CN110350828B - 马达参数追踪方法及系统 - Google Patents

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CN110350828B CN201910590926.3A CN201910590926A CN110350828B CN 110350828 B CN110350828 B CN 110350828B CN 201910590926 A CN201910590926 A CN 201910590926A CN 110350828 B CN110350828 B CN 110350828B
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Abstract

本发明提供了一种马达参数追踪方法及系统，该方法通过电压激励信号激励马达工作，获取处于工作状态下的所述马达两端的实际电压和实际电流；基于所述实际电压和实际电流对所述马达的电压误差进行建模，得到所述马达的电压误差函数；根据所述电压误差函数和预设迭代步长对马达参数进行迭代运算，以实现对所述马达参数的动态追踪。通过上述马达参数追踪方法，能够对于马达的批次和个体之间的差异进行自适应调整，能够动态跟踪由于马达温度、姿态等方面变化而引起的参数变化，并且只需为所有马达参数设定同一步长值，不仅降低了调参的难度，而且降低了算法对参数的敏感性。

Description

马达参数追踪方法及系统
【技术领域】
本发明涉及微机电领域，特别是涉及一种马达参数追踪方法及系统。
【背景技术】
随着智能手机、智能穿戴等各类消费电子设备的发展普及，人们对触觉体验的要求也与日俱增。通过线性马达(LRA)可以提供丰富的振感体验，且马达的振动性能对触觉体验有着直接且较大的影响。在实际应用中，马达单体的状态和参数会受其不同生产批次、不同应用场境、不同变换姿态的影响而产生意想不到的差异变化。因此，为了消除马达单体状态和参数的变化对触觉体验的不利影响，实现对马达单体进行参数追踪和反馈控制就显得尤为重要。
常规的马达参数追踪方法通过预设的马达参数来进行马达激励信号控制，通常称为开环控制技术。该技术实现简单且不需要复杂的控制理论，但是对于马达批次和个体之间的差异无法进行自适应调整，同时也无法有效跟踪由于马达温度、姿态等方面变化而引起的参数变化。
因此，有必要提供一种能够对于马达的批次和个体之间的差异进行自适应调整的马达参数追踪方法及系统。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种能够对于马达的批次和个体之间的差异进行自适应调整的马达参数追踪方法及系统。
本发明的技术方案如下：一种马达参数追踪方法，包括：
通过电压激励信号激励马达工作，获取处于工作状态下的所述马达两端的实际电压和实际电流；
基于所述实际电压和实际电流对所述马达的电压误差进行建模，得到所述马达的电压误差函数；
根据所述电压误差函数和预设迭代步长对马达参数进行迭代运算，以实现对所述马达参数的动态追踪。
可选的，在其中一个实施例中，所述电压激励信号为数字信号，所述通过电压激励信号激励马达工作，包括：
将所述电压激励信号经过数模转换器将数字信号转为模拟信号，然后经过功率放大器对所述模拟信号进行放大，通过放大后的所述模拟信号激励所述马达工作。
可选的，在其中一个实施例中，所述基于所述实际电压和实际电流对所述马达的电压误差进行建模，得到所述马达的电压误差函数，包括：
根据不同采样点的实际电压与不同采样点的预测电压之间的差得到所述电压误差函数，其中所述预测电压根据所述马达参数和马达模型计算得出。
可选的，在其中一个实施例中，所述根据不同采样点的实际电压与不同采样点的预测电压之间的差得到所述电压误差函数包括：
根据公式
εoev[n]＝vcm[n]-vcp[n]
计算出所述电压误差函数；其中，n为采样点索引，vcm为实际电压，vcp为预测电压。
可选的，在其中一个实施例中，所述预测电压根据所述马达参数和马达模型计算得出，包括：
根据公式
Figure BDA0002116097580000021
计算出所述预测电压；其中，n为采样点索引，Reb为马达的电阻，icm为实际电流，Leb为马达的电感，φ0为电磁力系数，ud为马达的振子速度。
可选的，在其中一个实施例中，所述马达的振子速度根据公式
ud[n]＝σu[n]fc·p[n]-σu[n]fc·p[n-2]-a1[n]ud[n-1]-a2[n]ud[n-2]
计算得出，其中，n为采样点索引，σu、a1和a2为马达二阶模型的系数，fc·p为电磁力。
可选的，在其中一个实施例中，所述电磁力根据公式
fc·p[n]＝φ0[n]ic·m[n]
计算得出，其中，n为采样点索引，φ0为电磁力系数，icm为实际电流。
可选的，在其中一个实施例中，为所述马达参数设置同一个预设迭代步长；所述根据所述电压误差函数和预设迭代步长对马达参数进行迭代运算，以实现对所述马达参数的动态追踪，包括：
基于所述电压误差函数和所述预设迭代步长对所述马达参数进行归一化最小均方自适应滤波，得到所述马达参数的追踪结果。
可选的，在其中一个实施例中，所述马达参数包括电阻、电感、滤波器反馈系数和电磁力系数；
所述电阻的追踪结果为：
Figure BDA0002116097580000031
其中，Reb为电阻，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，icm为实际电流，其中u[m]＝-icm[m]；
所述电感的追踪结果为：
Figure BDA0002116097580000041
其中，Leb为电感，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，icm为实际电流，其中
Figure BDA0002116097580000042
所述滤波器反馈系数的追踪结果为：
Figure BDA0002116097580000043
其中，ak为滤波器反馈系数，包括a1和a2，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，φ0为电磁力系数，其中u[m]＝-φ0[m]αk[m]；
所述电磁力系数的追踪结果为：
Figure BDA0002116097580000044
其中，φ0为电磁力系数，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，ud为马达的振子速度，其中
Figure BDA0002116097580000045
一种马达参数追踪系统，包括：
系统控制模块，用于通过电压激励信号激励马达工作，获取处于工作状态下的所述马达两端的实际电压和实际电流；
系统辨识模块，用于基于所述实际电压和实际电流对所述马达的电压误差进行建模，得到所述马达的电压误差函数；
参数追踪模块，用于根据所述电压误差函数和预设迭代步长对马达参数进行迭代运算，以实现对所述马达参数的动态追踪。
一种终端，包括马达及控制所述马达的马达参数追踪系统，还包括存储器及处理器，所述存储器中储存有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述的方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
本发明的有益效果在于：通过电压激励信号激励马达工作，获取处于工作状态下的马达两端的实际电压和实际电流，基于实际电压和实际电流对马达的电压误差进行建模，得到马达的电压误差函数，据电压误差函数和预设迭代步长对马达参数进行迭代运算，以实现对马达参数的动态追踪。通过上述马达参数追踪方法，能够对于马达的批次和个体之间的差异进行自适应调整，能够动态跟踪由于马达温度、姿态等方面变化而引起的参数变化，并且只需为所有马达参数设定同一步长值，不仅降低了调参的难度，而且降低了算法对参数的敏感性。
【附图说明】
图1为本发明一个实施例中马达参数追踪方法的流程图；
图2为本发明一个实施例中系统控制模块的结构示意图；
图3为本发明一个实施例中电感的参数追踪结果示意图；
图4为本发明一个实施例中电阻的参数追踪结果示意图；
图5为本发明一个实施例中电磁力系数的参数追踪结果示意图；
图6为本发明一个实施例中滤波器反馈系数的参数追踪结果示意图；
图7为本发明一个实施例中马达参数追踪系统的结构框图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
图1为一个实施例中马达参数追踪方法的流程图，该马达参数追踪方法可以应用于马达参数追踪系统中，具体的，该马达可以是线性马达，也即是线性谐振传动器，指的是在单个轴上产生振荡力的振动电机，更为具体的，该马达可以是应用于智能手机、平板电脑、智能穿戴式设备等电子设备中的线性马达。通过该马达参数追踪方法，能够对于马达的批次和个体之间的差异进行自适应调整，实现对马达参数的动态追踪。如图1所示，该马达参数追踪方法包括以下步骤102至步骤106：
步骤102：通过电压激励信号激励马达工作，获取处于工作状态下的所述马达两端的实际电压和实际电流。
电压激励信号指的是为了观测马达的特性而输入到马达的工作电路中的电信号，本实施例中电压激励信号为数字信号，例如该电压激励信号可以是白噪声。
具体的，马达参数追踪系统包括系统控制模块，通过系统控制模块将所述电压激励信号经过数模转换器将数字信号转为模拟信号，然后经过功率放大器对所述模拟信号进行放大，通过放大后的所述模拟信号激励所述马达工作，激励马达工作的同时，采集处于工作状态下的马达两端的实际电压和实际电流。
举例说明，如图2所示，为一个实施例中系统控制模块的结构示意图，该系统控制模块主要由信号采集相关的硬件设备组成，目的是测量并获取工作状态下的马达两端的实际电压vcm和实际电流icm。具体的，该系统控制模块包括DAC数模转换器、ADC模数转换器和功率放大器，首先将电压激励信号signal经过DAC数模转换器将数字信号转为模拟信号，然后经过功率放大器对模拟信号进行放大，通过放大后的模拟信号激励马达工作，激励马达工作的同时，通过采样电阻Rshunt采集电流信号，通过采样电阻Rlead采集电压信号，并分别通过ADC模数转换器将电压信号和电流信号由模拟信号转换为数字信号，以获取处于工作状态下的马达两端的实际电压实际电压vcm和实际电流icm。
步骤104：基于所述实际电压和实际电流对所述马达的电压误差进行建模，得到所述马达的电压误差函数。
其中，根据不同采样点的实际电压与不同采样点的预测电压之间的差得到所述电压误差函数，也即电压误差函数定义为预测电压与实际电压时间的误差。
具体的，根据公式
εoev[n]＝vcm[n]-vcp[n] (1)
计算出所述电压误差函数；其中，n为采样点索引，vcm为实际电压，vcp为预测电压。
进一步的，式(1)中的预测电压可以根据马达参数和马达模型计算得出，具体根据公式
Figure BDA0002116097580000071
计算出预测电压；其中，n为采样点索引，Reb为马达的电阻，icm为实际电流，Leb为马达的电感，φ0为电磁力系数，ud为马达的振子速度。
式(2)中电流对时间的导数
Figure BDA0002116097580000072
采用如下公式计算：
Figure BDA0002116097580000073
其中，n为采样点索引，icm为实际电流，Ts为数字信号采样周期。
式(2)中马达的振子速度ud采用如下公式计算：
ud[n]＝σu[n]fc·p[n]-σu[n]fc·p[n-2]-a1[n]ud[n-1]-a2[n]ud[n-2] (4)；
其中，n为采样点索引，σu、a1和a2为马达二阶模型的系数，fc·p为电磁力。
式(4)中电磁力fc·p按如下公式计算：
fc·p[n]＝φ0[n]ic·m[n] (5)；
其中，n为采样点索引，φ0为电磁力系数，icm为实际电流。
步骤106：根据所述电压误差函数和预设迭代步长对马达参数进行迭代运算，以实现对所述马达参数的动态追踪。
其中，本实施例基于电压误差函数和NLMS(Normalized Least Mean Square，归一化最小均方自适应滤波)算法对马达参数进行动态追踪。也即基于马达两端实际电压vcm和预测电压vcp的误差信号进行归一化最小均方自适应滤波。
具体的，为马达参数设置同一个预设迭代步长，利用NLMS算法根据马达参数的迭代步长及电压误差函数的梯度对马达参数进行迭代运算，从而得到马达参数的追踪结果。需要说明的是，NLMS算法不需要为各个马达参数分别设置迭代步长，只需为所有马达参数设定同一步长值即可，不仅降低了调参的难度，而且降低了算法对参数的敏感性。
以下作为具体举例说明，马达参数包括电阻、电感、滤波器反馈系数和电磁力系数，NLMS算法在逐帧迭代运算过程中，各个马达参数含义及计算公式如下所述：
电阻的计算公式及追踪结果为：
Figure BDA0002116097580000081
Figure BDA0002116097580000091
其中，Reb为电阻，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，icm为实际电流，式(7)中u[m]＝-icm[m]。
电感的计算公式及追踪结果为：
Figure BDA0002116097580000092
Figure BDA0002116097580000093
其中，Leb为电感，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，icm为实际电流，式(9)中
Figure BDA0002116097580000094
滤波器反馈系数的计算公式及追踪结果为：
Figure BDA0002116097580000095
Figure BDA0002116097580000096
Figure BDA0002116097580000097
其中，ak为滤波器反馈系数，包括a1和a2，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，φ0为电磁力系数，式(12)中u[m]＝-φ0[m]αk[m]。
电磁力系数的计算公式及追踪结果为：
Figure BDA0002116097580000101
Figure BDA0002116097580000102
Figure BDA0002116097580000103
其中，φ0为电磁力系数，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，ud为马达的振子速度，式(15)中
Figure BDA0002116097580000104
本实施例提供的马达参数追踪方法，通过电压激励信号激励马达工作，获取处于工作状态下的马达两端的实际电压和实际电流，基于实际电压和实际电流对马达的电压误差进行建模，得到马达的电压误差函数，据电压误差函数和预设迭代步长对马达参数进行迭代运算，以实现对马达参数的动态追踪。通过上述马达参数追踪方法，能够对于马达的批次和个体之间的差异进行自适应调整，能够动态跟踪由于马达温度、姿态等方面变化而引起的参数变化，并且只需为所有马达参数设定同一步长值，不仅降低了调参的难度，而且降低了算法对参数的敏感性。
在一个实施例中，在包含有线性马达的实验设备上对该线性马达进行参数追踪，具体的，采用白噪声作为电压激励信号，运行马达参数追踪系统，以帧为单位，通过NLMS算法对该线性马达的马达参数进行追踪。
NLMS算法中部分参数设置如下表1所示，其中原始信号采样率可以理解为激励信号的采样频率，NLMS信号采样率可以理解为NLMS算法的采样频率。
表1NLMS算法参数
参数 单位 设置值
原始信号采样率 Hz 48000
NLMS信号采样率 Hz 4000
帧长 ms 44
参数步长 / 0.07
图3至图6分别为电感、电阻、电磁力系数和滤波器反馈系数的马达参数追踪结果，其中各图中实线表示算法追踪参数，算法追踪参数的初始值可以根据系统任意设置，虚线表示马达额定设计参数。将图3至图6中的算法追踪结果与设计参数对比可以得出，各个马达参数的算法追踪参数随时间的变化逐渐趋近于马达额定设计参数，也即本实施例中的马达参数追踪方法有效实现了对马达参数的动态追踪。
基于相同的发明构思，以下提供一种马达参数追踪系统，如图7所示，为一个实施例中马达参数追踪系统的结构框图，该系统包括系统控制模块710、系统辨识模块720和参数追踪模块730。
系统控制模块710用于通过电压激励信号激励马达工作，获取处于工作状态下的所述马达两端的实际电压和实际电流。
系统辨识模块720用于基于所述实际电压和实际电流对所述马达的电压误差进行建模，得到所述马达的电压误差函数。
参数追踪模块730用于根据所述电压误差函数和预设迭代步长对马达参数进行迭代运算，以实现对所述马达参数的动态追踪。
本实施例提供的马达参数追踪系统，能够对于马达的批次和个体之间的差异进行自适应调整，能够动态跟踪由于马达温度、姿态等方面变化而引起的参数变化，并且只需为所有马达参数设定同一步长值，不仅降低了调参的难度，而且降低了算法对参数的敏感性。
本发明实施例还提供了一种终端，该终端包括马达及控制所述马达的马达参数追踪系统，还包括存储器及处理器，所述存储器中储存有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述各实施例中所描述的马达参数追踪方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质。一个或多个包含计算机可执行指令的非易失性计算机可读存储介质，当所述计算机可执行指令被一个或多个处理器执行时，使得所述处理器执行如上述各实施例中所描述的马达参数追踪方法。
本发明实施例还提供了一种计算机程序产品。一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各实施例中所描述的马达参数追踪方法。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种马达参数追踪方法，其特征在于，包括：
通过电压激励信号激励马达工作，获取处于工作状态下的所述马达两端的实际电压和实际电流；
基于所述实际电压和实际电流对所述马达的电压误差进行建模，得到所述马达的电压误差函数；
根据所述电压误差函数和预设迭代步长对马达参数进行迭代运算，以实现对所述马达参数的动态追踪；包括：为所述马达参数设置同一个预设迭代步长；基于所述电压误差函数和所述预设迭代步长对所述马达参数进行归一化最小均方自适应滤波，得到所述马达参数的追踪结果；
所述马达参数包括电阻、电感、滤波器反馈系数和电磁力系数；
所述电阻的追踪结果为：
Figure FDA0003995119580000011
其中，Reb为电阻，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，icm为实际电流，其中u[m]＝-icm[m]；
所述电感的追踪结果为：
Figure FDA0003995119580000012
其中，Leb为电感，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，icm为实际电流，其中
Figure FDA0003995119580000021
所述滤波器反馈系数的追踪结果为：
Figure FDA0003995119580000022
其中，ak为滤波器反馈系数，包括a1和a2，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，φ0为电磁力系数，其中u[m]＝-φ0[m]αk[m]；
所述电磁力系数的追踪结果为：
Figure FDA0003995119580000023
其中，φ0为电磁力系数，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，ud为马达的振子速度，其中
Figure FDA0003995119580000024
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压激励信号为数字信号，所述通过电压激励信号激励马达工作，包括：
将所述电压激励信号经过数模转换器将数字信号转为模拟信号，然后经过功率放大器对所述模拟信号进行放大，通过放大后的所述模拟信号激励所述马达工作。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述实际电压和实际电流对所述马达的电压误差进行建模，得到所述马达的电压误差函数，包括：
根据不同采样点的实际电压与不同采样点的预测电压之间的差得到所述电压误差函数，其中所述预测电压根据所述马达参数和马达模型计算得出。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据不同采样点的实际电压与不同采样点的预测电压之间的差得到所述电压误差函数包括：
根据公式
εoev[n]＝vcm[n]-vcp[n]
计算出所述电压误差函数；其中，n为采样点索引，vcm为实际电压，vcp为预测电压。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预测电压根据所述马达参数和马达模型计算得出，包括：
根据公式
Figure FDA0003995119580000031
计算出所述预测电压；其中，n为采样点索引，Reb为马达的电阻，icm为实际电流，Leb为马达的电感，φ0为电磁力系数，ud为马达的振子速度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述马达的振子速度根据公式
ud[n]＝σu[n]fc·p[n]-σu[n]fc·p[n-2]-a1[n]ud[n-1]-a2[n]ud[n-2]
计算得出，其中，n为采样点索引，σu、a1和a2为马达二阶模型的系数，fc·p为电磁力。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电磁力根据公式
fc·p[n]＝φ0[n]ic·m[n]
计算得出，其中，n为采样点索引，φ0为电磁力系数，icm为实际电流。
8.一种马达参数追踪系统，其特征在于，包括：
系统控制模块，用于通过电压激励信号激励马达工作，获取处于工作状态下的所述马达两端的实际电压和实际电流；
系统辨识模块，用于基于所述实际电压和实际电流对所述马达的电压误差进行建模，得到所述马达的电压误差函数；
参数追踪模块，用于根据所述电压误差函数和预设迭代步长对马达参数进行迭代运算，以实现对所述马达参数的动态追踪；包括：为所述马达参数设置同一个预设迭代步长；基于所述电压误差函数和所述预设迭代步长对所述马达参数进行归一化最小均方自适应滤波，得到所述马达参数的追踪结果；
所述马达参数包括电阻、电感、滤波器反馈系数和电磁力系数；
所述电阻的追踪结果为：
Figure FDA0003995119580000041
其中，Reb为电阻，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，icm为实际电流，其中u[m]＝-icm[m]；
所述电感的追踪结果为：
Figure FDA0003995119580000051
其中，Leb为电感，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，icm为实际电流，其中
Figure FDA0003995119580000052
所述滤波器反馈系数的追踪结果为：
Figure FDA0003995119580000053
其中，ak为滤波器反馈系数，包括a1和a2，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，φ0为电磁力系数，其中u[m]＝-φ0[m]αk[m]；
所述电磁力系数的追踪结果为：
Figure FDA0003995119580000054
其中，φ0为电磁力系数，n为采样点索引，μ为迭代步长，frame_sanple为每帧的样本总数，m为每帧样本索引，εoev为电压误差函数，ud为马达的振子速度，其中
Figure FDA0003995119580000061
9.一种终端，其特征在于，包括马达及控制所述马达的马达参数追踪系统，还包括存储器及处理器，所述存储器中储存有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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