CN109546898B - 一种基于adrc算法的电机转速控制方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于ADRC算法的电机转速控制方法、装置及系统，包括：步骤S300根据电机的述目标转速、电机的当前转速和ADRC算法估计的当前观测系统扰动值，得到驱动电机的当前脉冲占空比；步骤S400根据速度传感器的反馈信息得到电机的下一转速；步骤S500判断当前脉冲占空比是否不低于目标脉冲占空比乘以第一预设系数所得到的值；步骤S600若是，则按预设规则降低所述扩张状态观测器根据下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；步骤S800将下一转速作为当前转速，下一观测系统扰动值作为当前观测系统扰动值，跳转到步骤S300，使电机的转速向目标转速逼近。本发明可以避免ADRC多参数的协同调整，有效降低超调，实现电机速度的快速、稳定的响应。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤指一种基于ADRC算法的电机转速控制方法、装置及系统。
背景技术
随着工业的发展，工业上对电机的需求越来越多，对电机控制的要求也越来越高。ADRC(Active Disturbance Rejection Control，自抗扰控制)算法是中科院韩京清研究员提出的一种控制方法，因其不依赖于精确的数学模型而被广泛应用，该算法也应用于电机控制领域。
如图8所示，传统ADRC自抗扰控制算法包括跟踪微分器、状态误差反馈控制、扩张状态观测器。该算法复杂、参数多，在系统相关参数调试得很好并且系统环境不发生变化的情况下能够实现电机的快速稳定的控制，但是系统相关的参数太多，系统的稳定对参数要求很高，当系统的特征稍微发生变化时，控制算法的参数都需要做出对应的调整，否则系统的输出将和预期产生很大的差别，从而导致电机产生超调、震荡、响应变慢等各种不好的控制效果，尤其是系统的超调问题，对参数的要求极高，系统很难做到响应快的同时不超调。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于ADRC算法的电机转速控制方法、装置及系统，在对电机转速的控制过程中，降低了ADRC多参数调整的复杂度，有效降低了超调，实现电机速度的快速、稳定地响应。
解决了电机控制的较高响应速度的同时不出现超调，问题以及由于故障无法及时消除的电机易损坏问题，提高了永磁电机使用的可靠性，降低了电机使用的成本。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于ADRC算法的电机转速控制方法，所述ADRC算法包括扩张状态观测器，包括：步骤S100根据电机的输入控制信号计算所述电机的目标转速；步骤S200根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的当前转速，同时将扩张状态观测器根据所述当前转速输出的扰动值作为当前观测系统扰动值；步骤S300根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值，得到驱动电机的当前脉冲占空比；步骤S400根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的下一转速；步骤S500判断所述当前脉冲占空比是否不低于目标脉冲占空比乘以第一预设系数所得到的值；所述目标脉冲占空比为所述电机空载、且到达所述目标转速时驱动电机的脉冲占空比；步骤S600若是，则按预设规则降低所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；步骤S800将所述下一转速作为当前转速，所述下一观测系统扰动值作为当前观测系统扰动值，跳转到步骤S300，使电机的转速向目标转速逼近。
在上述技术方案中，在对电机转速的控制过程中，降低了ADRC多参数调整的复杂度，有效降低了超调，实现电机速度的快速、稳定地响应。
进一步优选的，所述步骤S300包括：根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值，得到第一脉冲占空比；当电机外壁温度信息达到预设高温阈值时，打开电机外置风扇进行降温，同时按第二预设规则降低所述第一脉冲占空比，得到驱动电机的当前脉冲占空比；所述电机外壁温度信息根据温度传感器采集的数据获得。
在上述技术方案中，监测电机外壁温度，当温度过高时通过及时散热、降低电机转速来降低电机温度，避免电机因过温损坏，提高了电机运行的可靠性，从而降低电机的使用成本。
进一步优选的，所述步骤S300还包括：当电机持续过流时间超过预设过流时长时，将当前脉冲占空比设为0；所述电机持续过流时间根据电流互感器采集的数据统计得到。
进一步优选的，所述电机为永磁有刷电机。
在上述技术方案中，监测电机电流，当电机持续过流时间超过预设过流时长时，关断电机，避免电机因持续过流损坏，提高了电机运行的可靠性，从而降低了电机的使用成本。
本发明还提供一种基于ADRC算法的电机转速控制装置，包括：目标转速计算模块，根据电机的输入控制信号计算所述电机的目标转速；传感器数据处理模块，接收速度传感器的反馈信息，根据所述反馈信息得到所述电机的当前转速；ADRC算法模块，将所述扩张状态观测器根据所述当前转速输出的扰动值作为当前观测系统扰动值；以及，根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值，得到驱动电机的当前脉冲占空比；所述传感器数据处理模块，根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的下一转速；所述ADRC算法模块，判断所述当前脉冲占空比是否不低于目标脉冲占空比乘以第一预设系数所得到的值；所述目标脉冲占空比为所述电机空载、且到达所述目标转速时驱动电机的脉冲占空比；若是，则按预设规则降低所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；以及，将所述下一转速作为当前转速，所述下一观测系统扰动值作为当前观测系统扰动值，重新根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值计算驱动电机的当前脉冲占空比，从而使电机的转速向目标转速逼近。
在上述技术方案中，在对电机转速的控制过程中，降低了ADRC多参数调整的复杂度，有效降低了超调，实现电机速度的快速、稳定地响应。
进一步优选的，所述传感器数据处理模块，进一步用于接收温度传感器采集的数据，得到电机外壁温度信息；所述ADRC算法模块，进一步用于根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值，得到第一脉冲占空比；以及，当电机外壁温度信息达到预设高温阈值时，打开电机外置风扇进行降温，同时按第二预设规则降低所述第一脉冲占空比，得到驱动电机的当前脉冲占空比。
在上述技术方案中，监测电机外壁温度，当温度过高时通过及时散热、降低电机转速来降低电机温度，避免电机因过温损坏，提高了电机运行的可靠性，从而降低电机的使用成本。
进一步优选的，所述传感器数据处理模块，接收电流互感器采集的数据，得到当前电流信息，并根据当前电流信息更新电机持续过流时间；所述ADRC算法模块，进一步用于当电机持续过流时间超过预设过流时长时，将当前脉冲占空比设为0。
在上述技术方案中，监测电机电流，当电机持续过流时间超过预设过流时长时，关断电机，避免电机因持续过流损坏，提高了电机运行的可靠性，从而降低了电机的使用成本。
本发明还提供一种电机转速控制系统，包括：前述的基于ADRC算法的电机转速控制装置，还包括速度传感器、电机驱动模块；所述速度传感器，固定在电机的延长轴上，用于提供电机的当前转速；所述电机驱动模块，用于将电机转速控制装置输出的信号放大后输出给电机。
在上述技术方案中，提供了一种电机转速控制系统，在对电机转速的控制过程中，降低了ADRC多参数调整的复杂度，有效降低了超调，实现电机速度的快速、稳定地响应。
进一步优选的，还包括温度传感器；所述温度传感器，贴在电机的外侧，用于采集电机外壁的温度值。
在上述技术方案中，采用温度传感器监测电机外壁温度，当温度过高时通过及时散热、降低电机转速来降低电机温度，避免电机因过温损坏，提高了电机运行的可靠性，从而降低电机的使用成本。
进一步优选的，还包括电流互感器；所述电流互感器，套在电机的正极功率线上，当电机有电流时，输出当前电流所对应的电压值。
在上述技术方案中，采用电流互感器监测电机电流，当电机持续过流时间超过预设过流时长时，关断电机，避免电机因持续过流损坏，提高了电机运行的可靠性，从而降低了电机的使用成本。
通过本发明提供的一种基于ADRC算法的电机转速控制方法、装置及系统，能够带来以下有益效果：在对电机转速的控制过程中，降低了ADRC多参数调整的复杂度，有效降低了超调，实现电机速度的快速、稳定地响应；可以对电机进行过温、过流等异常保护，防止异常情况下的电机损坏，提高了电机运行的可靠性，从而降低电机的使用成本。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种基于ADRC算法的电机转速控制方法、装置及系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明的一种基于ADRC算法的电机转速控制方法的一个实施例的流程图；
图2是本发明的一种基于ADRC算法的电机转速控制方法的另一个实施例的流程图；
图3是本发明的一种基于ADRC算法的电机转速控制方法的另一个实施例的流程图；
图4是本发明的一种基于ADRC算法的电机转速控制装置的一个实施例的结构示意图；
图5是本发明的一种电机转速控制系统的一个实施例的结构示意图；
图6是本发明的一种电机转速控制系统的另一个实施例的结构示意图；
图7是本发明的一种电机转速控制系统的另一个实施例的结构示意图；
图8是传统ADRC算法的原理框图；
图9是本发明的一种基于ADRC算法的电机转速控制方法的一个实施例中ADRC算法优化前速度跟随情况与ADRC算法优化后速度跟随情况的对比图。
附图标号说明：
110.电机转速控制装置，111.目标转速计算模块，112.传感器数据处理模块，113.ADRC算法模块，120.速度传感器，130.电机驱动模块，140.温度传感器，150.电流互感感器。
具体实施方式
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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，一种基于ADRC算法的电机转速控制方法，包括：
步骤S100根据电机的输入控制信号计算电机的目标转速。
具体的，电机的输入控制信号可以是模拟电压信号，比如0～3.3V的模拟电压，也可以是低电压的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号，比如3.3V的PWM信号，PWM信号通过脉冲宽度反应所需电压幅度。在电机空载时，电压与电机转速之间有一张一一对应的表，根据电机的输入控制信号得到电压值，根据该电压值和电压-电机转速映射表，获得该电压对应的电机转速，该电机转速为电机的目标转速。
步骤S200根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的当前转速，同时将扩张状态观测器根据所述当前转速输出的扰动值作为当前观测系统扰动值；
步骤S300根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值，得到驱动电机的当前脉冲占空比。
具体的，如图8所示，传统ADRC算法包括跟踪微分器、状态误差反馈控制、扩张状态观测器，其中，V为目标转速，y为电机的实际转速，Z3为观测系统扰动值，V和y构成了ADRC算法的输入，U为ADRC算法的输出。其中，扩张状态观测器根据实际转速(即y)输出观测速度值Z1、观测加速度值Z2和扰动值，扰动值作为观测系统扰动值Z3；目标转速V经跟踪微分器得到跟踪速度X1和跟踪加速度X2，状态误差反馈控制根据速度误差(跟踪速度-观测速度)、加速度误差(跟踪加速度-观测加速度)输出U0，U0减去Z3除以B后的值，得到输出值U，U控制电机的转速，使电机的实际转速y发生调整，得到新y，根据新y产生新Z1、Z2、Z3，从而产生新U，如此循环，使速度误差、加速度误差趋于0，从而使电机的实际转速趋于目标转速。
在本实施例中，U为另一PWM信号，U值反映了该PWM信号的脉冲占空比(后续将脉冲占空比简称为PWM值)，该PWM值控制电机的转速。根据目标转速、当前转速和当前观测系统扰动值和当前观测系统扰动值，得到当前U值，即当前PWM值，该当前PWM值使电机转速发生调整。
步骤S400根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的下一转速；
步骤S500判断所述当前脉冲占空比是否不低于目标脉冲占空比乘以第一预设系数所得到的值；所述目标脉冲占空比为所述电机空载、且到达所述目标转速时驱动电机的脉冲占空比；
步骤S600若是，则按预设规则降低所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；
步骤S700若否，则将所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；
步骤S800将所述下一转速作为当前转速，所述下一观测系统扰动值作为当前观测系统扰动值，跳转到步骤S300，使电机的转速向目标转速逼近。
具体的，根据速度传感器的测量获得调整后的电机转速，即下一转速。目标PWM值为电机空载时到达目标转速所需的PWM值，记为PWM1。在相同目标速度的情况下，假设电机负载的情况下需要的PWM值为PWM2，则必然存在PWM2＝a*PWM1，其中a为第一预设系数，该第一预设系数大于1。可通过实验测试得到电机的负载状况与第一预设系数之间的匹配表，可根据该匹配表和电机实际工作环境的负载状况选取合适的第一预设系数。电机的负载主要指电机转动需要的扭力大小，对于驱动轮子移动的电机，主要根据车轮与地面的摩擦力大小来评估电机的负载状况，摩擦力大的负载大。比如驱动粗糙地面上移动的轮子的电机与驱动光滑地面上移动的轮子的电机，达到相同的目标转速，所需要的PWM2是不一样的，对应的第一预设系数选取也不一样。
判断当前PWM值是否不低于PWM2。若是，则按预设规则降低扩张状态观测器根据下一转速输出的下一扰动值，比如，将下一扰动值的80％作为下一观测系统扰动值，这是本实施例对传统ADRC算法做的一个优化。若否，则将下一扰动值作为下一观测系统扰动值，维持传统ADRC算法的处理。
ADRC算法控制系统输出大概分三阶段：阶段一.输出快速增加，阶段二.输出缓慢增加，阶段三.输出缓慢下降。阶段一决定了电机的响应的时间，阶段二决定电机是否超调，阶段三决定电机稳定的时间。ADRC的超调主要来源于第一阶段和第二阶段的过渡时间不太合适，第一阶段的时间太长易造成超调。当输出大于PWM2时，通过限制变量Z3，即降低传统ADRC算法输出的Z3的增长，从而加快第一、二阶段的过渡，从而抑制超调。在同样的ADRC参数下，通过上述优化可以看到很明显的区别(如图9所示)，ADRC算法优化前速度跟随情况为传统的ADRC算法下电机的实际转速向目标转速的跟踪情况，ADRC算法优化后速度跟随情况为优化后的ADRC算法下电机的实际转速向目标转速的跟踪情况，显然优化后的电机速度超调明显减小，实现了电机速度的快速、稳定的响应。
在本发明的另一个实施例中，如图2所示，一种基于ADRC算法的电机转速控制方法，包括：
步骤S100根据电机的输入控制信号计算电机的目标转速；
所述电机为永磁有刷电机；
步骤S200根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的当前转速，同时将扩张状态观测器根据所述当前转速输出的扰动值作为当前观测系统扰动值；
步骤S310根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值，得到第一脉冲占空比；
步骤S320当电机外壁温度信息达到预设高温阈值时，打开电机外置风扇进行降温，同时按第二预设规则降低所述第一脉冲占空比，得到驱动电机的当前脉冲占空比；所述电机外壁温度信息根据温度传感器采集的数据获得。
具体的，接收温度传感器采集的数据，得到电机外壁温度信息。当电机外壁温度信息达到预设高温阈值时，比如预设高温阈值为电机最高承受温度的90％，则开启电机保护机制，打开电机外置风扇进行降温，同时通过降低当前脉冲占空比来实现电机的降速，从而降低电机功率。
按第二预设规则降低所述第一脉冲占空比，比如ADRC算法输出的U值，即第一脉冲占空比，对其乘以一个小于1的系数，比如80％，得到当前脉冲占空比。当前脉冲占空比减小了，电机转速也就降下来，从而降低电机温度。
步骤S400根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的下一转速；
步骤S500判断所述当前脉冲占空比是否不低于目标脉冲占空比乘以第一预设系数所得到的值；所述目标脉冲占空比为所述电机空载、且到达所述目标转速时驱动电机的脉冲占空比；
步骤S600若是，则按预设规则降低所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；；
步骤S700若否，则将所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；
步骤S800将所述下一转速作为当前转速，所述下一观测系统扰动值作为当前观测系统扰动值，跳转到步骤S310，使电机的转速向目标转速逼近。
本实施例，主要是针对电机温度高时，及时采取保护措施，避免电机持续温度过高而损坏，尤其是永磁有刷电机。永磁有刷电机由于结构原因，电刷和换向器的接触电阻大，造成电机整体电阻大，容易发热，而永磁体又是热敏元件，温度太高，磁钢会退磁，使电机性能下降，影响电机寿命，所以永磁有刷电机，相对无刷电机，更需要监测电机温度，使用散热风扇、可调速驱动电路来消除电机的异常。
在本发明的另一个实施例中，如图3所示，一种基于ADRC算法的电机转速控制方法，包括：
步骤S100根据电机的输入控制信号计算电机的目标转速；
所述电机为永磁有刷电机；
步骤S200根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的当前转速，同时将扩张状态观测器根据所述当前转速输出的扰动值作为当前观测系统扰动值；
步骤S310根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值，得到第一脉冲占空比；
步骤S320当电机外壁温度信息达到预设高温阈值时，打开电机外置风扇进行降温，同时按第二预设规则降低所述第一脉冲占空比，得到驱动电机的当前脉冲占空比；所述电机外壁温度信息根据温度传感器采集的数据获得；
步骤S330当电机持续过流时间超过预设过流时长时，将当前脉冲占空比设为0；所述电机持续过流时间根据电流互感器采集的数据统计得到。
具体的，接收电流互感器采集的数据，得到当前电流信息，并根据当前电流信息更新电机持续过流时间，比如，如果当前电流信息超过预设电流阈值(预设电流阈值可根据电机的最大电流设置)，则电机持续过流时间加1，否则将电机持续过流时间清0。当电机持续过流时间超过预设过流时长，比如20S时，则当前PWM值设为0，相当于关断电机，以免由于电机电流过大造成损坏。如果电机持续过流时间不长，则不对当前PWM值做调整。
步骤S400根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的下一转速；
步骤S500判断所述当前脉冲占空比是否不低于目标脉冲占空比乘以第一预设系数所得到的值；所述目标脉冲占空比为所述电机空载、且到达所述目标转速时驱动电机的脉冲占空比；
步骤S600若是，则按预设规则降低所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；；
步骤S700若否，则将所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；
步骤S800将所述下一转速作为当前转速，所述下一观测系统扰动值作为当前观测系统扰动值，跳转到步骤S310，使电机的转速向目标转速逼近。
本实施例，主要是针对电机温度过高、电机电流持续过流时，及时采取保护措施，避免电机损坏，尤其是永磁有刷电机。
在本发明的另一个实施例中，如图4所示，一种基于ADRC算法的电机转速控制装置110，包括：
目标转速计算模块111，根据电机的输入控制信号计算电机的目标转速。
具体的，电机的输入控制信号可以是模拟电压信号，比如0～3.3V的模拟电压，也可以是低电压的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号，比如3.3V的PWM信号，PWM信号通过脉冲宽度反应所需电压幅度。在电机空载时，电压与电机转速之间有一张一一对应的表，根据电机的输入控制信号得到电压值，根据该电压值和电压-电机转速映射表，获得该电压对应的电机转速，该电机转速为电机的目标转速。
传感器数据处理模块112，接收速度传感器的反馈信息，根据所述反馈信息得到所述电机的当前转速；
ADRC算法模块113，将扩张状态观测器根据所述当前转速输出的扰动值作为当前观测系统扰动值；以及，根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值，得到驱动电机的当前脉冲占空比；
所述传感器数据处理模块112，根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的下一转速；
所述ADRC算法模块113，判断所述当前脉冲占空比是否不低于目标脉冲占空比乘以第一预设系数所得到的值；所述目标脉冲占空比为所述电机空载、且到达所述目标转速时驱动电机的脉冲占空比；若是，则按预设规则降低所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；若否，则将所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；以及，将所述下一转速作为当前转速，所述下一观测系统扰动值作为当前观测系统扰动值，重新根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值计算驱动电机的当前脉冲占空比，从而使电机的转速向目标转速逼近。
具体的，如图8所示，传统ADRC算法包括跟踪微分器、状态误差反馈控制、扩张状态观测器，其中，V为目标转速，y为电机的实际转速，Z3为观测系统扰动值，V和y构成了ADRC算法的输入，U为ADRC算法的输出。其中，扩张状态观测器根据实际转速(即y)输出观测速度值Z1、观测加速度值Z2和扰动值，扰动值作为观测系统扰动值Z3；目标转速V经跟踪微分器得到跟踪速度X1和跟踪加速度X2，状态误差反馈控制根据速度误差(跟踪速度-观测速度)、加速度误差(跟踪加速度-观测加速度)输出U0，U0减去Z3除以B后的值，得到输出值U，U控制电机的转速，使电机的实际转速y发生调整，得到新y，根据新y产生新Z1、Z2、Z3，从而产生新U，如此循环，使速度误差、加速度误差趋于0，从而使电机的实际转速趋于目标转速。
在本实施例中，U为另一PWM信号，U值反映了该PWM信号的脉冲占空比(后续将脉冲占空比简称为PWM值)，该PWM值控制电机的转速。根据目标转速、当前转速和当前观测系统扰动值和当前观测系统扰动值，得到当前U值，即当前PWM值，该当前PWM值使电机转速发生调整。
根据速度传感器的测量获得调整后的电机转速，即下一转速。目标PWM值为电机空载时到达目标转速所需的PWM值，记为PWM1。在相同目标速度的情况下，假设电机负载的情况下需要的PWM值为PWM2，则必然存在PWM2＝a*PWM1，其中a为第一预设系数，该第一预设系数大于1。可通过实验测试得到电机的负载状况与第一预设系数之间的匹配表，可根据该匹配表和电机实际工作环境的负载状况选取合适的第一预设系数。电机的负载主要指电机转动需要的扭力大小，对于驱动轮子移动的电机，主要根据车轮与地面的摩擦力大小来评估电机的负载状况，摩擦力大的负载大。比如驱动粗糙地面上移动的轮子的电机与驱动光滑地面上移动的轮子的电机，达到相同的目标转速，所需要的PWM2是不一样的，对应的第一预设系数选取也不一样。
判断当前PWM值是否不低于PWM2。若是，则按预设规则降低扩张状态观测器根据下一转速输出的下一扰动值，比如，将下一扰动值的80％作为下一观测系统扰动值，这是本实施例对传统ADRC算法做的一个优化。若否，则将下一扰动值作为下一观测系统扰动值，维持传统ADRC算法的处理。
ADRC算法控制系统输出大概分三阶段：阶段一.输出快速增加，阶段二.输出缓慢增加，阶段三.输出缓慢下降。阶段一决定了电机的响应的时间，阶段二决定电机是否超调，阶段三决定电机稳定的时间。ADRC的超调主要来源于第一阶段和第二阶段的过渡时间不太合适，第一阶段的时间太长易造成超调。当输出大于PWM2时，通过限制变量Z3，即降低传统ADRC算法输出的Z3的增长，从而加快第一、二阶段的过渡，从而抑制超调。在同样的ADRC参数下，通过优化可以看到很明显的区别(如图9所示)，ADRC算法优化前速度跟随情况为传统的ADRC算法下电机的实际转速向目标转速的跟踪情况，ADRC算法优化后速度跟随情况为优化后的ADRC算法下电机的实际转速向目标转速的跟踪情况，显然优化后的电机速度超调明显减小，实现了电机速度的快速、稳定的响应。
在本发明的另一个实施例中，如图4所示，一种基于ADRC算法的电机转速控制装置110，包括：
目标转速计算模块111，根据电机的输入控制信号计算电机的目标转速；所述电机为永磁有刷电机；
传感器数据处理模块112，接收速度传感器的反馈信息，根据所述反馈信息得到所述电机的当前转速；接收温度传感器采集的数据，得到电机外壁温度信息；
ADRC算法模块113，将扩张状态观测器根据所述当前转速输出的扰动值作为当前观测系统扰动值；以及，根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值，得到第一脉冲占空比；以及，当电机外壁温度信息达到预设高温阈值时，打开电机外置风扇进行降温，同时按第二预设规则降低所述第一脉冲占空比，得到驱动电机的当前脉冲占空比；
所述传感器数据处理模块112，根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的下一转速；
所述ADRC算法模块113，判断所述当前脉冲占空比是否不低于目标脉冲占空比乘以第一预设系数所得到的值；所述目标脉冲占空比为所述电机空载、且到达所述目标转速时驱动电机的脉冲占空比；若是，则按预设规则降低所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；若否，则将所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；以及，将所述下一转速作为当前转速，所述下一观测系统扰动值作为当前观测系统扰动值，重新根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值计算驱动电机的当前脉冲占空比，从而使电机的转速向目标转速逼近。
具体的，接收温度传感器采集的数据，得到电机外壁温度信息。当电机外壁温度信息达到预设高温阈值时，比如预设高温阈值为电机最高承受温度的90％，则开启电机保护机制，打开电机外置风扇进行降温，同时通过降低当前脉冲占空比来实现电机的降速，从而降低电机功率。
按第二预设规则降低所述第一脉冲占空比，比如ADRC算法输出的U值，即第一脉冲占空比，对其乘以一个小于1的系数，比如80％，得到当前脉冲占空比。当前脉冲占空比减小了，电机转速也就降下来，从而降低电机温度。
本实施例，主要是针对电机温度高时，及时采取保护措施，避免电机持续温度过高而损坏，尤其是永磁有刷电机。永磁有刷电机由于结构原因，电刷和换向器的接触电阻大，造成电机整体电阻大，容易发热，而永磁体又是热敏元件，温度太高，磁钢会退磁，使电机性能下降，影响电机寿命，所以永磁有刷电机，相对无刷电机，更需要监测电机温度，使用散热风扇、可调速驱动电路来消除电机的异常。
在本发明的另一个实施例中，如图4所示，一种基于ADRC算法的电机转速控制装置110，包括：
目标转速计算模块111，根据电机的输入控制信号计算所述电机的目标转速；
传感器数据处理模块112，接收速度传感器的反馈信息，根据所述反馈信息得到所述电机的当前转速；接收温度传感器采集的数据，得到电机外壁温度信息；接收电流互感器采集的数据，得到当前电流信息，并根据当前电流信息更新电机持续过流时间；
ADRC算法模块113，将所述扩张状态观测器根据所述当前转速输出的扰动值作为当前观测系统扰动值；以及，根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值，得到第一脉冲占空比；以及，当电机外壁温度信息达到预设高温阈值时，打开电机外置风扇进行降温，同时按第二预设规则降低所述第一脉冲占空比，得到驱动电机的当前脉冲占空比；以及，当电机持续过流时间超过预设过流时长时，将当前脉冲占空比设为0；
所述传感器数据处理模块112，根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的下一转速；
所述ADRC算法模块113，判断所述当前脉冲占空比是否不低于目标脉冲占空比乘以第一预设系数所得到的值；所述目标脉冲占空比为所述电机空载、且到达所述目标转速时驱动电机的脉冲占空比；若是，则按预设规则降低所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；若否，则将所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；以及，将所述下一转速作为当前转速，所述下一观测系统扰动值作为当前观测系统扰动值，重新根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值计算驱动电机的当前脉冲占空比，从而使电机的转速向目标转速逼近。
具体的，接收电流互感器采集的数据，得到当前电流信息，并根据当前电流信息更新电机持续过流时间，比如，如果当前电流信息超过预设电流阈值(预设电流阈值可根据电机的最大电流设置)，则电机持续过流时间加1，否则将电机持续过流时间清0。当电机持续过流时间超过预设过流时长，比如20S时，则当前PWM值设为0，相当于关断电机，以免由于电机电流过大造成损坏。如果电机持续过流时间不长，电机电流恢复正常，则不对当前PWM值做调整。
本实施例，主要是针对电机温度过高、电机电流持续过流时，及时采取保护措施，避免电机损坏，尤其是永磁有刷电机。
在本发明的另一个实施例中，如图5所示，一种电机转速控制系统，包括：前述任一实施例描述的基于ADRC算法的电机转速控制装置110，还包括速度传感器120、电机驱动模块130；
所述速度传感器120，固定在电机的延长轴上，用于提供电机的当前转速；
所述电机驱动模块130，用于将电机转速控制装置输出的信号放大后输出给电机。
具体的，电机转速控制装置接收速度传感器的数据，获得电机的当前转速；根据电机的目标转速，经ADRC算法控制和跟踪，输出的信号为PWM信号，该信号经电机驱动模块放大，输出给电机，使电机的实际转速逐步向目标转速逼近。
在本发明的另一个实施例中，如图6所示，一种电机转速控制系统，包括：前述任一实施例描述的基于ADRC算法的电机转速控制装置110，还包括速度传感器120、电机驱动模块130、温度传感器140；
所述速度传感器120，固定在电机的延长轴上，用于提供电机的当前转速；
所述电机驱动模块130，用于将电机转速控制装置输出的信号放大后输出给电机；
所述温度传感器140，贴在电机的外侧，用于采集电机外壁的温度值。
具体的，电机转速控制装置接收速度传感器的数据，获得电机的当前转速；接收温度传感器的数据，获得电机外壁的温度值；根据电机的目标转速，经ADRC算法控制和跟踪，输出PWM信号，当电机外壁的温度达到预设高温阈值时，调整该PWM信号，并把调整后的PWM信号输出给电机驱动模块，经电机驱动模块放大，输出给电机，在电机的当前转速向目标转速逼近的过程中，适当地降低电机转速，避免电机温度过高。
在本发明的另一个实施例中，如图7所示，一种电机转速控制系统，包括：前述任一实施例描述的基于ADRC算法的电机转速控制装置110，还包括速度传感器120、电机驱动模块130、温度传感器140、电流互感器150；
所述速度传感器120，固定在电机的延长轴上，用于提供电机的当前转速；
所述电机驱动模块130，用于将电机转速控制装置输出的信号放大后输出给电机；
所述温度传感器140，贴在电机的外侧，用于采集电机外壁的温度值。
所述电流互感器150，套在电机的正极功率线上，当电机有电流时，输出当前电流所对应的电压值。
具体的，电机转速控制装置接收速度传感器的数据，获得电机的当前转速；接收温度传感器的数据，获得电机外壁的温度值；接收电流互感器的数据，根据电流互感器的电压与电流的映射表，获得对应的电机电流。根据电机的目标转速，经ADRC算法控制和跟踪，输出PWM信号；当电机外壁的温度达到预设高温阈值时，调整该PWM信号；当电机持续过流时间超过预设过流时长时，进一步调整该PWM信号；把调整后的PWM信号输出给电机驱动模块，经电机驱动模块放大，输出给电机，在电机的当前转速向目标转速逼近的过程中，适当地降低电机转速，避免电机温度过高；如果电机持续过流，则关断电机，避免电机损坏。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于ADRC算法的电机转速控制方法，所述ADRC算法包括扩张状态观测器，其特征在于，包括：
步骤S100根据电机的输入控制信号计算所述电机的目标转速；
步骤S200根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的当前转速，同时将扩张状态观测器根据所述当前转速输出的扰动值作为当前观测系统扰动值；
步骤S300根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值，得到驱动电机的当前脉冲占空比；
步骤S400根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的下一转速；
步骤S500判断所述当前脉冲占空比是否不低于目标脉冲占空比乘以第一预设系数所得到的值；所述目标脉冲占空比为所述电机空载、且到达所述目标转速时驱动电机的脉冲占空比；
步骤S600若是，则按预设规则降低所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；
步骤S800将所述下一转速作为当前转速，所述下一观测系统扰动值作为当前观测系统扰动值，跳转到步骤S300，使电机的转速向目标转速逼近。
2.根据权利要求1所述的基于ADRC算法的电机转速控制方法，其特征在于，所述步骤S300包括：
根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值，得到第一脉冲占空比；
当电机外壁温度信息达到预设高温阈值时，打开电机外置风扇进行降温，同时按第二预设规则降低所述第一脉冲占空比，得到驱动电机的当前脉冲占空比；所述电机外壁温度信息根据温度传感器采集的数据获得。
3.根据权利要求1或2所述的基于ADRC算法的电机转速控制方法，其特征在于，所述步骤S300还包括：
当电机持续过流时间超过预设过流时长时，将当前脉冲占空比设为0；所述电机持续过流时间根据电流互感器采集的数据统计得到。
4.根据权利要求1所述的基于ADRC算法的电机转速控制方法，其特征在于：
所述电机为永磁有刷电机。
5.一种基于ADRC算法的电机转速控制装置，其特征在于，包括：
目标转速计算模块，根据电机的输入控制信号计算所述电机的目标转速；
传感器数据处理模块，接收速度传感器的反馈信息，根据所述反馈信息得到所述电机的当前转速；
ADRC算法模块，将扩张状态观测器根据所述当前转速输出的扰动值作为当前观测系统扰动值；以及，根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值，得到驱动电机的当前脉冲占空比；
所述传感器数据处理模块，根据速度传感器的反馈信息得到所述电机的下一转速；
所述ADRC算法模块，判断所述当前脉冲占空比是否不低于目标脉冲占空比乘以第一预设系数所得到的值；所述目标脉冲占空比为所述电机空载、且到达所述目标转速时驱动电机的脉冲占空比；若是，则按预设规则降低所述扩张状态观测器根据所述下一转速输出的下一扰动值，作为下一观测系统扰动值；以及，将所述下一转速作为当前转速，所述下一观测系统扰动值作为当前观测系统扰动值，重新根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值计算驱动电机的当前脉冲占空比，从而使电机的转速向目标转速逼近。
6.根据权利要求5所述的基于ADRC算法的电机转速控制装置，其特征在于：
所述传感器数据处理模块，进一步用于接收温度传感器采集的数据，得到电机外壁温度信息；
所述ADRC算法模块，进一步用于根据所述目标转速、所述当前转速和所述当前观测系统扰动值，得到第一脉冲占空比；以及，当电机外壁温度信息达到预设高温阈值时，打开电机外置风扇进行降温，同时按第二预设规则降低所述第一脉冲占空比，得到驱动电机的当前脉冲占空比。
7.根据权利要求5或6所述的基于ADRC算法的电机转速控制装置，其特征在于：
所述传感器数据处理模块，接收电流互感器采集的数据，得到当前电流信息，并根据当前电流信息更新电机持续过流时间；
所述ADRC算法模块，进一步用于当电机持续过流时间超过预设过流时长时，将当前脉冲占空比设为0。
8.一种电机转速控制系统，其特征在于，包括权利要求5至7中任意一项所述的基于ADRC算法的电机转速控制装置，还包括速度传感器、电机驱动模块；
所述速度传感器，固定在电机的延长轴上，用于提供电机的当前转速；
所述电机驱动模块，用于将电机转速控制装置输出的信号放大后输出给电机。
9.根据权利要求8所述的电机转速控制系统，其特征在于，还包括温度传感器；
所述温度传感器，贴在电机的外侧，用于采集电机外壁的温度值。
10.根据权利要求9所述的电机转速控制系统，其特征在于，还包括电流互感器；
所述电流互感器，套在电机的正极功率线上，当电机有电流时，输出当前电流所对应的电压值。
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