Rk = R+ λ R，其中，R為系統(tǒng)噪聲Wk的協(xié)方差矩陣，Δ R為根據(jù)模糊規(guī)則獲得的調(diào)
整量;
[0012]其中，模糊規(guī)則為:
[0013]以測(cè)量變量與預(yù)測(cè)值之差的理論值與實(shí)際值之差ek作為模糊輸入，測(cè)量噪聲方差陣Rk的調(diào)整量Λ R作為模糊輸出；
[0014]當(dāng)ek~0 時(shí)，AR 為 O;
[0015]當(dāng)6,〉0時(shí)，八1?為負(fù)值；
[0016]當(dāng)一一時(shí)’厶尺為正值；
[0017]步驟二，采用步驟一改進(jìn)后的的擴(kuò)展卡爾曼濾波器對(duì)無刷直流電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。
[0018]其中，所述模糊算法中，ek和AR的隸屬度函數(shù)均分為負(fù)大NB、負(fù)中匪、負(fù)小NS、零Z0、正小PS、正中PM和正大PB7個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的隸屬度函數(shù)均為三角形，其中，模糊輸入ek隸屬度函數(shù)中，NB區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(-°o，l)、(-4.8，I)、(-2.5，O)；NM區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(-4.8，O)、(-3，I)、(-2，O) ；NS區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(-3.2，O)、(-2，I)、(O, O) ；Z0 區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(-2.6，O)、(O, I)、(2.6，O) ；PS 區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0)、(2，I)、(3.2，O) ;PM區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(2，O)、(3，I)、(4.8，O) ；PB區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(2.5，O)、(4.8，I)、(+ °o，I);模糊輸出AR隸屬度函數(shù)中，NB區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(_ °°，I)、(-2.8，I)、(-1.8，O) ；NM區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(-2.8，O)、(-2，I)、(-1.3，O) ；NS區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(' 2，O)、(_1，1)、(0,0) ;Z0區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(-1.3,0), (O, I)、(1.3,0) ;PS區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0)、(1.3, I)、(2,0) ;PM區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(1.3，O)、(2，I)、(2.8，O) ；PB區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(1.8，O)、(2.8，I)、(+ °o，I)；
[0019]模糊規(guī)則為:
[0020](I)如果 ek e Z0,則令 Δ R e ZO ；
[0021](2)如果 ek e NS，則令 Δ R e PS ；[0022](3)如果 ek e NM，則令 Λ R e PM ;
[0023](4)如果 ek e NB，則令 Δ R e PB ；
[0024](5)如果 ek e PS,則令 Δ R e NS ；
[0025](6)如果 ek e PM,則令 Λ R e NM ;
[0026](7)如果 ek e PB，則令 AR e NB。
[0027]進(jìn)一步地，可以在擴(kuò)展卡爾曼濾波器的狀態(tài)更新方程中加入一個(gè)衰減因子Y，SP擴(kuò)展卡爾曼濾波器的狀態(tài)更新方程為
[0028]
【權(quán)利要求】
1.一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的無刷直流電機(jī)狀態(tài)估計(jì)方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟一，對(duì)傳統(tǒng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行改進(jìn)，采用模糊算法調(diào)整測(cè)量誤差協(xié)方差矩陣Rk，Rk = R+ Λ R，其中，R為系統(tǒng)噪聲Wk的協(xié)方差矩陣，Λ R為根據(jù)模糊規(guī)則獲得的調(diào)整量; 其中，模糊規(guī)則為: 以測(cè)量變量與預(yù)測(cè)值之差的理論值與實(shí)際值之差ek作為模糊輸入，測(cè)量噪聲方差陣Rk的調(diào)整量ΛR作為模糊輸出； 當(dāng)ek~O時(shí)，AR為O; 當(dāng)ek>0時(shí)，Λ R為負(fù)值； 當(dāng)ek〈0時(shí)，Λ R為正值； 步驟二，采用步驟一改進(jìn)后的的擴(kuò)展卡爾曼濾波器對(duì)無刷直流電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。
2.如權(quán)利要求1所述的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的擴(kuò)展卡爾曼濾波器，其特征在于，所述模糊算法中，ek和Λ R的隸屬度函數(shù)均分為負(fù)大NB、負(fù)中匪、負(fù)小NS、零Z0、正小PS、正中PM和正大ΡΒ7個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的隸屬度函數(shù)均為三角形，其中，模糊輸入ek隸屬度函數(shù)中，NB區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(_ °°，I)、(-4.8，I)、(-2.5，O);匪區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(-4.8，O)、(-3，I)、(-2，O) ;NS區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(-3.2，O)、(-2，I)、(0,0) ;ZO區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(-2.6，O)、(O, I)、(2.6, O) ;PS區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(O, O)、(2，I)、(3.2，O) ；PM區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(2，O)、(3，I)、(4.8，O) ；PB區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(2.5，O)、(4.8，I)、(+ °?，I);模糊輸出Λ R隸屬度函數(shù)中，NB區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(_ °°，I)、(-2.8，I)、(-1.8，O);匪區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(-2.8，O)、(-2，I)、(-1.3，O) ；NS區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(' 2，O)、(-1，I)、(O, O) ；ZO區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(-1.3，O)、(O, I)、(1.3，O) ；PS區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(O, O)、(1.3，I)、(2，O) ；PM區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(1.3，O)、(2，I)、(2.8，O)；PB區(qū)間三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(1.8，O)、(2.8，I)、(+ Oo，I)； 模糊規(guī)則為: (1)如果ek e Z0，則令 AR e ZO ; (2)如果ek e NS，則令 AR e PS ;
(3)如果ek e NM,則令 Δ R e PM ；
(4)如果ek e NB,則令 Δ R e PB ； (5)如果ek e PS，則令 AR e NS ;
(6)如果ek e PM,則令 Λ R e NM ; (7)如果ek e PB，則令 AR e NB。
3.如權(quán)利要求1或2所述的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的擴(kuò)展卡爾曼濾波器，其特征在于，在擴(kuò)展卡爾曼濾波器的狀態(tài)更新方程中加入一個(gè)衰減因子Y，即擴(kuò)展卡爾曼濾波器的狀態(tài)更新方程為
4.如權(quán)利要求1或2所述的無位置傳感器無刷直流電機(jī)的擴(kuò)展卡爾曼濾波器，其特征在于，在狀態(tài)更新方程中根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度對(duì)系統(tǒng)誤差協(xié)方差矩陣Q、濾波器初值P(O)進(jìn)行分組，其中，分別將轉(zhuǎn)子速度小于額定轉(zhuǎn)速30%、轉(zhuǎn)子速度為額定轉(zhuǎn)速30% -60%和轉(zhuǎn)子速度為額定轉(zhuǎn)速60% -120%分為三個(gè)區(qū)間，根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別選取p(0)，Q的值。
【文檔編號(hào)】H02P21/14GK103956956SQ201410200184
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】甘明剛, 李昕, 陳杰, 竇麗華, 鄧方, 蔡濤, 白永強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)