CN108649848A - 基于扩展卡尔曼滤波方法的磁齿轮电机失步预测控制方法 - Google Patents

基于扩展卡尔曼滤波方法的磁齿轮电机失步预测控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于扩展卡尔曼滤波方法的磁齿轮电机失步预测控制方法，包括以下步骤：步骤1：在磁齿轮电机的高速转子上安装编码器，利用该编码器检测磁齿轮电机高速转子位置信号θh和磁齿轮电机高速转子速度信号Wh，计算出d轴反馈电流id和q轴反馈电流iq；步骤2；利用q轴反馈电流iq通过公式计算得到磁齿轮电机低速转子的转矩；步骤3、由扭矩传感仪得到电机的负载转矩TL；步骤4，由步骤1、步骤2、步骤3估算出电机低速转子的位置wo作为输出。本发明优点：通过基于扩展卡尔曼滤波方法得到双磁场调制双转子磁齿轮电机低速转子位置，估算内外转子相位差角，减少了一个编码器，降低了系统成本，增加了可靠性。

Description

基于扩展卡尔曼滤波方法的磁齿轮电机失步预测控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及基于扩展卡尔曼滤波方法的磁齿轮电机失步预测控制方法。
背景技术
电机作为一种机电能量装换装饰，遍布国民经济各领域和日常生活中，消耗大量的能量。现代工业许多场合需要电动机低速运行并具有足够大的转矩，目前大多采用普通转速(几百转到几千转/分钟)的电动机加机械变速机构的方式来实现。机械齿轮变速箱、联轴器是机械设备传动链中的重要的通用部件，其性能和质量直接关系到机械设备的能效、安全和环保。其中机械齿轮变速箱广泛应用于匹配负载和原动机的工作速度，在机械传动领域占有十分重要的地位。应用这些机械部件，系统虽然可以得到比较高的功率密度，但是噪音、振动、可靠性、润滑和冷却都是需要考虑的重要问题。为了实现低速大转矩驱动，永磁同步电机一般体积比较大，而且转矩密度不能满足日益增长的需求；永磁盘式电机的应用场合受到限制；永磁横向磁链电机的功率因素较低，结构复杂。这些缺点使得低速大转矩直接驱动电机目前并不能完全取代机械减速箱与电机联合驱动系统。
与传统机械传动部件相比，磁力传动有很多优点：非接触式传动、无摩擦损耗、低振动、低噪音、不需要润滑、免维护、高可靠性等等。随着高性能永磁材料的不断发展，永磁齿轮所传递的能量不断增加，因而，在一些场合采用永磁齿轮电机来替代传统的机械减速箱结合电机驱动，可以解决有机械齿轮减速箱带来的种种问题。双磁场调制双转子磁齿轮电机具有效率高、功率密度高等优点，其转矩密度超过100N.m/L。这种电机极大的减小了设备的体积和重量，能很好的满足节能和调速性能的要求，有着优越的运行性能。因而，在风电、电梯、电动车、舰船等新能源、先进制造业、国防等领域拥有广泛的应用前景。
目前针对双磁场调制双转子磁齿轮电机的研究还在起步阶段，在该电机的研究主要是针对电机的静态特性进行研究，在变频驱动下电机的运行特性及其在过负载的情况下，关于电机控制方法还没有开展研究。因此，对基于扩展卡尔曼滤波方法的双磁场调制双转子磁齿轮电机失步预测控制方法的研究具有重要现实意义。
为此申请人进行了有益的探索和尝试，找到了解决上述问题的办法，下面将要介绍的方案便是这种背景下产生的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足和缺陷而提供一种基于扩展卡尔曼滤波方法的磁齿轮电机失步预测控制方法从而有效的预测并开展电机转子失步现象。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种基于扩展卡尔曼滤波方法的磁齿轮电机失步预测控制方法，包括以下步骤：
步骤1：在磁齿轮电机的高速转子上安装编码器，利用该编码器检测磁齿轮电机高速转子位置信号θh和磁齿轮电机高速转子速度信号Wh，对所述磁齿轮电机基于低速端转子磁场定向矢量控制，通过速度给定和低速转子速度反馈，经过转速PI调节器得到给定的d轴电流Id*和q轴电流Iq*；将三相绕组的电流经过采样和clcak及park变换，得到d轴反馈电流id和q轴反馈电流iq，d轴电流Id*、q轴电流Iq*、轴反馈电流id和q轴反馈电流iq经过电流PI调节器得到电压ud、uq，电压ud、uq经过SVPWM信号调制得到变频器的驱动信号Sa、Sb、Sc；
步骤2；利用q轴反馈电流iq通过如下公式计算得到磁齿轮电机低速转子的转矩
步骤3：由扭矩传感仪得到磁齿轮电机的负载转矩TL；
步骤4：将步骤1的q轴电流Iq*和速度信号Wh、步骤2的磁齿轮电机低速转子的转矩、步骤3的磁齿轮电机的负载转矩TL输入扩展卡尔曼滤波模块估算出磁齿轮电机低速转子速度信号Wo,进而估算出磁齿轮电机低速转子的位置信号作为输出。
在本发明的一个优选实施例，在所述步骤(4)中，估算出估算出磁齿轮电机低速转子的位置的步骤如下：
y＝C*x(t)+v(t)
其中
C＝[1,0,0,0]
u＝Te
w(t)是模型不确定性的误差，v(t)是测量误差；
f(x)＝[f1(x),f2(x),f3(x),f4(x)]T
f3(x)＝-nswo+phwh
f4(x)＝0
得到
xk|k-1＝xk-1|k-1+[f(xk-1|k-1)+Buk-1]Tc
Pk|k-1＝Pk-1|k-1+[Fk-1Pk-1|k-1+Pk-1|k-1Fk-1|k-1 T]Tc+Q
其中
Kk＝Pk|k-1CT(CPk|k-1CT+Rd)-1
xk|k＝xk|k-1+Kk[yk-Cxk|k-1]
Pk|k＝Pk|k-1-KkCPk|k-1
Tc是采样时间间隔，k是即时采样，Q是过程噪音相关的矩阵，Rd是测量噪音，xk|k-1是预测的状态，xk|k是优化后的输出，Pk|k-1是预测误差的协方差矩阵，Pk|k是优化后误差的协方差矩阵，Kk是自适应的卡尔曼滤波系数。
在本发明的一个优选实施例，在所述步骤(4)中，将步骤(1)磁齿轮电机高速转子位置信号θh，经过极对数的处理后得到磁齿轮电机高速转子与磁齿轮电机低速转子位置差θe，在磁齿轮电机高速转子与磁齿轮电机低速转子位置差θe超过90度时，磁齿轮电机高速转子与磁齿轮电机低速转子将发生失步震荡的现场，为了抑制震荡现象，将步骤1得到的磁齿轮电机高速转子速度信号Wh经过极对数的变化后作为磁齿轮电机的反馈信号；在磁齿轮电机的负载减小，磁齿轮电机高速转子与磁齿轮电机低速转子位置差θe小于90度时，退出将步骤1得到的磁齿轮电机高速转子速度信号Wh经过极对数的变化后作为磁齿轮电机的反馈信号，采用磁齿轮电机低速转子速度信号Wo作为反馈信号，计算公式如下：
θe＝∫(piwh-powo)dt
在本发明的一个优选实施例，所述磁齿轮电机为双磁场调制双转子磁齿轮电机，所述双磁场调制双转子磁齿轮电机采用径向结构，所述双磁场调制双转子磁齿轮电机从内向外分别是表贴式永磁体高速转子、磁场调制环、永磁体嵌入式低速转子、定子及定子绕组，所述磁场调制环设置在所述双磁场调制双转子磁齿轮电机两端；所述表贴式永磁体高速转子和所述永磁体嵌入式低速转子通过一轴承连接，所述定子绕组中通入三相电流后，所述定子上产生旋转磁场吸引所述表贴式永磁体高速转子和所述永磁体嵌入式低速转子沿相反方向并保持一固定的调速比旋转。
本发明不仅能够实现双磁场调制双转子磁齿轮电机驱动低速大扭矩负载正常稳定运行，还能够准确的估算出磁齿轮电机低速转子的位置信号，预测磁齿轮电机高速转子与磁齿轮电机低速转子位置差θe，具有以下优点：
1)针对高速转子磁场定向的矢量控制方法确保了双磁场调制双转子磁齿轮电机的稳定运行。
2)采用扩展卡尔曼滤波算法估算电机低速转子的转速的方法，降低了成本，提高了可靠性。
3)保证了磁齿轮电机系统对电机失步情况的预测。
4)保证了在超出最大负载的情况下，通过切换算法，减轻在失步的情况下内外转子转速的失步震荡现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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为双磁场调制双转子磁齿轮电机的结构示意图。
图2为基于扩展卡尔曼滤波的双磁场调制双转子磁齿轮电机失步预测控制的整体控制框图。
图3为图2的部分控制框图。
图4为基于扩展卡尔曼滤波对双磁场调制双转子磁齿轮电机估算低速转子速度与实际低速转子速度的示意图。
图5为基于扩展卡尔曼滤波对双磁场调制双转子磁齿轮电机估算的高、低速转子位置差角的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。
如图1所示的一种双磁场调制双转子磁齿轮电机，双磁场调制双转子磁齿轮电机10采用径向结构，双磁场调制双转子磁齿轮电机从内向外分别是表贴式永磁体高速转子11、磁场调制环12、永磁体嵌入式低速转子13、定子14及定子绕组15，磁场调制环12设置在双磁场调制双转子磁齿轮电机10两端；表贴式永磁体高速转子11和永磁体嵌入式低速转子13通过一轴承连接，定子绕组15中通入三相电流后，定子14上产生旋转磁场吸引表贴式永磁体高速转子11和永磁体嵌入式低速转子12沿相反方向并保持一固定的调速比旋转。
如图2至图3所示一种基于扩展卡尔曼滤波方法的双磁场调制双转子磁齿轮电机10失步预测控制流程：测双磁场调制双转子磁齿轮电机10的低速转子13的位置和速度，根据转子磁链定向矢量控制确定低速转子13位置角θo和双磁场调制双转子磁齿轮电机10高速转子11速度信号Wh，高速转子11速度信号Wh与实际工程所得到的参考值速度W*比较后，经过转速PI调节器得到q轴电流参考值iq*；检测双磁场调制双转子磁齿轮电机10的三相绕组的实际电流ia、ib、ic，经过abc-dq坐标系变换得到实际q轴电流iq和实际d轴电流id；实际q轴电流iq与q轴电流参考值iq*比较后，经过q轴电流PI调节器得到双磁场调制双转子磁齿轮电机10q轴调制电压uq；实际d轴电流id与d轴电流参考值id*比较后，经过d轴电流PI调节器得到双磁场调制双转子磁齿轮电机10q轴调制电压ud，经过SVPWM调制得到驱动系统所需的控制信号。通过将双磁场调制双转子磁齿轮电机10高速转子11转速Wh、Iq*电流以及负载转速TL作为观测变量输入扩展卡尔曼滤波模块，观测双磁场调制双转子磁齿轮电机10高速转子11速度。
首先根据双磁场调制双转子磁齿轮电机10的机械模型得到在离散模型下的方程，根据双磁场调制双转子磁齿轮电机10电磁转矩Tmax*sin(θe)以及负载转矩惯量方程，得到其中的变量f2(x),同理得到其离散变量输入，即
f(x)＝[f1(x),f2(x),f3(x),f4(x)]T，将通过卡尔曼滤波得到的变量经过θe、Wo、Pk|k再次参与到下次的计算中间去，通过扩展卡尔曼滤波公式将其进行矩阵变换。
双磁场调制双转子磁齿轮电机10驱动系统包括低速编码器、三相电流互感器、1个abc-dq坐标变换模块、转速PI调节器、d轴电流PI调节器、q轴电流PI调节器、dq-αβ坐标变换模块、SVPWM调制模块。
如图4至图5所示基于扩展卡尔曼滤波对双磁场调制双转子磁齿轮电机10估算低速转子13速度与实际转子速度、高、低速转子11、13位置差角，包括双磁场双转子磁齿轮电机10加速过程与加载过程以及减速过程，可以看到实际的转速与估算的转速大致一致，证明该方法的正确性；在双磁场双转子磁齿轮电机10负载较小时，双磁场双转子磁齿轮电机10的高、低速转子11、13角度差θe保持在0度左右的位置，在双磁场双转子磁齿轮电机10的负载接近满载时，双磁场双转子磁齿轮电机10的高、低速转子11、13角度差θe也同样增大。根据该双磁场双转子磁齿轮电机10的工作原理，当双磁场双转子磁齿轮电机10高、低速转子11、13之间的角度差θe超过90度时，高、低速转子11、13将会出现失步的现象。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于扩展卡尔曼滤波方法的磁齿轮电机失步预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在磁齿轮电机的高速转子上安装编码器，利用该编码器检测磁齿轮电机高速转子位置信号θh和磁齿轮电机高速转子速度信号Wh，对所述磁齿轮电机基于低速端转子磁场定向矢量控制，通过速度给定和低速转子速度反馈，经过转速PI调节器得到给定的d轴电流Id*和q轴电流Iq*；将三相绕组的电流经过采样和clcak及park变换，得到d轴反馈电流id和q轴反馈电流iq，d轴电流Id*、q轴电流Iq*、轴反馈电流id和q轴反馈电流iq经过电流PI调节器得到电压ud、uq，电压ud、uq经过SVPWM信号调制得到变频器的驱动信号Sa、Sb、Sc；
步骤2；利用q轴反馈电流iq通过如下公式计算得到磁齿轮电机低速转子的转矩
步骤3：由扭矩传感仪得到磁齿轮电机的负载转矩TL；
步骤4：将步骤1的q轴电流Iq*和速度信号Wh、步骤2的磁齿轮电机低速转子的转矩、步骤3的磁齿轮电机的负载转矩TL输入扩展卡尔曼滤波模块估算出磁齿轮电机低速转子速度信号Wo,进而估算出磁齿轮电机低速转子的位置信号作为输出。
2.如权利要求1所述的一种基于扩展卡尔曼滤波方法的磁齿轮电机失步预测控制方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，估算出估算出磁齿轮电机低速转子的位置的步骤如下：
y＝C*x(t)+v(t)
其中
C＝[1,0,0,0]
u＝Te
w(t)是模型不确定性的误差，v(t)是测量误差；
f(x)＝[f1(x),f2(x),f3(x),f4(x)]T
f3(x)＝-nswo+phwh
f4(x)＝0
得到
xk|k-1＝xk-1|k-1+[f(xk-1|k-1)+Buk-1]Tc
Pk|k-1＝Pk-1|k-1+[Fk-1Pk-1|k-1+Pk-1|k-1Fk-1|k-1 T]Tc+Q
其中
Kk＝Pk|k-1CT(CPk|k-1CT+Rd)-1
xk|k＝xk|k-1+Kk[yk-Cxk|k-1]
Pk|k＝Pk|k-1-KkCPk|k-1
Tc是采样时间间隔，k是即时采样，Q是过程噪音相关的矩阵，Rd是测量噪音，xk|k-1是预测的状态，xk|k是优化后的输出，Pk|k-1是预测误差的协方差矩阵，Pk|k是优化后误差的协方差矩阵，Kk是自适应的卡尔曼滤波系数。
3.如权利要求2所述的一种基于扩展卡尔曼滤波方法的磁齿轮电机失步预测控制方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，将步骤(1)磁齿轮电机高速转子位置信号θh，经过极对数的处理后得到磁齿轮电机高速转子与磁齿轮电机低速转子位置差θe，在磁齿轮电机高速转子与磁齿轮电机低速转子位置差θe超过90度时，磁齿轮电机高速转子与磁齿轮电机低速转子将发生失步震荡的现场，为了抑制震荡现象，将步骤1得到的磁齿轮电机高速转子速度信号Wh经过极对数的变化后作为磁齿轮电机的反馈信号；在磁齿轮电机的负载减小，磁齿轮电机高速转子与磁齿轮电机低速转子位置差θe小于90度时，退出将步骤1得到的磁齿轮电机高速转子速度信号Wh经过极对数的变化后作为磁齿轮电机的反馈信号，采用磁齿轮电机低速转子速度信号Wo作为反馈信号，计算公式如下：
θe＝∫(piwh-powo)dt
4.如权利要求1所述的一种基于扩展卡尔曼滤波方法的磁齿轮电机失步预测控制方法，其特征在于，所述磁齿轮电机为双磁场调制双转子磁齿轮电机，所述双磁场调制双转子磁齿轮电机采用径向结构，所述双磁场调制双转子磁齿轮电机从内向外分别是表贴式永磁体高速转子、磁场调制环、永磁体嵌入式低速转子、定子及定子绕组，所述磁场调制环设置在所述双磁场调制双转子磁齿轮电机两端；所述表贴式永磁体高速转子和所述永磁体嵌入式低速转子通过一轴承连接，所述定子绕组中通入三相电流后，所述定子上产生旋转磁场吸引所述表贴式永磁体高速转子和所述永磁体嵌入式低速转子沿相反方向并保持一固定的调速比旋转。
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