CN104849488B - 一种直线感应电机的速度监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直线感应电机的速度监测方法，通过物理学运动方程构造直线感应电机的速度信号对应的理论观测方程和估计观测方程，通过理论观测方程和估计观测方程获取实际观测方程，通过FPGA芯片对脉冲沿进行采集，以获取失步误差，利用失步误差Terror计算对脉冲沿采集的时刻的角度估计值和角速度估计值，并将角度估计值和角速度估计值带入实际观测方程，实现了对实际观测方程的校正，即实现了对角度和角速度的校正，从而提高了速度观测的精度。
Description
技术领域
本发明涉及直线感应电机技术领域，特别是涉及一种直线感应电机的速度监测方法。
背景技术
中低速磁悬浮列车和轮轨列车是新型的轨道交通运输工具，通常采用直线感应电机作为驱动装置，具有安全可靠、工程造价低、爬坡能力强、拐弯半径小、噪音低以及最大牵引力的发挥不收轮轨粘着关系限值等诸多优点。为实现高精度闭环控制，需要直线感应电机初级速度的实时反馈，因此，对于直线感应电机的速度监测是本领域技术人员重点解决的问题。
目前，对于直线感应电机的速度监测方法主要包括：采用硬件的方式，例如，对于磁悬浮列车，利用计数轨枕测试方法，采用涡流传感器来监测金属轨枕以获取速度信号；对于直线电机轮轨列车，在轮对上安装编码器以实时反馈当前的速度信号。
对于上述方法，当列车运行速度较低时，例如，当磁悬浮列车的速度较低时，其上的涡流传感器获取的两个速度脉冲之间的间隔时间很长，导致低速工况运行下的测速精度较低。
因此，如何提高监测直线感应电机速度的精度是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种直线感应电机的速度监测方法，用于提高监测直线感应电机速度的精度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种直线感应电机的速度监测方法，包括：
根据物理学运动方程构造所述直线感应电机的速度信号对应的理论观测方程；
根据所述速度信号构造对应的估计观测方程；
利用所述估计观测方程与所述理论观测方程获取相邻两个周期对应的实际观测方程；
通过所述直线感应电机的FPGA芯片对所述速度信号的脉冲沿进行采集，以获取失步误差，其中，所述失步误差为所述脉冲沿的采集时刻与系统计算时刻的时间差；
利用所述失步误差计算所述采集时刻的角度估计值和角速度估计值；
将所述角度估计值和所述角速度估计值带入所述实际观测方程，以实现对角度和角速度的校正；
其中，所述速度信号包括：电机输出转矩、负载转矩、摩擦系数、转动惯量、角速度和加速度；
所述理论观测方程为：
其中，T为周期，Te为电机输出转矩，TL为负载转矩，Jm为转动惯量，ω为角速度，θ为角度；
所述估计观测方程为：
其中，k1、k2和k3通过所述估计观测方程与所述理论观测方程做差后对应的特征方程获取，和分别为θ、ω和TL对应的估计值；
所述实际观测方程为：
其中，k表示对所述速度信号的脉冲沿进行采集的时刻。
本发明所提供的直线感应电机的速度监测方法，通过物理学运动方程构造直线感应电机的速度信号对应的理论观测方程和估计观测方程，通过理论观测方程和估计观测方程获取实际观测方程，通过FPGA芯片对脉冲沿进行采集，以获取失步误差，利用失步误差Terror计算对脉冲沿的采集时刻的角度估计值和角速度估计值，并将角度估计值和角速度估计值带入实际观测方程，实现了对实际观测方程的校正，即实现了对角度和角速度的校正，从而提高了速度观测的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种直线感应电机的速度监测方法的流程图；
图2为本发明提供的一种失步误差的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
本发明的核心是提供一种直线感应电机的速度监测方法。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明提供的一种直线感应电机的速度监测方法的流程图。直线感应电机的速度监测方法，包括：
S10：根据物理学运动方程构造所述直线感应电机的速度信号对应的理论观测方程。
S11：根据所述速度信号构造对应的估计观测方程。
S12：利用所述估计观测方程与所述理论观测方程获取相邻两个周期对应的实际观测方程。
S13：通过所述直线感应电机的FPGA芯片对所述速度信号的脉冲沿进行采集，以获取失步误差值，其中，所述失步误差为所述脉冲沿的采集时刻与系统计算时刻的时间差。
S14：利用所述失步误差值计算所述采集时刻与所述系统计算时刻的角度估计值和角速度估计值。
S15：将所述角度估计值和所述角速度估计值带入所述实际观测方程，以实现对角度和角速度的校正。
其中，所述速度信号包括：电机输出转矩、负载转矩、摩擦系数、转动惯量、角速度和加速度。
所述理论观测方程为：
其中，T为周期，Te为电机输出转矩，TL为负载转矩，Jm为转动惯量，ω为角速度，θ为角度。
在具体实施中，根据物理学运动方程构造脉冲速度信号对应的理论观测方程。
所述估计观测方程为：
其中，k1、k2和k3通过所述估计观测方程与所述理论观测方程做差后对应的特征方程获取，和分别为θ、ω和TL对应的估计值。
在具体实施中，得到估计观测方程和理论观测方程后，由于估计观测方程中的k1、k2和k3是未知的，因此，需要通过将估计观测方程和理论观测方程做差得到以下方程：
式中，x＝[θ ω TL]T，W为常数项。
该方程对应的特征方程为：
根据要求的极点分布可以求出k1、k2和k3，也就可以得到实际观测方程。
所述实际观测方程为：
其中，k表示对所述速度信号的脉冲沿进行采集的时刻。
在具体实施中，在一个控制周期T内，直线感应电机的转子在一个周期内转过的角度增量为：
其中，θ为角度增量，ω为角速度，a为加速度。
根据物理学运动方程则有：
其中，T为周期，Te为电机输出转矩，TL为负载转矩，Bm为摩擦系数，Jm为转动惯量，ω为角速度，a为加速度。
根据物理学运动方程构造直线感应电机的速度信号对应的理论观测方程。构造理论观测方程后，再根据速度信号构造对应的估计观测方程。通过理论观测方程与估计观测方程获取相邻两个周期对应的实际观测方程。实际观测方程能够体现出相邻两个周期的角度和角速度的关系，以此可以计算直线感应电机的速度。
但是由于在实际应用中，系统的计算周期一般固定，如100us，但是用于采集速度信号的装置，如涡流传感器或编码器，采集的时刻是随机的，与系统的计算周期并非保持一致，存在失步误差。本文所述的失步误差是系统计算时刻与采集速度信号的装置的采集时刻的误差，如图2所示。图2为本发明提供的一种失步误差的示意图。其中，黑色的粗线表示采集速度信号的装置在第k时刻采集到的角度θk，对于图2来说，失步误差Terror为t2和tk的差值。通过直线感应电机的FPGA芯片对速度信号的脉冲沿进行采集，即捕捉tk时刻，以获取失步误差Terror，其中，所述失步误差Terror为对所述脉冲沿采集的时刻与系统计算时刻的时间差。当获得失步误差Terror后，利用失步误差Terror计算对脉冲沿采集的时刻与系统计算时刻的角度估计值和角速度估计值，并将角度估计值和角速度估计值带入实际观测方程，以实现对角度和角速度的校正。
本实施例提供的直线感应电机的速度监测方法，通过FPGA芯片对脉冲沿进行采集，以获取失步误差，利用失步误差Terror计算对脉冲沿采集的时刻与系统计算时刻的角度估计值和角速度估计值，并将角度估计值和角速度估计值带入实际观测方程，实现了对实际观测方程的校正，即实现了对角度和角速度的校正，从而提高了速度观测的精度。
为了让本领域技术人员更加理解本发明对角度和角速度的校正，下面结合图2进行详细说明。
对于图2，对tk时刻的角度和速度进行观测，则有：
将上式带入实际观测方程中，则可以实现对角度和角速度的校正。
以上对本发明所提供的直线感应电机的速度监测方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (1)
1.一种直线感应电机的速度监测方法，其特征在于，包括：
根据物理学运动方程构造所述直线感应电机的速度信号对应的理论观测方程；
根据所述速度信号构造对应的估计观测方程；
利用所述估计观测方程与所述理论观测方程获取相邻两个周期对应的实际观测方程；
通过所述直线感应电机的FPGA芯片对所述速度信号的脉冲沿进行采集，以获取失步误差，其中，所述失步误差为所述脉冲沿的采集时刻与系统计算时刻的时间差；
利用所述失步误差计算所述采集时刻的角度估计值和角速度估计值；
将所述角度估计值和所述角速度估计值带入所述实际观测方程，以实现对角度和角速度的校正；
其中，所述速度信号包括：电机输出转矩、负载转矩、摩擦系数、转动惯量、角速度和加速度；
所述理论观测方程为：
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其中，T为周期，Te为电机输出转矩，TL为负载转矩，Jm为转动惯量，ω为角速度，θ为角度；
所述估计观测方程为：
其中，k1、k2和k3通过所述估计观测方程与所述理论观测方程做差后对应的特征方程获取，和分别为θ、ω和TL对应的估计值；
所述实际观测方程为：
其中，k表示对所述速度信号的脉冲沿进行采集的时刻。
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