驅(qū)動器的狀態(tài)觀測器及其速度估算方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種速度估算方法，尤其涉及種用于驅(qū)動器的狀態(tài)觀測器及其速度估 算方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在控制系統(tǒng)中，驅(qū)動器的速度是其必不可少的參數(shù)?，F(xiàn)有的技術(shù)中，驅(qū)動器的速度 測量一般是通過速度編碼器測量電機轉(zhuǎn)角，并根據(jù)一定時間內(nèi)電機轉(zhuǎn)角的變化角度求出電 機運行角速度即用測量脈沖頻率的M法、測量脈沖周期的T法以及兩者結(jié)合切換的Μ/T法， 但是使用該方法測量轉(zhuǎn)速會存在一定的時間間隔（ms級時間），導(dǎo)致計算所得轉(zhuǎn)速滯后和 不連續(xù)，會降低控制器速度環(huán)帶寬，降低系統(tǒng)性能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 有鑒于此，實有必要提供一種更加準確測量驅(qū)動器電機轉(zhuǎn)速的狀態(tài)觀測器。
[0004] 此外，還有必要提供一種驅(qū)動器的速度的估算方法及其系統(tǒng)。
[0005] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0006] -種驅(qū)動器的狀態(tài)觀測器，所述狀態(tài)觀測器包括對比單元以及執(zhí)行單元；對比單 元用于將所接收的測量單元測量的電機實際轉(zhuǎn)角與電機轉(zhuǎn)角的初始值進行比較得到電機 的轉(zhuǎn)角誤差；以及執(zhí)行單元包括：第一計算單元用于根據(jù)電機的轉(zhuǎn)角誤差以及積分系數(shù)K3 通過預(yù)設(shè)的第一方程可計算出電機的估算負載轉(zhuǎn)矩?Υ;第二計算單元，用于根據(jù)上述電機 的估算負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角誤差以及預(yù)設(shè)的電機基本特征量和比例系數(shù)K2構(gòu)建關(guān)于電機的粗 算轉(zhuǎn)速W的預(yù)設(shè)的第二方程，并計算出電機的粗算轉(zhuǎn)速W ;以及第三計算單元，用于根據(jù)上 述電機的粗算轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角誤差以及預(yù)設(shè)的積分系數(shù)Kl通過預(yù)設(shè)的第三方程計算得到電機 的估算轉(zhuǎn)速，并根據(jù)電機的估算轉(zhuǎn)速積分運算得到電機的估算轉(zhuǎn)角；其中，所述對比單元還 用于對比判斷電機的估算轉(zhuǎn)角與電機的實際轉(zhuǎn)角是否相等；若電機的估算轉(zhuǎn)角與電機的實 際轉(zhuǎn)角相等，第三計算單元則輸出電機的估算轉(zhuǎn)速；若電機的估算轉(zhuǎn)角與電機的實際轉(zhuǎn)角 不相等，則電機的實際轉(zhuǎn)角與電機的估算轉(zhuǎn)角進行比較重新計算該轉(zhuǎn)角誤差，并重新進行 計算電機的估算轉(zhuǎn)角直至等于電機的實際轉(zhuǎn)角。
[0007] -種驅(qū)動器速度的估算系統(tǒng)，其特征在于，所述估算系統(tǒng)包括：測量單元，用于測 量電機的實際轉(zhuǎn)角；所述狀態(tài)觀測器包括對比單元以及執(zhí)行單元；對比單元用于將所接收 的測量單元測量的電機實際轉(zhuǎn)角與電機轉(zhuǎn)角的初始值進行比較得到電機的轉(zhuǎn)角誤差；以及 執(zhí)行單元包括：第一計算單元用于根據(jù)電機的轉(zhuǎn)角誤差以及積分系數(shù)K3通過預(yù)設(shè)的第一 方程可計算出電機的估算負載轉(zhuǎn)矩?Υ;第二計算單元，用于根據(jù)上述電機的估算負載轉(zhuǎn)矩、 轉(zhuǎn)角誤差以及預(yù)設(shè)的電機基本特征量和比例系數(shù)K2構(gòu)建關(guān)于電機的粗算轉(zhuǎn)速W的預(yù)設(shè) 的第二方程，并計算出電機的粗算轉(zhuǎn)速W ;以及第三計算單元，用于根據(jù)上述電機的粗算轉(zhuǎn) 速、轉(zhuǎn)角誤差以及預(yù)設(shè)的積分系數(shù)Kl通過預(yù)設(shè)的第三方程計算得到電機的估算轉(zhuǎn)速，并根 據(jù)電機的估算轉(zhuǎn)速積分運算得到電機的估算轉(zhuǎn)角；其中，所述對比單元還用于對比判斷電 機的估算轉(zhuǎn)角與電機的實際轉(zhuǎn)角是否相等；若電機的估算轉(zhuǎn)角與電機的實際轉(zhuǎn)角相等，第 三計算單元則輸出電機的估算轉(zhuǎn)速；若電機的估算轉(zhuǎn)角與電機的實際轉(zhuǎn)角不相等，則電機 的實際轉(zhuǎn)角與電機的估算轉(zhuǎn)角進行比較重新計算該轉(zhuǎn)角誤差，并重新進行計算電機的估算 轉(zhuǎn)角直至等于電機的實際轉(zhuǎn)角。
[0008] -種驅(qū)動器速度的估算方法，其特征在于，所述估算方法包括：接收電機的實際 轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角；將實際轉(zhuǎn)角與電機轉(zhuǎn)角的初始值進行比較得到電機的轉(zhuǎn)角誤差；根據(jù)上述電機 的轉(zhuǎn)角誤差以及預(yù)設(shè)的調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)K3通過預(yù)設(shè)的第一方程計算電機的估算負載轉(zhuǎn) 矩；根據(jù)上述電機的估算負載轉(zhuǎn)矩、電機的轉(zhuǎn)角誤差以及預(yù)設(shè)的電機基本特征量和調(diào)節(jié)器 的比例系數(shù)K2、構(gòu)建關(guān)于電機的粗算轉(zhuǎn)速的預(yù)設(shè)的第二方程，并計算出電機的粗算轉(zhuǎn)速； 根據(jù)上述電機粗算轉(zhuǎn)速、電機的轉(zhuǎn)角誤差以及預(yù)設(shè)的調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)Kl通過預(yù)設(shè)的第 三方程計算出電機的估算轉(zhuǎn)速；對電機的估算轉(zhuǎn)速進行積分運算得到估算的電機轉(zhuǎn)角；對 比判斷電機的估算轉(zhuǎn)角與電機的實際轉(zhuǎn)角是否相等；若電機的估算轉(zhuǎn)角與電機的實際轉(zhuǎn)角 相等，則輸出電機的估算轉(zhuǎn)速；若電機的估算轉(zhuǎn)角與電機的實際轉(zhuǎn)角不相等，則電機的實際 轉(zhuǎn)角與電機的估算轉(zhuǎn)角進行比較重新計算該轉(zhuǎn)角誤差，并重新進行計算電機的估算轉(zhuǎn)角直 至等于電機的實際轉(zhuǎn)角。
[0009] 上述中基于狀態(tài)觀測器的速度估算方法，將編碼器測量電機轉(zhuǎn)角作為輸入狀態(tài)變 量進行轉(zhuǎn)速的估算，可實施更新轉(zhuǎn)速（us級時間），能夠快速獲取實時轉(zhuǎn)速，解決了傳統(tǒng)方 法總速度計算需要ms級時間間隔，速度計算存在滯后的問題，提升轉(zhuǎn)速環(huán)響應(yīng)帶寬，提高 系統(tǒng)性能，與此同時，除可估算電機轉(zhuǎn)速，還可準確估算電機轉(zhuǎn)角以及電機的負載轉(zhuǎn)矩。
【附圖說明】
[0010] 圖1為實施方式中驅(qū)動器速度的估算系統(tǒng)的功能模塊圖。
[0011] 圖2為實施方式中驅(qū)動器速度的估算方法的原理圖。
[0012] 圖3為實施方式中驅(qū)動器速度的估算方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0013] 下面將結(jié)合本實施方式中的附圖，對本實施方式中的技術(shù)方案進行清楚、完整的 描述。
[0014] 請參看圖1，本實施方式中一種驅(qū)動器速度的估算系統(tǒng)的功能模塊圖。
[0015] 驅(qū)動器速度的估算系統(tǒng)1包括狀態(tài)觀測器10和測量單元20。測量單元20用于測 量驅(qū)動器電機的實際轉(zhuǎn)角，并將所測量的驅(qū)動器電機的實際轉(zhuǎn)角輸送給狀態(tài)觀測器10。本 實施方式中，優(yōu)選速度編碼器來測量電機的實際轉(zhuǎn)角。狀態(tài)觀測器10包括執(zhí)行單元101和 對比單元102。
[0016] 對比單元102用于將所接收的測量單元20測量的電機實際轉(zhuǎn)角與電機轉(zhuǎn)角的初 始值進行比較得到電機的轉(zhuǎn)角誤差Λ Θ。
[0017] 執(zhí)行單元101用于當(dāng)對比單元102判斷出電機的實際轉(zhuǎn)角與電機的估算轉(zhuǎn)角不相 等時，通過預(yù)設(shè)規(guī)則的重新計算電機的估算轉(zhuǎn)角直至電機的估算轉(zhuǎn)角與電機的實際轉(zhuǎn)角相 等。本實施方式中優(yōu)選PID調(diào)節(jié)器作為執(zhí)行單元101，根據(jù)對比單元102的判斷結(jié)果，執(zhí)行 調(diào)節(jié)電機的估算轉(zhuǎn)角與電機的實際轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)角誤差。本實施方式中，PID調(diào)節(jié)器依靠三個 調(diào)節(jié)系數(shù)積分系數(shù)KU比例系數(shù)K2以及積分系數(shù)K3來調(diào)節(jié)以減少誤差。其中調(diào)節(jié)系數(shù)與 系統(tǒng)相匹配，不同的系統(tǒng)根據(jù)需求具有不同的調(diào)節(jié)系數(shù)，其根據(jù)系統(tǒng)誤差，利用積分和比例 計算出控制量進行控制。調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)KU比例系數(shù)Κ2以及積分系數(shù)Κ3是根據(jù)被控 過程的特性來確定的，其可以根據(jù)動態(tài)特性及時整定，其主要通過工程整定方法得到，即通 過直接在控制系統(tǒng)中的試驗中進行，按照工程經(jīng)驗公式，進行整定。
[0018] 執(zhí)行單元101包括第一計算單元1011、第二計算單元1012以及第三計算單元 1013。
[0019] 第一計算單元1011，用于根據(jù)電機的實際轉(zhuǎn)角與電機的估算轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)角誤差 Λ Θ以及調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)K3通過預(yù)設(shè)的第一方程可計算得到電機的估算負載轉(zhuǎn)矩IV。 其中預(yù)設(shè)的第一方程為：IY= J (△ θ ΧΚ3)，若電機的估算負載轉(zhuǎn)矩1\是等于實際物理值， 則輸出該電機的估算轉(zhuǎn)矩?Υ。
[0020] 第二計算單元1012,用于根據(jù)上述電機的估算負載轉(zhuǎn)矩IV、轉(zhuǎn)角誤差Λ Θ以及預(yù) 設(shè)的電機基本特征量中的電機的輸出轉(zhuǎn)矩Te、電機的摩擦系數(shù)Β、電機的轉(zhuǎn)動慣量J和調(diào)節(jié) 器的比例系數(shù)K2構(gòu)建關(guān)于電機的粗算轉(zhuǎn)速W的預(yù)設(shè)的第二方程，并計算出電機的粗算轉(zhuǎn)速 W。其中，預(yù)設(shè)的第二方程為：
[0021] J [( Λ Θ XK2+TL+Te-BW)/J] = W。
[0022] 第三計算單元1013,用于根據(jù)上述電機的粗算轉(zhuǎn)速W、轉(zhuǎn)角誤差Λ Θ以及預(yù)設(shè)的 調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)Kl通過預(yù)設(shè)的第三方程計算得到電機的估算轉(zhuǎn)速ω、，再根據(jù)電機的估 算轉(zhuǎn)速《、積分運算得到電機的估算轉(zhuǎn)角θ~ η，其中，預(yù)設(shè)的第三方程為：W+Λ Θ XKl = ω、。若電機的估算轉(zhuǎn)速ω:以及電機的估算轉(zhuǎn)角θ~η是等于實際物理值，則輸出電機的 估算轉(zhuǎn)速ω、以及電機的估算轉(zhuǎn)角θ ~ η。
[0023] 對比單元102還用于對比判斷電機的估算轉(zhuǎn)角與電機的實際轉(zhuǎn)角是否相等；若電 機的估算轉(zhuǎn)角與電機的實際轉(zhuǎn)角相等，第三計算單元則輸出電機的估算轉(zhuǎn)速；若電機的估 算轉(zhuǎn)角與電機的實際轉(zhuǎn)角不相等，則電機的實際轉(zhuǎn)角與電機的估算轉(zhuǎn)角進行比較重新計算 該轉(zhuǎn)角誤差，重新進行計算電機的估算轉(zhuǎn)角直至等于電機的實際轉(zhuǎn)角。
[0024] 請參看圖2,其為一種驅(qū)動器速度的估算方法的原理圖。
[0025] 測量單元測量出電機的實際轉(zhuǎn)角θη將輸送到狀態(tài)觀測器。且當(dāng)程序開始時，狀 態(tài)觀測器初始化，設(shè)定電機的實際轉(zhuǎn)角S ni與電機的估算轉(zhuǎn)角θ~η的轉(zhuǎn)角誤差Λ Θ為零， 其他階段該轉(zhuǎn)角誤差Λ Θ等于電機的實際轉(zhuǎn)角Gni與電機的估算轉(zhuǎn)角Θ "的差，如圖2所 示中運算符Sl處所表示為：Λ θ = θη-θη。
[0026] 計算得到轉(zhuǎn)角誤差Λ θ后，狀態(tài)觀測器利用轉(zhuǎn)角誤差Λ θ以及調(diào)節(jié)器的積分系 數(shù)Κ3按照第一方程計算電機的估算負載轉(zhuǎn)矩IV，其中第一方程為：
[0027] Tl= / (Δ θ ΧΚ3)
[0028] 隨后，根據(jù)電機運動狀態(tài)方程
設(shè)計本實施方式中的預(yù)設(shè)第二 方程，并用于計算電機的粗算轉(zhuǎn)速W。其中，粗算的電機轉(zhuǎn)角W不等于電機的估算轉(zhuǎn)速，其與 電機的估算轉(zhuǎn)速之間仍有誤差，需要后續(xù)整定來減小誤差。如圖2所示，其中1/S表示為積 分運算，運算符S2處所表示的為預(yù)設(shè)的第二方程：
[0029] / [(Δ Θ XK2+TL+Te-Bff)/J] =W
[0030] 因此，根據(jù)電機的估算負載轉(zhuǎn)矩IV、系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩?；以及調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)K2 計算得到電機的粗算轉(zhuǎn)速W，且預(yù)設(shè)的系統(tǒng)的基本特征量為電機摩擦系數(shù)Β、電機的輸出轉(zhuǎn) 矩?；、電機轉(zhuǎn)動慣量J。
[0031] 由于，計算所得的粗算的電機轉(zhuǎn)角W不是所需的電機的估算轉(zhuǎn)速，其與電機的估 算轉(zhuǎn)速之間仍有誤差，故利用調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)Kl以及電機轉(zhuǎn)角根據(jù)第三方程計算所需 的電機的估算轉(zhuǎn)速ω、，如圖