CN106953561B - 一种基于最小二乘分类测速的有刷直流电机调速方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于最小二乘分类测速的有刷直流电机调速方法，采用最小二乘分类测速模块和PID调速；最小二乘分类测速包括：线性最小二乘分类器把电流序列分为尖峰序列和非尖峰序列两类，电机每转产生电流尖峰个数是固定的，以此计算电机转速。PID调速为采用最小二乘分类测速速度反馈的PID控制器。本发明提出的基于最小二乘分类测速的有刷直流电机调速方法采用最小二乘分类器识别电流尖峰，并基于电流纹波实现了无传感器PID调速，实现了有刷直流电机无传感器调速的高跟踪精度，具有结构精简但对复杂环境同样适应的特点，且离线训练的最小二乘分类计算简单。

Description

一种基于最小二乘分类测速的有刷直流电机调速方法

技术领域

本发明涉及一种基于最小二乘分类测速的有刷直流电机调速方法。

背景技术

当有刷直流电机工作时，电源通过电刷、电枢换向器向电机转子的绕组提供电流，在内部定子磁场的作用下，转子绕组开始旋转，并带动电枢换向器一起转动，使得转子电流与磁场产生的转矩方向一定。由于直流电机存在机械换向不平滑的问题，导致电机的电枢电路上电流存在周期性纹波。绕组元件从一个支路经过电刷进入另一个支路时，元件中电流方向发生了改变，由于电机旋转一周，换向的次数也是一定的，所产生的电流纹波频率与电机的转速存在一定的关系，因此可通过换向纹波的频率得到其转速。实际电流中包含很多噪声，来自电机本身，电源噪声，或者电感耦合，这些噪声会影响电流的波形。

测量换向纹波的频率便可得到其转速。因此有人提出采样时间确定，检测过零点的个数便可计算交流频率，实际电流中包含很多噪声会影响过零点判断的正确率。针对有刷直流电机电流存在诸多噪声，许多学者对检测方法进行了一系列的改进。有人将过零点比较法和动态模型估计法相结合，动态模型估计所得的有刷直流电机转速与电流纹波周期有关。通过估计周期限定两个连续过零点的间隔时间，两个连续过零点的间隔时间太短，后一个过零点被过滤，若两个连续过零点的间隔时间太长，则添加一个过零点。上述方法与模型估计一样具有参数变化问题，影响控制精度。若进一步改进地采用动态参数估计，但会得出一个复杂的非线性模型，需要非常大计算花费来满足，并且采用这个方法构建模型需要同时检测电机电流和电压，要再添加一个AD转换器，增加系统成本。电流检测模块必须同时具备结构简单和精度较高的优点，才能使电机测速系统性能的进一步提高，且有的电流波形受干扰影响，整体下掉，不会产生过零点，因此采取电流尖峰来确定频率更为可靠。最小二乘分类能在保证较高的准确率的同时，将计算量最大限度减小，将其应用于嵌入式系统中如DSP能够满足。迄今为止，采用最小二乘电流分类器测速的有刷直流电机无传感器调速尚未出现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于最小二乘分类测速的有刷直流电机调速方法，以克服现有技术中存在的确缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于最小二乘分类测速的有刷直流电机调速方法，按照如下步骤实现：

步骤S1：记有刷直流电机初始转速为Speed*，在有刷直流电机启动阶段电机控制采用bang-bang控制，启动阶段完成后，进入调速阶段，电机控制切换为PID控制；

步骤S2：通过一最小二乘分类器检测有刷直流电机输出脉冲，且该最小二乘分类器的判别函数为：

g(x(k))=ω·x(k)；

若g(x(k))>=0，则y(k)=1；

若g(x(k))<0，则y(k)=0；

其中，ω为最小二乘分类器的权值，x(k)为特征向量，y(k)为分类器布尔值输出；x(k)为：x(k)=P(y(k-1),...,y(k-n),i(k),...,i(k-n))，i(k),…,i(k-n)和y(k),…,y(k-n)分别为最小二乘分类器第k时刻的电流输入和分类输出，i(k)为电流值，y(k)为分类结果，n为输入和输出的拍数；

步骤S3：采样并保留p拍的电流输入信号{i(k-1),…,i(k-p)}，将电流按是否为尖峰分为两类，并用布尔值表示；记输入为{i(k),…,i(k-n+1)}，若为尖峰输出，则记为y(k)=1，若非尖峰输出，则记为y(k)=0；将p拍的电流输入信号{i(k),…,i(k-p+1)}和p拍的输出信号{y(k),…,y(k-p+1)}作为训练样本，通过最小二乘法训练获得所述最小二乘分类器的权值ω；

步骤S4：在PID调速阶段中，在线检测并保留n拍的电流输入信号{i(k),…,i(k-n+1)}和n拍的核岭分类器输出信号{y(k-1),…,y(k-n)}，并计算x(k)以及最小乘分类器的判别函数的输出g(x(k))；

步骤S5：根据判决条件：

若g(x(k))>=0，则y(k)=1；

由于在采样时间T_s内，对y(k)=1的事件计数，等价于对电流尖峰计数，则记计数值为Pulse；

通过一转速测量模块计算电机转速为：

Speed=K*Pulse*60/T_s；

所述采样时间T_s：

T_s=N/Fs；

其中，K为与电机结构有关的比例系数，Pulse为在采样时间T_s内检测到的脉冲数，N为采样点数，Fs为采样频率；

步骤S6：将所述转速测量模块输出的转速Speed为速度反馈，输入PID控制中，调节有刷直流电机转速，对Speed*进行跟踪，实现闭环调速。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明利用最小二乘分类器对电流分类，用于估计转速，最小二乘法对尖峰分类正确率较高，且线性分类器计算量很小，能在DSP的控制程序中实时计算，采用离线训练的方法，避免了在线的网络学习和调整；

（2）本发明相比于其他无传感器调速方法，只需要电流采样，节省硬件开销，结构简单、稳定性高，测量方法参数不需要在线实时调节；

（3）有效改善了有刷直流电机的测速精度，可应用于工程实践当中。

附图说明

图1为本发明一实施例中一种基于最小二乘分类测速的有刷直流电机调速方法的结构图。

图2为本发明一实施例中最小二乘分类器结构图。

图3是本发明一实施例中电流尖峰分类示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供一种基于最小二乘分类测速的有刷直流电机调速方法，采用最小二乘分类方法测量转速只需提取电流纹波，该转速可完全代替编码器测量的转速，反馈到PID控制器的输入端，实现无传感器调速。电机转动一圈换向整流次数固定，换向产生电流纹波，电流纹波周期等于换向周期，每个纹波周期仅有一个尖峰，因此采样时间确定，检测尖峰的个数可计算转速；基于最小二乘法的线性分类器，用来判别尖峰，分类结果用输出的布尔值表示，通过该输出计算电机转速，实现无传感器调速，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤S1：如图1所示，给定电机一个转速Speed*，电机调速范围为3000r/min-8000r/min；启动阶段采用bang-bang控制，启动时间过后进入调速范围，切换为PID控制；以转速测量模块输出的转速Speed为速度反馈，来调节转速实现对Speed*准确跟踪；

步骤S2：如图1所示，在本实施例中，将转速测量模块表示为：

Speed=K*Pulse*60/T_s；

其中，K为与电机结构有关的比例系数，Pulse为在时间T_s内检测到的脉冲数；

T_s=N/Fs；

其中，N为采样点数，Fs为采样频率；

如图1以及图2所示，采用最小二乘分类器检测电机输出脉冲，判别函数：

g(x(k))=ω·x(k)；

若g(x(k))>=0，则y(k)=1；

若g(x(k))<0，则y(k)=0；

其中，ω为最小二乘分类器的权值，x(k)为特征向量，y(k)为分类器布尔值输出；x(k)表示为：x(k)=P(y(k-1),...,y(k-n),i(k),...,i(k-n))，其中，i(k),…,i(k-n)和y(k),…,y(k-n)分别为分类器第k时刻的输入和输出，i(k)为电流值，y(k)为分类结果，n表示输入和输出的拍数；

步骤S3：采样并保留p拍的电流输入信号{i(k-1),…,i(k-p)}，把交流波形在时间轴上显示出来，每个周期都只有一个尖峰，设计者确定尖峰的位置；将电流按是否为尖峰分为两类，并用布尔值表示；假设输入为{i(k),…,i(k-n+1)}，若为尖峰输出，给定为y(k)=1，若非尖峰输出，给定为y(k)=0；将p拍的电流输入信号{i(k),…,i(k-p+1)}和p拍的输出信号{y(k),…,y(k-p+1)}作为训练样本，并采用最小二乘法来训练来获得权值ω；

步骤S4：在实际PID调速系统中，在线检测并保留n拍的电流输入信号{i(k),…,i(k-n+1)}和n拍的核岭分类器输出信号{y(k-1),…,y(k-n)}，用于计算x(k)以及最小乘分类器判别函数输出g(x(k))；

根据判决条件：

若g(x(k))>=0，则y(k)=1；

由于在采样时间T_s内，对y(k)=1的事件计数，等价于对电流尖峰计数，则计数值为Pulse，计算电机转速为：

Speed=K*Pulse*60/T_s，

T_s=N/Fs；

其中，K为与电机结构有关的比例系数，Pulse为在时间T_s内检测到的脉冲数，N为采样点数，Fs为采样频率；

步骤S5：在有刷直流电机PID调速系统中连续采集电流数据，输入到电机转速测量模块中，转换成电机转速反馈到PID控制器输入端，实现闭环调速。

进一步的，如图1所示，给定电机一个转速Speed*，电机调速范围为3000r/min-8000r/min，启动阶段采用bang-bang开环控制，启动时间过后进入调速范围，撤去bang-bang控制器，切换为以Speed为速度反馈PID闭环控制，实现转速对Speed*准确跟踪，本实施例中提供的系统没有安装速度传感器，速度采用最小二乘测速模块测量。

进一步的，如图2所示，采样电流经过最小二乘分类器分类，并输出布尔值。转速测量模块采用的测速算法中：Speed=K*Pulse*60/T_s。n为相邻2个脉冲的离散间隔时间，因为纹波电流主要部分呈周期性，故保留电流拍数也为n，n拍电流输入信号{i(k),…,i(k-n+1)}用于计算特征向量。

进一步的，如图3所示，设定最小二乘测速模块输入样本序列的长度与方框中的宽度相等，将方框中电流样本{i(k),…,i(k-n+1)}归为电流尖峰一类，输出设置为y(k)=1；任何超出方框的其他样本序列，输出都应设置为y(k)=0。输入样本序列的长度采用反馈的方式来确定。另外，将采集到的电流信号作为训练样本的序列，体现的尖峰形状越丰富，分类器的分类效果将越强。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于最小二乘分类测速的有刷直流电机调速方法，其特征在于，按照如下步骤实现：

步骤S1：记有刷直流电机初始转速为Speed*，在有刷直流电机启动阶段电机控制采用bang-bang控制，启动阶段完成后，进入调速阶段，电机控制切换为PID控制；

步骤S2：通过一最小二乘分类器检测有刷直流电机输出脉冲，且该最小二乘分类器的判别函数为：

g(x(k))＝ω·x(k)；

若g(x(k))>＝0，则y(k)＝1；

若g(x(k))<0，则y(k)＝0；

其中，ω为最小二乘分类器的权值，x(k)为特征向量，y(k)为分类器布尔值输出；x(k)为：x(k)＝P(y(k-1),...,y(k-n),i(k),...,i(k-n))，i(k),…,i(k-n)和y(k),…,y(k-n)分别为最小二乘分类器第k时刻的电流输入和分类输出，i(k)为电流值，y(k)为分类结果，n为输入和输出的拍数；

步骤S3：采样并保留p拍的电流输入信号{i(k-1),…,i(k-p)}，将电流按是否为尖峰分为两类，并用布尔值表示；记输入为{i(k),…,i(k-n+1)}，若为尖峰输出，则记为y(k)＝1，若非尖峰输出，则记为y(k)＝0；将p拍的电流输入信号{i(k),…,i(k-p+1)}和p拍的输出信号{y(k),…,y(k-p+1)}作为训练样本，通过最小二乘法训练获得所述最小二乘分类器的权值ω；

步骤S4：在PID调速阶段中，在线检测并保留n拍的电流输入信号{i(k),…,i(k-n+1)}和n拍的核岭分类器输出信号{y(k-1),…,y(k-n)}，并计算x(k)以及最小二乘分类器的判别函数的输出g(x(k))；

步骤S5：根据判决条件：

若g(x(k))>＝0，则y(k)＝1；

由于在采样时间T_s内，对y(k)＝1的事件计数，等价于对电流尖峰计数，则记计数值为Pulse；

通过一转速测量模块计算电机转速为：

Speed＝K*Pulse*60/T_s；

所述采样时间T_s：

T_s＝N/Fs；

其中，K为与电机结构有关的比例系数，Pulse为在采样时间T_s内检测到的脉冲数，N为采样点数，Fs为采样频率；

步骤S6：将所述转速测量模块输出的转速Speed为速度反馈，输入PID控制中，调节有刷直流电机转速，对Speed*进行跟踪，实现闭环调速。