一種永磁電機(jī)速度觀測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種永磁電機(jī)速度觀測(cè)方法，涉及電機(jī)速度觀測(cè)和速度控制領(lǐng)域，所述方法包括：將絕對(duì)式編碼器獲得的轉(zhuǎn)子位置、與所設(shè)計(jì)的kalman觀測(cè)器的三部分相結(jié)合，觀測(cè)出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩值，將所觀測(cè)的轉(zhuǎn)速作為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)的反饋信號(hào)；將永磁同步電機(jī)突變的負(fù)載轉(zhuǎn)矩看作系統(tǒng)干擾量，利用所構(gòu)建的kalman觀測(cè)器觀測(cè)的電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩作為電流環(huán)的前饋信號(hào)，構(gòu)建前饋控制系統(tǒng)；通過電流控制器和空間矢量脈寬調(diào)制方法獲得逆變器的開關(guān)次序，進(jìn)而獲得通入永磁同步電機(jī)的三相電壓，最終使得永磁電機(jī)以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明采用自適應(yīng)卡爾曼觀測(cè)器獲得的負(fù)載轉(zhuǎn)矩能夠及時(shí)反映系統(tǒng)的負(fù)載變化情況，將預(yù)估的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行前饋控制，能夠提高轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確跟蹤能力。
【專利說明】一種永磁電機(jī)速度觀測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電機(jī)速度觀測(cè)和速度控制領(lǐng)域，尤其涉及一種永磁電機(jī)速度觀測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于永磁同步電機(jī)(PMSM)伺服系統(tǒng)來說，電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置以及轉(zhuǎn)速是閉環(huán)控制系統(tǒng)中必不可少的反饋量。在傳統(tǒng)的位置測(cè)量方法中，位置信號(hào)多通過光學(xué)編碼器來獲得。光學(xué)編碼器一般分為增量式編碼器、絕對(duì)式編碼器以及混合式編碼器。其中，絕對(duì)式編碼器能夠直接獲得轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置的二進(jìn)制編碼，每個(gè)位置具有唯一的二進(jìn)制編碼。相比于其它編碼器，絕對(duì)式編碼器在抗干擾能力、定位能力等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而在高精度機(jī)械設(shè)備等場(chǎng)所得到了許多應(yīng)用。
[0003]由于量化噪聲以及光學(xué)編碼器本身制作的非理想等原因，由光學(xué)編碼器測(cè)得的轉(zhuǎn)子位置中存在測(cè)量噪聲，因而由轉(zhuǎn)子位置信息計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速也存在一定的誤差。此外，傳統(tǒng)的編碼器測(cè)速計(jì)算方法，如:測(cè)頻率法、測(cè)周期法等測(cè)速方法，都是基于求導(dǎo)算法求解轉(zhuǎn)速的平均值，這樣造成轉(zhuǎn)速計(jì)算值存在誤差及延遲，從而在一定程度上影響了永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。為了減少傳統(tǒng)測(cè)速方法存在的問題，通常采用數(shù)字低通濾波器來抑制噪聲，但是傳統(tǒng)低通濾波器無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)抑制噪聲和減小延時(shí)的目的。
[0004]為了解決傳統(tǒng)測(cè)速方法的缺點(diǎn)，學(xué)者們提出了多種觀測(cè)轉(zhuǎn)速的方法，如非線性觀測(cè)器，滑模觀測(cè)器等。系統(tǒng)在低速運(yùn)行的情況下，并不是每個(gè)采樣周期都計(jì)算轉(zhuǎn)速，為了確保在每個(gè)采樣周期內(nèi)轉(zhuǎn)速能夠?qū)崟r(shí)更新，可以采用自適應(yīng)速度觀測(cè)器、瞬時(shí)速度觀測(cè)器、全維或降維狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置等進(jìn)行觀測(cè)并進(jìn)行電機(jī)控制，但是這些方法依賴于電機(jī)精確的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)性能易受到參數(shù)變化及各種不確定因素的影響，使得其應(yīng)用受限。由于編碼器的測(cè)量噪聲可以被看作高斯白噪聲，卡爾曼(Kalman)濾波算法作為一種最小方差意義上的最優(yōu)效果估計(jì)方法，它采用遞推法直接對(duì)隨機(jī)噪聲干擾進(jìn)行處理，并對(duì)模型有較小的依賴性，因此，在系統(tǒng)速度觀測(cè)方面得到了較為廣泛的應(yīng)用。然而，由于傳統(tǒng)的Kalman濾波算法需要對(duì)噪聲參數(shù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，才能具有較好的觀測(cè)效果，這樣，無疑會(huì)降低了工作效率，因此，尋求一種解決或者替代此問題的方法迫切重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種永磁電機(jī)速度觀測(cè)方法，本發(fā)明避免了傳統(tǒng)測(cè)速方法中的微分過程和濾波過程，彌補(bǔ)有限精度的絕對(duì)式編碼器的測(cè)量誤差，從而提高了電機(jī)速度控制系統(tǒng)的控制精度和抗擾性能，詳見下文描述:
[0006]一種永磁電機(jī)速度觀測(cè)方法，所述方法包括以下步驟:
[0007]將絕對(duì)式編碼器獲得的轉(zhuǎn)子位置、與所設(shè)計(jì)的kalman觀測(cè)器的三部分相結(jié)合，觀測(cè)出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩值，將所觀測(cè)的轉(zhuǎn)速作為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)的反饋信號(hào)；
[0008]將永磁同步電機(jī)突變的負(fù)載轉(zhuǎn)矩看作系統(tǒng)干擾量，利用所構(gòu)建的kalman觀測(cè)器觀測(cè)的電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩作為電流環(huán)的前饋信號(hào)，構(gòu)建前饋控制系統(tǒng)；
[0009]通過電流控制器和空間矢量脈寬調(diào)制方法獲得逆變器的開關(guān)次序，進(jìn)而獲得通入永磁同步電機(jī)的三相電壓，最終使得永磁電機(jī)以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0010]所述所設(shè)計(jì)的kalman觀測(cè)器的三部分具體為:
[0011]I)通過對(duì)卡爾曼觀測(cè)器的設(shè)計(jì)獲取基于表貼式永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的系數(shù)矩陣；
[0012]2)根據(jù)卡爾曼觀測(cè)器觀測(cè)部分，設(shè)計(jì)了 Kalman觀測(cè)器的迭代方法；
[0013]3)根據(jù)測(cè)量噪聲自適應(yīng)部分，設(shè)計(jì)了測(cè)量噪聲的計(jì)算方法。
[0014]所述基于表貼式永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的系數(shù)矩陣具體為:

【權(quán)利要求】
1.一種永磁電機(jī)速度觀測(cè)方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 將絕對(duì)式編碼器獲得的轉(zhuǎn)子位置、與所設(shè)計(jì)的kalman觀測(cè)器的三部分相結(jié)合，觀測(cè)出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩值，將所觀測(cè)的轉(zhuǎn)速作為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)的反饋信號(hào)； 將永磁同步電機(jī)突變的負(fù)載轉(zhuǎn)矩看作系統(tǒng)干擾量，利用所構(gòu)建的kalman觀測(cè)器觀測(cè)的電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩作為電流環(huán)的前饋信號(hào)，構(gòu)建前饋控制系統(tǒng)； 通過電流控制器和空間矢量脈寬調(diào)制方法獲得逆變器的開關(guān)次序，進(jìn)而獲得通入永磁同步電機(jī)的三相電壓，最終使得永磁電機(jī)以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種永磁電機(jī)速度觀測(cè)方法，其特征在于，所述所設(shè)計(jì)的kalman觀測(cè)器的三部分具體為: 1)通過對(duì)卡爾曼觀測(cè)器的設(shè)計(jì)獲取基于表貼式永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的系數(shù)矩陣； 2)根據(jù)卡爾曼觀測(cè)器觀測(cè)部分，設(shè)計(jì)了Kalman觀測(cè)器的迭代方法； 3)根據(jù)測(cè)量噪聲自適應(yīng)部分，設(shè)計(jì)了測(cè)量噪聲的計(jì)算方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種永磁電機(jī)速度觀測(cè)方法，其特征在于，所述基于表貼式永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的系數(shù)矩陣具體為:
式中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；f為摩擦轉(zhuǎn)矩系數(shù)；KT為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)；TS為采樣周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種永磁電機(jī)速度觀測(cè)方法，其特征在于，所述根據(jù)卡爾曼觀測(cè)器觀測(cè)部分，設(shè)計(jì)了 Kalman觀測(cè)器的迭代方法具體為: Kalman觀測(cè)器的迭代方法為
式中，x(k|k)為第kTs時(shí)刻狀態(tài)變量的后驗(yàn)估計(jì)值；P(k|k)為第kTs時(shí)刻誤差協(xié)方差的后驗(yàn)估計(jì)值；X(k|k-l)為第1^3時(shí)刻的狀態(tài)變量的前驗(yàn)估計(jì)值；p(k|k-l)分別為第1^3時(shí)刻誤差協(xié)方差的前驗(yàn)估計(jì)值為單位矩陣；K(k)、err(k)為第kTs時(shí)刻的卡爾曼增益以及被測(cè)信號(hào)的殘差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種永磁電機(jī)速度觀測(cè)方法，其特征在于，所述根據(jù)測(cè)量噪聲自適應(yīng)部分，設(shè)計(jì)了測(cè)量噪聲的計(jì)算方法具體為:
其中，k為第k次采樣，Ts為采樣周期，ω (k|k-l)為第k時(shí)刻狀態(tài)變量前驗(yàn)預(yù)估值，Δ為量化誤差。
【文檔編號(hào)】H02P21/14GK104184382SQ201410393609
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年8月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月11日
【發(fā)明者】史婷娜, 王錚, 夏長(zhǎng)亮 申請(qǐng)人:天津大學(xué)