CN103532463A - 基于状态观测器的直流马达转速控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于状态观测器的直流马达转速控制方法及系统，该直流马达转速控制方法包括如下步骤：采集马达实际输出电流；比较状态观测器输出的模拟电流和马达实际输出电流；计算直流马达转速。本发明的有益效果是本发明无需使用模拟速度传感器或数字速度传感器来测量转速，能够直接控制直流马达转速，将直流马达转速输入速度控制器，通过速度控制器控制直流马达的转速，利于技术的推广应用。

Description

基于状态观测器的直流马达转速控制方法及系统

技术领域

本发明涉及设备的控制方法及系统，尤其涉及基于状态观测器的直流马达转速控制方法及系统。

背景技术

要控制马达转速，首先要能够检测到马达的实际转速，否则控制转速无从谈起。传统的控制方法要求采用模拟速度传感器（比如测速发电机）或数字速度传感器（比如霍尔器件）来测量转速。

使用模拟速度传感器或数字速度传感器来测量转速增加了测量成本，不利于技术的推广应用。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于状态观测器的直流马达转速控制方法。

本发明提供了一种基于状态观测器的直流马达转速控制方法，包括如下步骤：

采集马达实际输出电流；

比较状态观测器输出的模拟电流和马达实际输出电流，若马达实际输出电流小于状态观测器输出的模拟电流，那么以状态观测器输出的模拟电流为参考，以马达实际输出电流为反馈，通过PI调节器增加反向电动势估计值；若马达实际输出电流大于状态观测器输出的模拟电流，那么以状态观测器输出的模拟电流为参考，以马达实际输出电流为反馈，通过PI调节器减少反向电动势估计值；当状态观测器输出的模拟电流和马达实际输出电流相等时，输出反向电动势估计值，此时反向电动势估计值与马达真实的反向电动势值相等；

计算直流马达转速ω；

将直流马达转速ω输入速度控制器，通过速度控制器控制直流马达的转速。

作为本发明的进一步改进，在计算直流马达转速ω步骤中，通过公式ω=V_bemf*1/K_e计算出直流马达转速，其中ω表示马达转速，V_bemf为马达真实的反向电动势值，K_e为反向电动势常数。

作为本发明的进一步改进，在采集马达实际输出电流步骤中，采集马达实际输出电流并滤波从而得到马达实际输出电流。

作为本发明的进一步改进，所述的直流马达为直流有刷电机。

本发明提供了一种基于状态观测器的直流马达转速控制系统，包括：

采集单元：用于采集马达实际输出电流；

比较输出单元：用于比较状态观测器输出的模拟电流和马达实际输出电流，若马达实际输出电流小于状态观测器输出的模拟电流，那么以状态观测器输出的模拟电流为参考，以马达实际输出电流为反馈，通过PI调节器增加反向电动势估计值；若马达实际输出电流大于状态观测器输出的模拟电流，那么以状态观测器输出的模拟电流为参考，以马达实际输出电流为反馈，通过PI调节器减少反向电动势估计值；当状态观测器输出的模拟电流和马达实际输出电流相等时，输出反向电动势估计值，此时反向电动势估计值与马达真实的反向电动势值相等；

计算单元：用于计算直流马达转速ω；

控制单元：用于将直流马达转速ω输入速度控制器，通过速度控制器控制直流马达的转速。

作为本发明的进一步改进，在计算单元中，通过公式ω=V_bemf*1/K_e计算出直流马达转速，其中ω表示马达转速，V_bemf为马达真实的反向电动势值，K_e为反向电动势常数。

作为本发明的进一步改进，在采集单元中，采集马达实际输出电流并滤波从而得到马达实际输出电流。

作为本发明的进一步改进，所述的直流马达为直流有刷电机。

本发明的有益效果是：本发明无需使用模拟速度传感器或数字速度传感器来测量转速，能够直接控制直流马达转速，将直流马达转速输入速度控制器，通过速度控制器控制直流马达的转速，利于技术的推广应用。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种基于状态观测器的直流马达转速控制方法，包括如下步骤：

采集马达实际输出电流；

比较状态观测器输出的模拟电流和马达实际输出电流，若马达实际输出电流小于状态观测器输出的模拟电流，那么以状态观测器输出的模拟电流为参考，以马达实际输出电流为反馈，通过PI调节器增加反向电动势估计值；若马达实际输出电流大于状态观测器输出的模拟电流，那么以状态观测器输出的模拟电流为参考，以马达实际输出电流为反馈，通过PI调节器减少反向电动势估计值；当状态观测器输出的模拟电流和马达实际输出电流相等时，输出反向电动势估计值，此时反向电动势估计值与马达真实的反向电动势值相等；

计算直流马达转速ω；

将直流马达转速ω输入速度控制器，通过速度控制器控制直流马达的转速。

在计算直流马达转速ω步骤中，通过公式ω=V_bemf*1/K_e计算出直流马达转速，其中ω表示马达转速，V_bemf为马达真实的反向电动势值，K_e为反向电动势常数。

在采集马达实际输出电流步骤中，采集马达实际输出电流并滤波从而得到马达实际输出电流。

所述的直流马达为直流有刷电机。

本发明还公开了一种基于状态观测器的直流马达转速控制系统，包括：

采集单元：用于采集马达实际输出电流；

比较输出单元：用于比较状态观测器输出的模拟电流和马达实际输出电流，若马达实际输出电流小于状态观测器输出的模拟电流，那么以状态观测器输出的模拟电流为参考，以马达实际输出电流为反馈，通过PI调节器增加反向电动势估计值；若马达实际输出电流大于状态观测器输出的模拟电流，那么以状态观测器输出的模拟电流为参考，以马达实际输出电流为反馈，通过PI调节器减少反向电动势估计值；当状态观测器输出的模拟电流和马达实际输出电流相等时，输出反向电动势估计值，此时反向电动势估计值与马达真实的反向电动势值相等；

计算单元：用于计算直流马达转速ω；

控制单元：用于将直流马达转速ω输入速度控制器，通过速度控制器控制直流马达的转速。

在计算单元中，通过公式ω=V_bemf*1/K_e计算出直流马达转速，其中ω表示马达转速，V_bemf为马达真实的反向电动势值，K_e为反向电动势常数。

在采集单元中，采集马达实际输出电流并滤波从而得到马达实际输出电流。

所述的直流马达为直流有刷电机。

理想直流电机的电气数学模型可以表达为：

$V_{\mathrm{DC}}=V_{\mathrm{bemf}}+I*R+L*\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}=K_e*\mathrm{\ω}+I*R+L*\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

这里，V_DC表示作用于马达线圈的直流电压，V_bemf为反向电动势，K_e为反向电动势常数，ω表示马达转速，I表示流过马达线圈的电流，R表示马达线圈直流内阻，L表示马达线圈电感，

表示马达电流对时间的变化率（即导数）。

因为马达转速正比于反向电动势，即ω=V_bemf*1/K_e，所以只要知道反向电动势V_bemf之大小，就能计算出马达转速ω。

转速。

本发明采用现代控制理论的状态观测器的方法求解马达转速，V_bemf表示真实马达的反向电动势，V_{bemf_g}表示估计的马达的反向电动势；Imotor表示真实马达电流，Imotor_g表示估计的马达电流。

本发明用单片机程序建立一个等效的数学模型模拟真实马达，俗称状态观测器，要观测的变量就是马达的反向电动势，该模型跟原始系统有一样的传递特性。理论上来说，如果真实系统跟虚拟系统有相同的输入条件和初始条件，它们的输出及所有状态变量，就会完全一抹一样，于是我们可以通过读取V_{bemf_g}获得马达真实的反向电动势值。但实际上，因为虚拟模型跟真实系统一定会有误差，初始条件也不能完全一样，状态变量V_{bemf_g}自然不可能完全跟踪V_bemf。鉴于此，我们引入闭环反馈技术，将马达实际输出电流和模拟器的输出电流做比较，求得其误差，通过PI控制器，自动修正V_{bemf_g}的值，直到电流误差变为0，那么这个被不断修正的模拟器完全等效于真实马达，状态变量V_{bemf_g}就会完全跟踪V_bemf的变化，通过公式，ω=V_bemf*1/K_e立即可计算出马达转速，然后再以此速度接入普通的速度控制器，即可控制马达转速。

PI控制器是比例调节和积分调节，比例调节作用：按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差；比例作用大,可以加快调节,减少误差。

积分调节作用：使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。

本发明无需使用模拟速度传感器或数字速度传感器来测量转速，能够直接控制直流马达转速，将直流马达转速输入速度控制器，通过速度控制器控制直流马达的转速，利于技术的推广应用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于状态观测器的直流马达转速控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

采集马达实际输出电流；

比较状态观测器输出的模拟电流和马达实际输出电流，若马达实际输出电流小于状态观测器输出的模拟电流，那么以状态观测器输出的模拟电流为参考，以马达实际输出电流为反馈，通过PI调节器增加反向电动势估计值；若马达实际输出电流大于状态观测器输出的模拟电流，那么以状态观测器输出的模拟电流为参考，以马达实际输出电流为反馈，通过PI调节器减少反向电动势估计值；当状态观测器输出的模拟电流和马达实际输出电流相等时，输出反向电动势估计值，此时反向电动势估计值与马达真实的反向电动势值相等；

计算直流马达转速ω；

将直流马达转速ω输入速度控制器，通过速度控制器控制直流马达的转速。

2.根据权利要求1所述的直流马达转速控制方法，其特征在于：在计算直流马达转速ω步骤中，通过公式ω=V_bemf*1/K_e计算出直流马达转速，其中ω表示马达转速，V_bemf为马达真实的反向电动势值，K_e为反向电动势常数。

3.根据权利要求1所述的直流马达转速控制方法，其特征在于：在采集马达实际输出电流步骤中，采集马达实际输出电流并滤波从而得到马达实际输出电流。

4.根据权利要求1至3任一项所述的直流马达转速控制方法，其特征在于：所述的直流马达为直流有刷电机。

5.一种基于状态观测器的直流马达转速控制系统，其特征在于，包括：

采集单元：用于采集马达实际输出电流；

比较输出单元：用于比较状态观测器输出的模拟电流和马达实际输出电流，若马达实际输出电流小于状态观测器输出的模拟电流，那么以状态观测器输出的模拟电流为参考，以马达实际输出电流为反馈，通过PI调节器增加反向电动势估计值；若马达实际输出电流大于状态观测器输出的模拟电流，那么以状态观测器输出的模拟电流为参考，以马达实际输出电流为反馈，通过PI调节器减少反向电动势估计值；当状态观测器输出的模拟电流和马达实际输出电流相等时，输出反向电动势估计值，此时反向电动势估计值与马达真实的反向电动势值相等；

计算单元：用于计算直流马达转速ω；

控制单元：用于将直流马达转速ω输入速度控制器，通过速度控制器控制直流马达的转速。

6.根据权利要求5所述的直流马达转速控制系统，其特征在于：在计算单元中，通过公式ω=V_bemf*1/K_e计算出直流马达转速，其中ω表示马达转速，V_bemf为马达真实的反向电动势值，K_e为反向电动势常数。

7.根据权利要求5所述的直流马达转速控制系统，其特征在于：在采集单元中，采集马达实际输出电流并滤波从而得到马达实际输出电流。

8.根据权利要求5至7任一项所述的直流马达转速控制系统，其特征在于：所述的直流马达为直流有刷电机。

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