CN105099324B - 驱动器的状态观测器及其速度估算方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种驱动器速度估算方法，该估算方法包括：将接收的电机的实际转角与电机转角的初始值进行比较得到电机的转角误差；利用转角误差、调节器的调节系数、电机的基本特征量并根据预设方程计算得到电机的估算转速、电机的估算转角；对比判断该电机的估算转角是否等于电机的实际转角，若电机的估算转角不等于电机的实际转角，则返回重新计算转角误差直至电机的估算转角等于电机的实际转角，此时电机的估算转速即为实际的电机转速。采用上述估算方法可实时快速获取准确的电机转速，提高系统性能。此外，本发明还公开应用该估算的方法的状态观测器以及速度估算系统。

Description

驱动器的状态观测器及其速度估算方法和系统

技术领域

本发明涉及一种速度估算方法，尤其涉及种用于驱动器的状态观测器及其速度估算方法和系统。

背景技术

在控制系统中，驱动器的速度是其必不可少的参数。现有的技术中，驱动器的速度测量一般是通过速度编码器测量电机转角，并根据一定时间内电机转角的变化角度求出电机运行角速度即用测量脉冲频率的M法、测量脉冲周期的T法以及两者结合切换的M/T法，但是使用该方法测量转速会存在一定的时间间隔(ms级时间)，导致计算所得转速滞后和不连续，会降低控制器速度环带宽，降低系统性能。

发明内容

有鉴于此，实有必要提供一种更加准确测量驱动器电机转速的状态观测器。

此外，还有必要提供一种驱动器的速度的估算方法及其系统。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

一种驱动器的状态观测器，所述状态观测器包括对比单元以及执行单元；对比单元用于将所接收的测量单元测量的电机实际转角与电机转角的初始值进行比较得到电机的转角误差；以及执行单元包括：第一计算单元用于根据电机的转角误差以及积分系数K3通过预设的第一方程可计算出电机的估算负载转矩T_L；第二计算单元，用于根据上述电机的估算负载转矩、转角误差以及预设的电机基本特征量和比例系数K2构建关于电机的粗算转速W的预设的第二方程，并计算出电机的粗算转速W；以及第三计算单元，用于根据上述电机的粗算转速、转角误差以及预设的积分系数K1通过预设的第三方程计算得到电机的估算转速，并根据电机的估算转速积分运算得到电机的估算转角；其中，所述对比单元还用于对比判断电机的估算转角与电机的实际转角是否相等；若电机的估算转角与电机的实际转角相等，第三计算单元则输出电机的估算转速；若电机的估算转角与电机的实际转角不相等，则电机的实际转角与电机的估算转角进行比较重新计算该转角误差，并重新进行计算电机的估算转角直至等于电机的实际转角。

一种驱动器速度的估算系统，其特征在于，所述估算系统包括：测量单元，用于测量电机的实际转角；所述状态观测器包括对比单元以及执行单元；对比单元用于将所接收的测量单元测量的电机实际转角与电机转角的初始值进行比较得到电机的转角误差；以及执行单元包括：第一计算单元用于根据电机的转角误差以及积分系数K3通过预设的第一方程可计算出电机的估算负载转矩T_L；第二计算单元，用于根据上述电机的估算负载转矩、转角误差以及预设的电机基本特征量和比例系数K2构建关于电机的粗算转速W的预设的第二方程，并计算出电机的粗算转速W；以及第三计算单元，用于根据上述电机的粗算转速、转角误差以及预设的积分系数K1通过预设的第三方程计算得到电机的估算转速，并根据电机的估算转速积分运算得到电机的估算转角；其中，所述对比单元还用于对比判断电机的估算转角与电机的实际转角是否相等；若电机的估算转角与电机的实际转角相等，第三计算单元则输出电机的估算转速；若电机的估算转角与电机的实际转角不相等，则电机的实际转角与电机的估算转角进行比较重新计算该转角误差，并重新进行计算电机的估算转角直至等于电机的实际转角。

一种驱动器速度的估算方法，其特征在于，所述估算方法包括：接收电机的实际转角转角；将实际转角与电机转角的初始值进行比较得到电机的转角误差；根据上述电机的转角误差以及预设的调节器的积分系数K3通过预设的第一方程计算电机的估算负载转矩；根据上述电机的估算负载转矩、电机的转角误差以及预设的电机基本特征量和调节器的比例系数K2、构建关于电机的粗算转速的预设的第二方程，并计算出电机的粗算转速；根据上述电机粗算转速、电机的转角误差以及预设的调节器的积分系数K1通过预设的第三方程计算出电机的估算转速；对电机的估算转速进行积分运算得到估算的电机转角；对比判断电机的估算转角与电机的实际转角是否相等；若电机的估算转角与电机的实际转角相等，则输出电机的估算转速；若电机的估算转角与电机的实际转角不相等，则电机的实际转角与电机的估算转角进行比较重新计算该转角误差，并重新进行计算电机的估算转角直至等于电机的实际转角。

上述中基于状态观测器的速度估算方法，将编码器测量电机转角作为输入状态变量进行转速的估算，可实施更新转速(us级时间)，能够快速获取实时转速，解决了传统方法总速度计算需要ms级时间间隔，速度计算存在滞后的问题，提升转速环响应带宽，提高系统性能，与此同时，除可估算电机转速，还可准确估算电机转角以及电机的负载转矩。

附图说明

图1为实施方式中驱动器速度的估算系统的功能模块图。

图2为实施方式中驱动器速度的估算方法的原理图。

图3为实施方式中驱动器速度的估算方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本实施方式中的附图，对本实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述。

请参看图1，本实施方式中一种驱动器速度的估算系统的功能模块图。

驱动器速度的估算系统1包括状态观测器10和测量单元20。测量单元20用于测量驱动器电机的实际转角，并将所测量的驱动器电机的实际转角输送给状态观测器10。本实施方式中，优选速度编码器来测量电机的实际转角。状态观测器10包括执行单元101和对比单元102。

对比单元102用于将所接收的测量单元20测量的电机实际转角与电机转角的初始值进行比较得到电机的转角误差△θ。

执行单元101用于当对比单元102判断出电机的实际转角与电机的估算转角不相等时，通过预设规则的重新计算电机的估算转角直至电机的估算转角与电机的实际转角相等。本实施方式中优选PID调节器作为执行单元101，根据对比单元102的判断结果，执行调节电机的估算转角与电机的实际转角的转角误差。本实施方式中，PID调节器依靠三个调节系数积分系数K1、比例系数K2以及积分系数K3来调节以减少误差。其中调节系数与系统相匹配，不同的系统根据需求具有不同的调节系数，其根据系统误差，利用积分和比例计算出控制量进行控制。调节器的积分系数K1、比例系数K2以及积分系数K3是根据被控过程的特性来确定的，其可以根据动态特性及时整定，其主要通过工程整定方法得到，即通过直接在控制系统中的试验中进行，按照工程经验公式，进行整定。

执行单元101包括第一计算单元1011、第二计算单元1012以及第三计算单元1013。

第一计算单元1011，用于根据电机的实际转角与电机的估算转角的转角误差△θ以及调节器的积分系数K3通过预设的第一方程可计算得到电机的估算负载转矩T_L。其中预设的第一方程为：T_L＝∫(Δθ×K3)，若电机的估算负载转矩T_L是等于实际物理值，则输出该电机的估算转矩T_L。

第二计算单元1012，用于根据上述电机的估算负载转矩T_L、转角误差△θ以及预设的电机基本特征量中的电机的输出转矩Te、电机的摩擦系数B、电机的转动惯量J和调节器的比例系数K2构建关于电机的粗算转速W的预设的第二方程，并计算出电机的粗算转速W。其中，预设的第二方程为：

∫[(△θ×K2+T_L+T_e-BW)/J]＝W。

第三计算单元1013，用于根据上述电机的粗算转速W、转角误差△θ以及预设的调节器的积分系数K1通过预设的第三方程计算得到电机的估算转速ω^_m，再根据电机的估算转速ω^_m积分运算得到电机的估算转角θ^_m，其中，预设的第三方程为：W+△θ×K1＝ω^_m。若电机的估算转速ω^_m以及电机的估算转角θ^_m是等于实际物理值，则输出电机的估算转速ω^_m以及电机的估算转角θ^_m。

对比单元102还用于对比判断电机的估算转角与电机的实际转角是否相等；若电机的估算转角与电机的实际转角相等，第三计算单元则输出电机的估算转速；若电机的估算转角与电机的实际转角不相等，则电机的实际转角与电机的估算转角进行比较重新计算该转角误差，重新进行计算电机的估算转角直至等于电机的实际转角。

请参看图2，其为一种驱动器速度的估算方法的原理图。

测量单元测量出电机的实际转角θ_m将输送到状态观测器。且当程序开始时，状态观测器初始化，设定电机的实际转角θ_m与电机的估算转角θ^_m的转角误差△θ为零，其他阶段该转角误差△θ等于电机的实际转角θ_m与电机的估算转角θ_m的差，如图2所示中运算符S1处所表示为：△θ＝θ_m-θ_m。

计算得到转角误差△θ后，状态观测器利用转角误差△θ以及调节器的积分系数K3按照第一方程计算电机的估算负载转矩T_L，其中第一方程为：

T_L＝∫(Δθ×K3)

随后，根据电机运动状态方程设计本实施方式中的预设第二方程，并用于计算电机的粗算转速W。其中，粗算的电机转角W不等于电机的估算转速，其与电机的估算转速之间仍有误差，需要后续整定来减小误差。如图2所示，其中1/S表示为积分运算，运算符S2处所表示的为预设的第二方程：

∫[(△θ×K2+T_L+T_e-BW)/J]＝W

因此，根据电机的估算负载转矩T_L、系统的输出转矩T_e以及调节器的比例系数K2计算得到电机的粗算转速W，且预设的系统的基本特征量为电机摩擦系数B、电机的输出转矩T_e、电机转动惯量J。

由于，计算所得的粗算的电机转角W不是所需的电机的估算转速，其与电机的估算转速之间仍有误差，故利用调节器的积分系数K1以及电机转角根据第三方程计算所需的电机的估算转速ω^_m，如图2所示中运算符S3所表示为预设的第三方程：W+△θ×K1＝ω^_m。

得到估算转速ω^_m后进行积分运算得到电机的估算转角θ^_m。比较单元将对比判断电机的估算转角θ^_m和电机的实际转角θ_m是否相等。如果电机的估算转角θ^_m和电机的实际转角θ_m不等，则计算此次得到的电机的估算转角θ^_m和电机的实际转角θ_m的转角误差△θ，并重新进行计算电机的估算转速ω^_m、电机的估算转角θ^_m直至所得的电机的估算转角θ^_m等于电机的实际转角θ_m。当电机的估算转角θ^_m等于电机的实际转角θ_m，输出的电机的估算转角θ^_m、电机的估算转速ω^_m以及电机的估算负载转矩T_L的值即是实际物理值。

请参看图3，本实施例的驱动器速度的估算方法流程图，具体实施步骤如下所示：

步骤S301，接收电机的实际转角。

具体地，本实施方式中速度编码器测量电机的实际转角并输入到状态观测器中。

步骤S302，将实际转角与电机转角的初始值进行比较得到电机的转角误差。

具体地，程序开始时一切处于初始化状态，将实际转角与电机转角的初始值进行比较并设定转角误差为零。

步骤S303，根据上述电机的转角误差以及预设的调节器的积分系数K3通过预设的第一方程计算得到电机的估算负载转矩。

步骤S304，根据上述电机的估算负载转矩、电机的转角误差以及预设的电机基本特征量和调节器的比例系数K2来构建关于电机的粗算转速的预设的第二方程，并计算出电机的粗算转速。

具体地，预设的电机基本特征量指电机的转动惯量J、电机的摩擦系数B以及电机的输出转矩T_e。

步骤S305，根据上述电机的粗算转速、电机的转角误差以及预设的调节器的积分系数K1通过预设的第三方程计算得到电机的估算转速。

步骤S306，根据电机的估算转速积分运算得到电机的估算转角。

步骤S307，对比判断电机的估算转角是否等于电机的实际转角，若电机的估算转角不等于电机的实际转角，则进行步骤S309；若电机的估算转角等于电机的实际转角，则进行步骤S308。具体地，如果观测到电机的估算转角和实际的电机角度闭环相等时，则说明构建的状态观测器和实际物理约束相等，即观测器电机的估算转角、电机的负载转矩、电机转速的值是实际物理值。

步骤S308，输出电机的估算转角、电机的估算转速以及估算的电机的负载转矩。

步骤S309，将电机的实际转角与电机的估算转角进行比较重新计算电机的转角误差。

具体地，电机的实际转角与电机的估算转角进行比较重新计算，再进行后续计算，直至电机的实际转角等于电机的估算转角。

利用上述的估算方法，速度编码器测量的电机转角作为输入状态变量，状态观测器实时调整电机的估算转角与实际输入的电机转角的关系，可准确快速获得电机实时转速，同时还获得电机的转角以及电机的负载转矩，提高转速环响应带宽，提高系统的性能。

对所公开实例的上述说明，使得本技术领域专业人员能够实现或者使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种驱动器的状态观测器，其特征在于，所述状态观测器包括对比单元以及执行单元；

对比单元用于将所接收的测量单元测量的电机实际转角与电机转角的初始值进行比较得到电机的转角误差；以及

执行单元包括：

第一计算单元用于根据电机的转角误差以及积分系数K3通过预设的第一方程可计算出电机的估算负载转矩T_L；

第二计算单元，用于根据上述电机的估算负载转矩、转角误差以及预设的电机基本特征量和比例系数K2构建关于电机的粗算转速W的预设的第二方程，并计算出电机的粗算转速W；以及

第三计算单元，用于根据上述电机的粗算转速、转角误差以及预设的积分系数K1通过预设的第三方程计算得到电机的估算转速，并根据电机的估算转速积分运算得到电机的估算转角；

其中，所述对比单元还用于对比判断电机的估算转角与电机的实际转角是否相等；若电机的估算转角与电机的实际转角相等，第三计算单元则输出电机的估算转速；若电机的估算转角与电机的实际转角不相等，则电机的实际转角与电机的估算转角进行比较重新计算该转角误差，并重新进行计算电机的估算转角直至等于电机的实际转角。

2.如权利要求1所述的驱动器的状态观测器，其特征在于，所述预设的第二方程依据电机运动状态方程而设定，其中ωm为电机转速，T_L为电机的负载转矩、J为电机的转动惯量、B为电机的摩擦系数以及T_e为电机的输出转矩，且电机的转动惯量J、电机的摩擦系数B以及电机的输出转矩T_e为电机的基本特征量。

3.如权利要求1所述的驱动器的状态观测器，其特征在于，执行单元为PID调节器，根据对比单元的对比结果利用积分系数K1、比例系数K2以及积分系数K3执行调节用以减小误差，其中调节系数K1、K2、K3根据被控过程的特性在实际试验所得到。

4.如权利要求1所述的驱动器的状态观测器，其特征在于，所述预设的第一方程为T_L＝∫(Δθ×K3)；预设的第二方程为：∫[(Δθ×K2+T_L+T_e-BW)/J]＝W；预设的第三方程为：W+△θ×K1＝ω^_m，其中，△θ为转角误差、T_L为电机的估算负载转矩、J为电机的转动惯量、B为电机的摩擦系数、T_e为电机的输出转矩，W为电机的粗算转速。

5.一种驱动器速度的估算系统，其特征在于，所述估算系统包括：

测量单元，用于测量电机的实际转角；

状态观测器包括对比单元以及执行单元；

对比单元用于将所接收的测量单元测量的电机实际转角与电机转角的初始值进行比较得到电机的转角误差；以及

执行单元包括：

第一计算单元用于根据电机的转角误差以及积分系数K3通过预设的第一方程可计算出电机的估算负载转矩T_L；

第二计算单元，用于根据上述电机的估算负载转矩、转角误差以及预设的电机基本特征量和比例系数K2构建关于电机的粗算转速W的预设的第二方程，并计算出电机的粗算转速W；以及

第三计算单元，用于根据上述电机的粗算转速、转角误差以及预设的积分系数K1通过预设的第三方程计算得到电机的估算转速，并根据电机的估算转速积分运算得到电机的估算转角；

其中，所述对比单元还用于对比判断电机的估算转角与电机的实际转角是否相等；若电机的估算转角与电机的实际转角相等，第三计算单元则输出电机的估算转速；若电机的估算转角与电机的实际转角不相等，则电机的实际转角与电机的估算转角进行比较重新计算该转角误差，并重新进行计算电机的估算转角直至等于电机的实际转角。

6.如权利要求5所述的驱动器速度的估算系统，其特征在于，所述预设的第一方程为T_L＝∫(Δθ×K3)；预设的第二方程为：∫[(Δθ×K2+T_L+T_e-BW)/J]＝W；预设的第三方程为：W+△θ×K1＝ω^_m，其中，△θ为转角误差、T_L为电机的估算负载转矩、J为电机的转动惯量、B为电机的摩擦系数、T_e为电机的输出转矩，W为电机的粗算转速。

7.一种驱动器速度的估算方法，其特征在于，所述估算方法包括：

接收电机的实际转角转角；

将实际转角与电机转角的初始值进行比较得到电机的转角误差；

根据上述电机的转角误差以及预设的调节器的积分系数K3通过预设的第一方程计算电机的估算负载转矩；

根据上述电机的估算负载转矩、电机的转角误差以及预设的电机基本特征量和调节器的比例系数K2、构建关于电机的粗算转速的预设的第二方程，并计算出电机的粗算转速；

根据上述电机粗算转速、电机的转角误差以及预设的调节器的积分系数K1通过预设的第三方程计算出电机的估算转速；

对电机的估算转速进行积分运算得到估算的电机转角；

对比判断电机的估算转角与电机的实际转角是否相等；

若电机的估算转角与电机的实际转角相等，则输出电机的估算转速；

若电机的估算转角与电机的实际转角不相等，则电机的实际转角与电机的估算转角进行比较重新计算该电机的转角误差，并重新进行计算电机的估算转角直至等于电机的实际转角。

8.如权利要求7所述的驱动器速度的估算方法，其特征在于，所述估算方法用于计算电机的负载转矩的预设的第一方程为：T_L＝∫(Δθ×K3)，其中△θ为转角误差、T_L为电机的估算负载转矩。

9.如权利要求7所述的驱动器速度的估算方法，其特征在于，所述估算方法用于计算电机的估算转速的预设第二方程为：∫[(Δθ×K2+T_L+T_e-BW)/J]＝W，其中△θ为转角误差、T_L为电机的估算负载转矩、J为电机的转动惯量、B为电机的摩擦系数、T_e为电机的输出转矩，W为电机的粗算转速。

10.如权利要求7所述的驱动器速度的估算方法，其特征在于，所述估算方法用于计算电机的估算转速的预设第三方程为：

W+△θ×K1＝ω^_m，W为电机的粗算转速、△θ为转角误差、ω^_m为电机的估算转速。