CN111800053A - 电机驱动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种电机驱动系统及方法，涉及电机驱动技术领域，该系统包括：控制器，用于根据当前时刻获取到的电机的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数确定驱动电机的第一力矩值；状态观测器，用于根据当前时刻获取到的电机的实际位置参数确定用于补偿负载受力的第一力矩估算值，负载通过电机驱动；相加单元，用于将第一力矩值和第一力矩估算值相加，得到第二力矩值，以及输出第二力矩值，以在当前时刻通过第二力矩值驱动所述电机运转。上述方案可以解决现有技术中由于产生负载力矩使得电机实际位置与期望位置之间存在偏差，进而降低运动精准性的技术问题。

Description

电机驱动系统及方法

技术领域

本申请实施例涉及电机驱动技术领域，尤其涉及一种电机驱动系统及方法。

背景技术

电机是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，其主要作用是产生驱动转矩，并将驱动转矩作为用电器或各种机械的动力源。

随着机械动力学的发展，诞生了各类智能机械设备，如足式机器人、机械臂等智能机械设备。此时，电机作为智能机械设备的重要组成部分，可以作为智能机械设备的动力源以驱动智能机械设备进行运动。其中，智能机械设备中被电机驱动的装置可以记为负载。

现有技术中，为了保证智能机械设备运动的精准性，通常采用闭环控制方法驱动电机运转。其中，闭环控制方法具体为：预先规划智能机械设备运动过程中各时刻电机运转的期望位置和期望速度，之后，电机的驱动系统根据当前时刻电机运转的实际位置和实际速度以及期望位置和期望速度确定电机运转偏差，并基于电机运转偏差计算驱动力矩，之后，通过该驱动力矩控制电机运转，以保证智能机械设备准确地进行运动。发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术存在如下缺陷：在使用闭环控制方法时，若出现负载受力(如负载接收摩擦力等外力)的情况，则会出现负载力矩，该负载力矩也可以理解为负载受力时的力矩，该负载力矩出现时，会使得智能机械设备出现运动偏差，此时，为了消除偏差，智能机械设备需要补偿该负载力矩，进而抵消负载受力。那么，为了补偿负载力矩，电机的驱动系统会使电机的驱动力矩等于负载力矩。相应的，为了保持驱动力矩的正常输出，会使电机的实际位置与期望位置之间始终存在偏差。此时，负载力矩越大，驱动力矩越大，实际位置与期望位置之间的偏差越大，这样大大降低了智能机械设备运动的精准性。

发明内容

本申请提供了一种电机驱动系统及方法，以解决现有技术中由于产生负载力矩使得电机实际位置与期望位置之间存在偏差，进而降低运动精准性的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种电机驱动系统，包括：控制器、状态观测器和相加单元；

所述控制器，用于获取电机在当前时刻的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数；根据所述期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数确定当前时刻驱动电机的第一力矩值；

所述状态观测器，用于获取电机在当前时刻的实际位置参数；根据所述实际位置参数确定当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值，所述负载通过所述电机驱动；

所述相加单元，用于将所述第一力矩值和所述第一力矩估算值相加，得到第二力矩值；输出所述第二力矩值，以在当前时刻通过所述第二力矩值驱动所述电机运转。

进一步的，所述状态观测器在用于根据所述实际位置参数确定当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值时，具体为：

将所述实际位置参数和第一观测位置参数作差，得到当前时刻的位置偏差参数，所述第一观测位置参数为所述状态观测器在上一时刻估算得到的电机观测位置；

根据所述位置偏差参数和第二力矩估算值计算当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值，所述第二力矩估算值为上一时刻所述状态观测器计算得到的用于补偿负载受力的力矩估算值。

进一步的，所述状态观测器还用于：

获取所述电机在当前时刻的电磁转矩值；

根据所述电磁转矩值、所述第一力矩估算值、所述位置偏差参数以及上一时刻估算得到的第二观测速度参数，得到当前时刻电机的第一观测速度参数；

根据所述第二观测速度参数、所述第一观测速度参数和所述第一观测位置参数，得到第二观测位置参数，所述第二观测位置参数为当前时刻估算得到的电机观测位置。

进一步的，所述第一观测速度参数的计算公式为：

Omega(k)＝(K1*(Error*freq-0.5*(Omega(k)-Omega(k-1)))+K2*Error+TrqComp(k)+Te+B)/J+Omega(k-1)

其中，Omega(k)为第一观测速度参数，Omega(k-1)为第二观测速度参数，Error为当前时刻的位置偏差参数，freq为状态观测器的迭代频率，TrqComp(k)为第一力矩估算值，Te为当前时刻的电磁转矩值，B为电机摩擦系数，J为电机转动惯量，K1为第一比例系数，K2为第二比例系数。

进一步的，所述第二观测位置参数的计算公式为：

Thetaob(k)＝0.5*(Omega(k)-Omega(k-1))+Thetaob(k-1)

其中，Thetaob(k)为第二观测位置参数，Omega(k)为第一观测速度参数，Omega(k-1)为第二观测速度参数，Thetaob(k-1)为第一观测位置参数。

进一步，还包括：电磁转矩获取单元，

所述电磁转矩获取单元，用于获取电机在当前时刻的电流值；将所述电流值与电磁转矩系数相乘，以得到当前时刻的电磁转矩值。

进一步的，所述第一力矩估算值的计算公式为：

TrqComp(k)＝K3*Error+TrqComp(k-1)

其中，TrqComp(k)为第一力矩估算值，TrqComp(k-1)为第二力矩估算值，Error为当前时刻的位置偏差参数，K3为第三比例系数。

进一步的，还包括：参数平滑单元，

所述参数平滑单元，用于获取控制设备当前输出的电机第一期望位置参数和电机第一期望速度参数；根据所述控制设备前一次输出的电机第二期望位置参数和所述电机第一期望位置参数确定位置变化参数，根据所述控制设备前一次输出的电机第二期望速度参数和所述电机第一期望速度参数确定速度变化参数；计算所述控制设备和所述控制器之间控制频率的比例参数；根据所述比例参数均分所述位置变化参数和所述速度变化参数，分别得到多个位置周期变化量和多个速度周期变化量；根据所述位置周期变化量和前一时刻的期望位置参数确定当前时刻的期望位置参数，根据所述速度周期变化量和前一时刻的期望速度参数确定当前时刻的期望速度参数。

进一步的，还包括：位置传感器和数值转换单元；

所述位置传感器，用于获取当前时刻电机的旋转刻度参数；

所述数值转换单元，用于根据所述旋转刻度参数确定当前时刻电机的旋转速度参数；对所述旋转刻度参数和所述旋转速度参数进行单位转换，以得到当前时刻电机的实际位置参数和实际速度参数，所述实际位置参数与所述期望位置参数的单位相同，所述实际速度参数和所述期望速度参数的单位相同。

进一步的，还包括：相乘单元；

所述相乘单元，用于将所述第一力矩估算值与第四比例系数相乘，得到相乘结果；

所述相加单元在用于将所述第一力矩值和所述第一力矩估算值相加，得到第二力矩值时，具体为：

将所述第一力矩值和所述相乘结果值相加，得到第二力矩值。

第二方面，本申请实施例还提供了一种电机驱动方法，包括：

控制器获取电机在当前时刻的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数；

所述控制器根据所述期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数确定当前时刻驱动电机的第一力矩值；

状态观测器获取电机在当前时刻的实际位置参数；

所述状态观测器根据所述实际位置参数确定当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值，所述负载通过所述电机驱动；

相加单元将所述第一力矩值和所述第一力矩估算值相加，得到第二力矩值；

所述相加单元输出所述第二力矩值，以在当前时刻通过所述第二力矩值驱动所述电机运转。

进一步的，所述状态观测器根据所述实际位置参数确定当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值包括：

所述状态观测器将所述实际位置参数和第一观测位置参数作差，得到当前时刻的位置偏差参数，所述第一观测位置参数为所述状态观测器在上一时刻估算得到的电机观测位置；

所述状态观测器根据所述位置偏差参数和第二力矩估算值计算当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值，所述第二力矩估算值为上一时刻所述状态观测器计算得到的用于补偿负载受力的力矩估算值。

进一步的，还包括：

所述状态观测器获取电机在当前时刻的电磁转矩值；

所述状态观测器根据所述电磁转矩值、所述第一力矩估算值、所述位置偏差参数以及上一时刻估算得到的第二观测速度参数，得到当前时刻电机的第一观测速度参数；

所述状态观测器根据所述第二观测速度参数、所述第一观测速度参数和所述第一观测位置参数，得到第二观测位置参数，所述第二观测位置参数为当前时刻估算得到的电机观测位置。

进一步的，所述第一观测速度参数的计算公式为：

Omega(k)＝(K1*(Error*freq-0.5*(Omega(k)-Omega(k-1)))+K2*Error+TrqComp(k)+Te+B)/J+Omega(k-1)

其中，Omega(k)为第一观测速度参数，Omega(k-1)为第二观测速度参数，Error为当前时刻的位置偏差参数，freq为状态观测器的迭代频率，TrqComp(k)为第一力矩估算值，Te为当前时刻的电磁转矩值，B为电机摩擦系数，J为电机转动惯量，K1为第一比例系数，K2为第二比例系数。

进一步的，所述第二观测位置参数的计算公式为：

Thetaob(k)＝0.5*(Omega(k)-Omega(k-1))+Thetaob(k-1)

其中，Thetaob(k)为第二观测位置参数，Omega(k)为第一观测速度参数，Omega(k-1)为第二观测速度参数，Thetaob(k-1)为第一观测位置参数。

进一步的，所述状态观测器获取电机在当前时刻的电磁转矩值之前，还包括：

电磁转矩获取单元获取电机在当前时刻的电流值；

所述电磁转矩获取单元将所述电流值与电磁转矩系数相乘，以得到当前时刻的电磁转矩值。

进一步的，所述第一力矩估算值的计算公式为：

TrqComp(k)＝K3*Error+TrqComp(k-1)

其中，TrqComp(k)为第一力矩估算值，TrqComp(k-1)为第二力矩估算值，Error为当前时刻的位置偏差参数，K3为第三比例系数。

进一步的，所述控制器获取电机在当前时刻的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数之前，还包括：

参数平滑单元获取控制设备当前输出的电机第一期望位置参数和电机第一期望速度参数；

所述参数平滑单元根据所述控制设备前一次输出的电机第二期望位置参数和所述电机第一期望位置参数确定位置变化参数，根据所述控制设备前一次输出的电机第二期望速度参数和所述第一期望速度参数确定速度变化参数；

所述参数平滑单元计算所述控制设备和所述控制器之间控制频率的比例参数；

所述参数平滑单元根据所述比例参数均分所述位置变化参数和所述速度变化参数，分别得到多个位置周期变化量和多个速度周期变化量；

所述参数平滑单元根据所述位置周期变化量和前一时刻的期望位置参数确定当前时刻的期望位置参数，根据所述速度周期变化量和前一时刻的期望速度参数确定当前时刻的期望速度参数。

进一步的，所述控制器获取电机在当前时刻的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数之前，还包括：

所述位置传感器获取当前时刻电机的旋转刻度参数；

所述数值转换单元根据所述旋转刻度参数确定当前时刻电机的旋转速度参数；

所述数值转换单元对所述旋转刻度参数和所述旋转速度参数进行单位转换，以得到当前时刻电机的实际位置参数和实际速度参数，所述实际位置参数与所述期望位置参数的单位相同，所述实际速度参数和所述期望速度参数的单位相同。

进一步的，所述相加单元将所述第一力矩值和所述第一力矩估算值相加之前，还包括：

所述相乘单元将所述第一力矩估算值与第四比例系数相乘，得到相乘结果；

所述相加单元将所述第一力矩值和所述第一力矩估算值相加，得到第二力矩值，包括：

所述相加单元将所述第一力矩值和所述相乘结果相加，得到第二力矩值。

上述电机驱动系统及方法，通过控制器获取当前时刻电机的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数计算得到驱动电机的第一力矩值，并且，状态观测器获取当前时刻的实际位置参数以观测出负载力矩的第一力矩估算值，之后，相加单元将第一力矩值和第一力矩估算值相加，以得到最终驱动电机运转的第二力矩值，并输出第二力矩值以驱动电机运转的技术手段，可以解决现有技术中由于产生负载力矩使得电机实际位置与期望位置之间存在偏差，降低运动精准性的技术问题。通过在系统内部设置状态观测器，自适应估算负载力矩，进而实现对负载力矩的补偿，无需创建动力学模型，便可以更快、更好的实现负载力矩的补偿，提高了系统的稳定性。

进一步的，通过设置参数平滑单元，可以在控制设备和控制器的控制频率不一致时，防止期望位置和期望速度产生突变影响电机驱动系统的稳定性。

进一步的，通过设置相乘单元，可以起到调节补偿效果的作用，进而使得电机驱动系统的补偿效果更加符合用户的实际要求。

附图说明

图1为现有技术中电机驱动系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种电机驱动系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种控制器的内部数据处理流程图；

图4为本申请实施例提供的一种控制器电路结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种相加单元结构示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种电机驱动系统的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种电机驱动方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或操作或对象与另一个实体或操作或对象区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作或对象之间存在任何这种实际的关系或顺序。例如，第一力矩值和第二力矩值的“第一”和“第二”用来区分两个不同的力矩值。

图1为现有技术中电机驱动系统的结构示意图。参考图1，该电机驱动系统1包括阻抗控制器11、相加单元12、驱动单元13和位置测量单元14，其中，驱动单元13包括电流环131、空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)器132和逆变器133。

电机驱动系统1分别与控制设备15和电机16连接，电机16通过驱动器(图未示)驱动负载运动。以电机驱动系统1、控制设备15、电机16和负载均配置于智能机械设备中进行示例性描述。控制设备15用于确定各时刻电机的期望位置、期望速度，其中，期望位置是指当前时刻计划电机16运转到的位置，电机运转到的位置也可以理解为电机旋转的角度。期望速度是指当前时刻计划电机运转的速度，电机运转的速度也可以理解为电机旋转的角速度。之后，控制设备15根据各时刻依次将期望位置和期望速度发送至阻抗控制器11。

阻抗控制器11输出驱动力矩，该驱动力矩可以驱动电机运转。当智能机械设备运动过程中没有出现负载受力时，由于智能机械设备本身硬件条件的限制，会在运动过程中出现偏差，即智能机械设备的电机未达到期望位置和期望速度。此时，阻抗控制器11通过位置测量单元14可以得到电机在当前时刻的实际位置和实际速度。其中，实际位置是指当前时刻电机实际运转到的位置，实际速度是指当前时刻电机实际运转的速度。之后，阻抗控制器11根据期望位置和实际位置确定位置偏差，根据期望速度和实际速度确定速度偏差，并利用比例系数调节位置偏差，利用微分系数调节速度偏差，进而得到驱动力矩。当前驱动力矩输出后，电机根据该驱动力矩运转，可以减小位置偏差和速度偏差。但是，当智能机械设备运动过程中出现负载受力时，会出现负载力矩，这种情况下，阻抗控制器11自动输出驱动力矩，该驱动力矩与负载力矩相等，当前驱动力矩输出后，电机根据该驱动力矩进行运转，以抵消负载受力，即对负载力矩进行补偿。此时，为了持续补偿负载力矩，需要保持驱动力矩的输出。为了保持驱动力矩的输出，需要智能机械设备的电机运转到一个不精准的位置和速度，以使阻抗控制器11根据偏差计算的驱动力矩与负载力矩相等，这种情况下，必然会使智能机械设备在运动过程中存在位置偏差。可以理解，当负载力矩越大时，智能机械设备在运动过程中的位置偏差越大，智能机械设备运动的精准性越低。

因此，现有技术中，为了保证智能机械设备运动的精准性，在图1所示的系统中，当智能机械设备运动过程中出现负载受力时，由控制设备15分析智能机械设备在运动过程中的负载受力情况，进而计算出各运动时刻的力矩偏置值，之后，控制设备15输出力矩偏置值。相应的，阻抗控制器11则根据期望位置和实际位置以及期望速度和实际速度的偏差计算驱动力矩，而不再是输出与负载力矩相等的驱动力矩，可以理解，除了智能机械设备本身硬件条件的限制会产生偏差，负载力矩也会产生偏差。之后，相加单元12将阻抗控制器11输出的驱动力矩与控制设备15输出的力矩偏置值相加，以得到当前运动时刻最终的驱动力矩。其中，力矩偏置值也可以理解为力矩补偿值，即控制设备15分析负载受力情况后，为了抵消负载受力(即补偿由于负载受力而出现的负载力矩)，估算出了负载力矩，进而得到用于补偿负载力矩的力矩偏置值，之后，将估算出的力矩偏置值和由偏差生成的驱动力矩相加，以得到最终的驱动力矩，该最终的驱动力矩用于补偿负载力矩，也可以理解为最终计算到的负载力矩。之后，根据最终的驱动力矩，通过驱动单元驱动电机运转。可以理解，上述描述中，阻抗控制器11输出的驱动力矩等于负载力矩(即最终的驱动力矩)与力矩偏置值的差值。力矩偏置值越准确，即力矩偏置值越贴近负载力矩时，阻抗控制器11输出的驱动力矩越小，即期望位置和实际位置之间越贴近，以此保证智能机械设备的运动准确性。

然而，控制设备15在计算力矩偏置值时，需要建立准确的动力学模型。当智能机械设备的负载需要较多驱动器驱动时，会增加动力学模型的复杂程度。例如，足式机器人中通过12个驱动器控制负载，此时，需要依据12个驱动器建立动力学模型，大大增加了动力学模型的复杂程度，进而加大了控制设备15数据处理的压力。此外，若动力学模型不准确，则会降低补偿效果，进而影响智能机械设备的正常运行。

有鉴于此，本申请实施例提供一种电机驱动系统，以当存在负载力矩时，无需通过控制设备建模，仍然能准确地进行负载力矩的补偿，降低电机实际位置和期望位置之间的偏差，保证运动精准性。

需说明，本申请实施例提供的电机驱动系统可以驱动电机运转，电机运转后可以通过驱动器带动负载运行，其中，负载的具体类别实施例不做限定。可理解，一个电机驱动系统可以驱动一个电机运转。若智能机械设备中存在多个电机，那么，每个电机对应一个电机驱动系统，且各电机驱动系统可以与同一个控制设备连接。

具体的，图2为本申请实施例提供的一种电机驱动系统的结构示意图。参考图2，该电机驱动系统2包括控制器21、状态观测器22和相加单元23；

所述控制器21，用于获取电机24在当前时刻的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数；根据所述期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数确定当前时刻驱动电机24的第一力矩值；

所述状态观测器22，用于获取电机24在当前时刻的实际位置参数；根据所述实际位置参数确定当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值，所述负载通过所述电机24驱动；所述相加单元23，用于将所述第一力矩值和所述第一力矩估算值相加，得到第二力矩值；输出所述第二力矩值，以在当前时刻通过所述第二力矩值驱动所述电机24运转。

具体的，电机驱动系统2用于驱动电机24运转。其中，电机类型可以根据实际情况设定，实施例中，以伺服电机为例进行描述。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动负载。电机驱动系统包含控制器21、状态观测器22和相加单元23。实施例中，设定控制器21的控制频率和状态观测器22的控制频率相等。即控制器21和状态观测器22的数据处理周期相同。

其中，控制器21具有数据处理及运算功能，实施例中，控制器21可以理解为阻抗控制器，其可以实现比例微分控制。需说明，控制器21具有一定的控制频率，通过控制频率可以确定控制器21的数据处理周期，即控制器21根据控制频率周期性处理数据。此时，每个处理数据的周期可以对应一个时刻，实施例中，将控制器21当前处理数据的时刻记为当前时刻。

控制器21能够获取当前时刻电机的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数。其中，期望位置参数也可以理解为期望位置，即期望位置参数是当前时刻计划电机运转到的位置。期望速度参数也可以理解为期望速度，即期望速度参数是当前时刻计划电机运转的速度。期望位置参数和期望速度参数由与控制器21相连的控制设备25生成。其中，控制设备25为计算机设备，其可以与电机驱动系统2集成在同一设备中，也可以与电机驱动系统2相互独立。控制设备25可以规划电机在各时刻对应的期望位置参数和期望速度参数。可以理解，当智能机械设备中存在多个电机24时，每个电机24对应的控制器21均与同一控制设备25相同，此时，控制设备25可以分别规划出各电机24在各时刻对应的期望位置参数和期望速度参数。其中，期望位置参数和期望速度参数的计算方法可以采用现有的计算方法，实施例对此不做限定。例如，智能机械设备为足式机器人，足式机器人可以模仿人类的行走动作，此时，仿照人类腿部交叉前进的行走动作，设定足式机器人包含两种状态(例如，一个状态对应于抬腿操作、一个状态对应于着地操作)，足式机器人重复两种状态便可以实现行走。可以理解，上述状态可以理解为足式机器人中实现行走的关节的状态，关节通过电机驱动，关节的状态可以理解为关节的姿态。控制设备25根据足式机器人中关节的位置，利用机器人动力学原理，便可以确定行走过程中关节在各时刻的状态，之后，根据两个相邻的状态，经过S曲线规划，便能够确定电机驱动关节由前一状态到达当前状态时的位置指令和速度指令，进而得到当前状态电机的期望位置和期望速度。可选的，期望位置参数和期望速度参数以电信号的方式传输，且该电信号优选为模拟电信号，模拟电信号是指连续信号。

实际位置参数也可以理解为实际位置，其是指当前时刻电机实际运转到的位置。实际速度参数也可以理解为实际速度，其是指当前时刻电机实际运转的速度。可选的，控制器21可以直接读取电机24当前的实际位置参数，并通过当前时刻实际位置参数和上一时刻实际位置参数以及控制频率计算出当前时刻的实际速度参数。还可选的，控制器21还可以通过位置传感器和数值转换单元获取实际速度参数和实际位置参数。可选的，实际位置参数和实际速度参数以电信号的方式传输，且该电信号优选为模拟电信号。

可以理解，在电机运行过程中，由于智能机械设备负载受力、硬件设备等因素的限制，会出现当前时刻电机的期望位置参数和实际位置参数、期望速度参数和实际速度参数存在偏差。此时，为了消除偏差，需要改变输入电机的力矩值。实施例中，通过控制器21计算用于消除偏差的力矩值，并将该力矩值记为第一力矩值。典型的，在计算第一力矩值时，可以采用比例微分方式，即控制器21可以认为是一个比例微分控制系统，此时，控制器21的内部结构如图3所示。图3为本申请实施例提供的一种控制器的内部数据处理流程图。参考图3，控制器21计算第一力矩值的具体方式为：计算期望位置参数和实际位置参数的差值，并将该差值经过比例控制系数kp，以得到位置误差消除力矩，同时，计算期望速度参数和实际速度参数的差值，并将该差值经过微分控制系数kd，以得到速度误差消除力矩，之后，将两个力矩相加，以得到第一力矩值。基于上述描述可知，第一力矩值的计算公式可以表示为：

tpdout＝(PosCmd-PosFb)*kp+(VeloCmd-VeloFb)*kd

其中，PosCmd表示当前时刻的期望位置参数(Position Command)，PosFb表示当前时刻的实际位置参数(Position Feedback)，kp表示比例控制系数，VeloCmd表示当前时刻的期望速度参数(Velocity Command)，VeloFb表示当前时刻的实际速度参数(VelocityFeedback)，kd表示微分控制系数，tpdout表示第一力矩值。kp和kd的值可以由电机驱动系统的控制人员设定。

由上述描述可知，控制器21也可理解为基于位置的阻抗控制系统。

可选的，图3所示的控制器21可以为可编程逻辑器件，也可以为控制电路。当控制器21为控制电路时，其具体结构参考图4。其中，图4为本申请实施例提供的一种控制器电路结构示意图，参考图4，控制器21由放大器211、放大器212和放大器213以及外围电阻组成，其中，放大器211和其外围电阻组成的减法器、放大器212和其外围电阻组成的减法器、放大器213和其外围电阻组成了加法器。具体的，放大器211的第一输入端(+端)为期望位置参数的输入端、放大器211的第二输入端(-端)为实际位置参数的输入端，放大器212的第一输入端(+端)为期望速度参数的输入端、放大器212的第二输入端(-端)为实际速度参数的输入端、放大器213的输出端输出第一力矩值。需说明，上述提及的放大器以及外围电阻的具体型号及参数可以根据实际情况设定，同时，图4仅为控制器21的一种示例性描述，而非对控制器21的限定。

进一步的，状态观测器22可以根据系统的外部变量(输入变量和输出变量)的实测值得出状态变量估计值。实施例中，状态观测器22的作用是根据电机当前时刻的实际位置参数观测出负载力矩的估计值，并将当前时刻状态观测器22得到的估计值记为第一力矩估算值，其用于在负载受力时进行力矩补偿。换言之，通过状态观测器22预先估算出当前时刻可能存在的负载力矩，并提前基于估算出的负载力矩进行补偿。其中，状态观测器22可以采用龙伯格观测器、卡尔曼观测器等。实施例中，以龙伯格观测器为例进行描述，即在位置反馈路径中，增加龙波格观测器，以获取不可测量的第一力矩估算值。可选的，状态观测器22的工作方式为：状态观测器22根据上一时刻估算到的观测位置参数和当前时刻的实际位置参数之间的差值确定位置偏差(位置偏差可以体现当前时刻状态观测器22进行负载力矩估算时的位置偏差情况)，之后，根据位置偏差得到一个用于补偿该偏差的力矩，并将该力矩与上一时刻估计到的负载力矩作和，以得到当前时刻的第一力矩估算值。其中，状态观测器22可以通过观测速度参数得到观测位置参数。观测速度参数和观测位置参数可以理解为状态观测器22估计的电机运转位置和运转速度。

由于状态观测器22估计了补偿负载受力的第一力矩估算值，控制器21计算了用于消除位置误差和速度误差的第一力矩值，那么，将上述两值相加，便可以得到当前时刻电机运转时的驱动力矩。实施例中，将该驱动力矩记为第二力矩值。典型的，设置相加单元23，控制器21将第一力矩值发送至相加单元23，状态观测器22将第一力矩估算值发送至相加单元23，相加单元23将接收到的两个力矩值相加并输出第二力矩值。可选的，控制器21以电信号的方式向相加单元23发送第一力矩值，且优选为模拟电信号，同样的，状态观测器22以电信号的方式向相加单元23发送第一力矩估算值，且优选为模拟电信号。相加单元23同样以电信号的方式输出第二力矩值，且优选为模拟电信号，该模拟电信号优选为模拟的直流电信号。

进一步的，相加单元23可以为实现加法功能的可编程逻辑器件，或者是加法电路。当相加单元23为加法电路时，其具体结构参考图5。具体的，图5为本申请实施例提供的一种相加单元结构示意图，参考图5，相加单元23由放大器231以及外围电阻组成，其中，放大器231和其外围电阻组成了加法器(加法电路)。具体的，放大器231的第一输入端(+端)分别通过电阻接入第一力矩值和第一力矩估算值，放大器231的第二输入端(-端)通过电阻接地，放大器231的输出端输出第二力矩值。需说明，上述提及的放大器以及外围电阻的具体型号及参数可以根据实际情况设定。

可选的，相加单元23将第二力矩值输出至驱动单元26，以使驱动单元26通过第二力矩值控制电机24运转。此时，电机驱动系统2可以还包括驱动单元26，驱动单元26包括电流环261、空间矢量脉宽调制器262和逆变器263。可以理解，驱动单元26也可以是个独立模块，不集成在电机驱动系统中。其中，电流环261是电流反馈系统，其主要用于通过提高电流的稳定性能来提高系统的性能，实施例中，电流环261用于将第二力矩值转换成供电机24使用的电流值，该电流值同样以电信号的方式传输。空间矢量脉宽调制器262主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，逆变器263主要作用是将直流电能转变成交流电。实施例中，空间矢量脉宽调制器262和逆变器263用于基于电流值得到PWM波，进而通过PWM波驱动电机运转。

上述，通过控制器获取当前时刻电机的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数计算得到驱动电机的第一力矩值，并且，状态观测器获取当前时刻的实际位置参数以观测出负载力矩的第一力矩估算值，之后，相加单元将第一力矩值和第一力矩估算值相加，以得到最终驱动电机运转的第二力矩值，并输出第二力矩值以驱动电机运转的技术手段，可以解决现有技术中由于产生负载力矩使得电机实际位置与期望位置之间存在偏差，降低运动精准性的技术问题。通过在系统内部设置状态观测器，自适应估算负载力矩，进而实现对负载力矩的补偿，无需创建动力学模型，便可以更快、更好的实现负载力矩的补偿。同时，由于无需控制设备建立动力学模型，因此，减小了控制设备的运算压力小，使得系统的稳定性更高。

在上述实施例基础上，所述状态观测器22在用于根据所述实际位置参数确定当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值时具体为：将所述实际位置参数和第一观测位置参数作差，得到当前时刻的位置偏差参数，所述第一观测位置参数为所述状态观测器在上一时刻估算得到的电机观测位置；根据所述位置偏差参数和第二力矩估算值计算当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值，所述第二力矩估算值为上一时刻所述状态观测器计算得到的用于补偿负载受力的力矩估算值。

电机观测位置是指状态观测器22估计得到的电机运转位置，其中，电机观测位置可以通过上一时刻保存的电机观测位置和电机观测速度得到。相应的，状态观测器22估计出当前时刻的电机运转位置后，进行保存，以便于下一时刻使用。实施例中，将上一时刻估计得到的电机观测位置记为第一观测位置参数。

具体的，在计算第一力矩估算值时，先计算当前时刻的实际位置参数与第一观测位置之间的差值，并记为位置偏差参数。位置偏差参数可以体现上一时刻估算到的电机观测位置和当前时刻电机实际运行到的位置之间的差异情况，进而使状态观测器22明确当前时刻进行估算时的位置偏差。之后，基于位置偏差参数，计算消除位置偏差参数的力矩估算值，进而将该力矩估算值与上一时刻得到的力矩估算值相加，以得到当前时刻的第一力矩估算值。其中，上一时刻得到的力矩估算值记为第二力矩估算值。此时，所述第一力矩估算值的计算公式为：

TrqComp(k)＝K3*Error+TrqComp(k-1)

其中，TrqComp(k)为第一力矩估算值，TrqComp(k-1)为第二力矩估算值，Error为当前时刻的位置偏差参数，K3为第三比例系数。可以理解，K3的具体值可以由电机驱动系统的工作人员设定。

通过上述公式可知，在计算第一力矩估算值，考虑了位置偏差参数，保证了第一力矩估算值的准确性。可选的，得到第一力矩估算值后，状态观测器22除了输出第一力矩估算值外，还保存第一力矩估算值。保存第一力矩估算值后，状态观测器22将下一时刻作为当前时刻，并将保存的第一力矩估算值变为第二力矩估算值，以用于重新计算第一力矩估算值。

由上述可知，在计算第一力矩估算值时，用到了上一时刻的第一观测位置参数，因此，实施例中设定状态观测器除了计算第一力矩估算值外，还需要计算当前时刻的电机观测位置。据此，实施例中设定状态观测器22还用于：

获取所述电机24在当前时刻的电磁转矩值；

根据所述电磁转矩值、所述第一力矩估算值、所述位置偏差参数以及上一时刻估算得到的第二观测速度参数，得到当前时刻电机的第一观测速度参数；

根据所述第二观测速度参数、所述第一观测速度参数和所述第一观测位置参数，得到第二观测位置参数，所述第二观测位置参数为当前时刻估算得到的电机观测位置。

其中，电磁转矩值是电机旋转磁场各极磁通与转子电流相互作用而在转子上形成的旋转力矩。对于伺服电机而言，电磁转矩值同电机的电流成正比，且比例系数为常值。实施例中，将该比例系数记为电磁转矩系数，电磁转矩系数的具体值通常与电机的型号相关。

图6为本申请实施例提供的另一种电机驱动系统的结构示意图。图6是在图2的基础上增加了一些用于数据处理的单元。参考图6，相比图2，电机驱动系统2中除了控制器21、状态观测器22、相加单元23、驱动单元26外，还增加了电磁转矩获取单元27。其中，电磁转矩获取单元27主要用于计算电磁转矩值。

据此，设定电机驱动系统还包括：电磁转矩获取单元27。所述电磁转矩获取单元27，用于获取电机24在当前时刻的电流值；将所述电流值与电磁转矩系数相乘，以得到当前时刻的电磁转矩值。

其中，电磁转矩获取单元27可以获取电流环261在当前时刻输出的电流。由于该电流用于驱动电机，因此，该电流也可以理解当前时刻电机24的电流值。进一步的，电磁转矩获取单元27中还记录有电机24的电磁转矩系数，以在获取到电流值时，将电流值与电磁转矩系数相乘，以得到当前时刻的电磁转矩值，之后，将计算得到电磁转矩值输出至状态观测器22。电磁转矩值以电信号传输。可以理解，电机转矩获取单元27的控制频率与状态观测器22的控制频率相等。可选的，电磁转矩获取单元27可以理解为乘法器，乘法器(multiplier)是一种完成两个互不相关的信号相乘作用的电子器件，实施例中，乘法器的一端输入电流值，另一端输入电磁转矩系数，输出端输出电磁转矩值。可选的，电磁转矩获取单元27在采样电流值时得到数字电信号，其中，数字电信号是指离散信号或脉冲信号。相应的，电磁转矩获取单元27输出的电磁转矩值同样为数字电信号。

状态观测器22获取到电磁转矩值，便可以计算当前时刻的电机观测速度。实施例中，将当前时刻的电机观测速度记为第一观测速度参数，由于在计算第一观测速度参数的过程中，使用了上一时刻的电机观测速度，此时，为了与第一观测速度参数进行区分，将上一时刻的电机观测速度记为第二观测速度参数。进一步的，在计算第一观测速度参数时，使用了电磁转矩值、位置偏差参数、第一力矩估算值以及第二观测速度参数。此时，所述第一观测速度参数的计算公式为：

Omega(k)＝(K1*(Error*freq-0.5*(Omega(k)-Omega(k-1)))+K2*Error+TrqComp(k)+Te+B)/J+Omega(k-1)

其中，Omega(k)为第一观测速度参数，Omega(k-1)为第二观测速度参数，Error为当前时刻的位置偏差参数，freq为状态观测器的迭代频率，TrqComp(k)为第一力矩估算值，Te为当前时刻的电磁转矩值，B为电机摩擦系数，J为电机转动惯量，K1为第一比例系数，K2为第二比例系数。需说明，K1和K2的具体数值可以由电机驱动系统的工作人员结合实际情况设定或更改。

具体的，参考公式可知，第一观测速度参数也可以理解为：基于电机运行情况确定当前时刻电机观测速度的变化参数，进而基于该变化参数以及上一时刻得到的第二观测速度参数得到当前时刻的第一观测速度参数。典型的，状态观测器的迭代频率也可以理解为状态观测器的控制频率，Error*freq可以体现当前迭代频率下，位置偏差参数对应的速度偏差参数。0.5*(Omega(k)-Omega(k-1)可以理解为对电机观测速度的积分，其可以体现当前时刻电机观测位置的变化参数。K1*(Error*freq-0.5*(Omega(k)-Omega(k-1)))可以理解为基于速度偏差参数和电机观测位置的变化参数得到的一个力矩值。K2*Error可以理解为基于位置偏差参数得到的一个力矩值，之后，将两个力矩值与电机摩擦系数(也可以理解为摩擦力矩)、第一力矩估算值和电磁转矩值相加。并将相加结果与转动惯量相除，以得到当前时刻的速度变化参数。之后，基于速度变化参数和第二观测速度参数得到了第一观测速度参数。此时，得到的第一观测速度参数不仅考虑了位置偏差参数，还考虑了电机运转过程中的受力情况，如考虑了摩擦力矩、电磁转矩值以及观测力矩，进而保证了第一观测速度参数的准确性。

得到第一观测速度参数后，便可以根据第一观测速度参数得到当前时刻的电机观测位置，实施例中，将当前时刻的电机观测位置记为第二观测位置参数。由于电机观测位置通过电机观测速度的积分体现，因此，可以通过离散积分公式得到第二观测位置参数。此时，所述第二观测位置参数的计算公式为：

Thetaob(k)＝0.5*(Omega(k)-Omega(k-1))+Thetaob(k-1)

其中，Thetaob(k)为第二观测位置参数，Omega(k)为第一观测速度参数，Omega(k-1)为第二观测速度参数，Thetaob(k-1)为第一观测位置参数。

根据上述公式可知，0.5*(Omega(k)-Omega(k-1))为当前时刻电机观测位置的变化参数，将该变化参数与上一时刻的第一观测位置参数相加，便可以得到当前时刻的第二观测位置参数。

需说明，计算第二观测位置参数、第一观测速度参数、第一力矩估算值后，可以认为状态观测器22完成当前时刻的数据处理。典型的，状态观测器22会保存计算得到的第二观测位置参数、第一观测速度参数、第一力矩估算值，以便在下一时刻使用。可选的，在保存当前时刻计算得到的数据时，可以删除上一时刻对应的数据，以减小状态观测器22的数据处理压力。

可以理解，第一力矩估算值不仅考虑到了电机的摩擦力矩、电磁转矩等，还考虑到了上一时刻估计的外部负载力矩以及电机实际运行位置，保证了第一力矩估算值的准确性。同时，状态观测器中的三个比例系数K1、K2和K3可以由工作人员根据实际情况调节，进而保证了状态观测器的观测效果。并且，电机驱动系统无需额外构建动力学模型，也减小了电机驱动系统的操作复杂度。此外，状态观测器的运算过程中，转动惯量仅是其中一个参数，而非主要参数，也降低了对转动惯量的依赖程度。

在上述实施例的基础上，参考图6，电机驱动系统2还包括：参数平滑单元28。所述参数平滑单元28，用于获取控制设备25当前输出的电机第一期望位置参数和电机第一期望速度参数；根据所述控制设备25前一次输出的电机第二期望位置参数和所述电机第一期望位置参数确定位置变化参数，根据所述控制设备前一次输出的电机第二期望速度参数和所述电机第一期望速度参数确定速度变化参数；计算所述控制设备25和所述控制器21之间控制频率的比例参数；根据所述比例参数21均分所述位置变化参数和所述速度变化参数，分别得到多个位置周期变化量和多个速度周期变化量；根据所述位置周期变化量和前一时刻的期望位置参数确定当前时刻的期望位置参数，根据所述速度周期变化量和前一时刻的期望速度参数确定当前时刻的期望速度参数。

考虑到实际应用中，存在控制设备25的控制频率与控制器21的控制频率不一致的情况，此时，控制器21根据控制设备25输出的期望位置和期望速度进行计算时，会存在期望位置和期望速度突变的情况。举例而言，控制设备25的控制频率为1kHz，控制器21的控制频率为10kHz，此时，控制器21的数据处理速度是控制设备25的10倍。当控制设备25输出期望位置和期望速度时，该期望位置和期望速度将在控制器21中作为10个数据处理时刻的期望位置参数和期望速度参数，那么，当控制设备25下次输出期望位置和期望速度时，会使控制器21在数据处理时使用的期望位置参数和期望速度参数产生突变，严重时会影响电机驱动系统的稳定性。因此，实施例中，在电机驱动系统2中增加参数平滑单元28，以根据控制器21的控制频率和控制设备25的控制频率平滑控制设备25输出的期望位置和期望速度。

实施例中，将控制设备25当前输出的期望位置记为电机第一期望位置参数，当前输出的期望速度记为电机第一期望速度参数，将控制设备25前一次输出的期望位置记为电机第二期望位置参数，将前一次输出的期望速度记为电机第二期望速度参数。具体的，参数平滑单元28与控制设备25相连，可以接收控制设备25输出的电机第一期望速度参数和电机第一期望位置参数，并且保存该电机第一期望速度参数和电机第一期望位置参数，以在下一次接收到电机第一期望速度参数和电机第一期望位置参数时，将保存的电机第一期望速度参数和电机第一期望位置参数变为电机第二期望速度参数和电机第二期望位置参数。可以理解，当参数平滑单元28第一次接收到电机第一期望速度参数和电机第一期望位置参数时，对应的第二期望速度参数和第二期望位置参数可以为0。进一步的，计算电机第一期望位置参数和电机第二期望位置参数的差值，该差值可以体现期望位置的变化情况，实施例中将该差值记为位置变化参数。同时，计算电机第一期望速度参数和电机第二期望速度参数的差值，该差值可以体现期望速度的变化情况，实施例中将该差值记为速度变化参数。之后，将控制设备25和控制器21之间的控制频率作差，以得到比例参数。该比例参数可以体现控制器21和控制设备25数据处理速度差。之后，根据比例参数均分位置变化参数和速度变化参数。举例而言，控制设备25的控制频率为1kHz，控制器21的控制频率为10kHz，此时，比例参数为1/10。参数平滑单元28将位置变化参数平均分成10份，即将位置变化参数除以10，并将均分后的参数记为位置周期变化量。将速度变化参数同样平均分成10份，即将速度变化参数除以10，并将均分后的参数记为速度周期变化量。

进一步的，参数平滑单元28得到位置周期变化量后，根据控制器21的控制频率，在电机第二期望位置参数基础上，每次增加一位置周期变化量，以得到当前时刻的期望位置参数。举例而言，位置周期变化量为1且共有10个位置周期变化量，电机第二期望位置参数为10，之后，参数平滑单元28根据控制器21的控制频率，将10+1得到的参数11作为当前时刻的期望位置参数，并输入至控制器21中，在控制器21下一时刻时，将11加1后得到的参数12作为期望位置参数，并输入至控制器21中。以此类推，直到相加了10个位置周期变化量为止。之后，再次接收到控制设备25新发送的第一期望位置参数，并继续按照上述方式进行计算。同样的，得到速度周期变化量后，根据控制器21的控制频率，在电机第二期望速度参数基础上，每次增加一速度周期变化量，以得到当前时刻的期望速度参数。

可选的，由于期望位置参数和期望速度参数分别是对控制设备输出的期望位置和速度参数的平滑，此时，控制设备输出的期望位置和速度参数可以理解为数字电信号，其中，数字电信号为离散或脉冲信号。期望位置参数和期望速度参数可以理解为模拟电信号。可选的，参数平滑单元28的具体类型及结构可以根据实际情况设定，例如，参数平滑单元28为可编程逻辑器件或者为数/模转换器。

通过设置参数平滑单元，可以在控制设备和控制器的控制频率不一致时，防止期望位置和期望速度产生突变影响电机驱动系统的稳定性。

在上述实施例的基础上，参考图6，电机驱动系统2还包括：位置传感器29和数值转换单元30。

所述位置传感器29，用于获取当前时刻电机24的旋转刻度参数。

所述数值转换单元30，用于根据所述旋转刻度参数确定当前时刻电机24的旋转速度参数；对所述旋转刻度参数和所述旋转速度参数进行单位转换，以得到当前时刻电机的实际位置参数和实际速度参数，所述实际位置参数与所述期望位置参数的单位相同，所述实际速度参数和所述期望速度参数的单位相同。

具体的，由于控制器21需要获取当前时刻的实际速度参数和实际位置参数，状态观测器22需要获取当前时刻的实际位置参数。为了减小控制器21和状态观测器22的数据处理量，实施例中设定通过位置传感器29和数值转换单元30得到实际速度参数和实际位置参数，其中，位置传感器29和数值转换单元30可以理解为位置测量单元。实施例中，设定位置传感器29和数值转换单元30的控制频率与控制器21的控制频率相等。

位置传感器29使用的具体型号实施例不做限定，例如，位置传感器29为光电编码器。位置传感器29与电机24相连，可以读取电机24在当前时刻的旋转刻度参数。其中，旋转刻度参数也可以理解为电机24当前的旋转角度所对应的刻度。之后，位置传感器29将旋转刻度参数发送至数值转换单元30中。其中，旋转刻度参数通过电信号的方式传输。

数值转换单元30中保存有上一时刻位置传感器29发送的旋转刻度参数，之后，数值转换单元30将当前时刻得到的旋转刻度参数与上一时刻得到的旋转刻度参数作差，以得到旋转刻度的变化参数。之后，数值转换单元29根据控制频率确定工作周期，并将旋转刻度的变化参数与工作周期相除，以得到当前时刻的旋转速度参数。

进一步的，由于旋转刻度参数和旋转速度参数是基于位置传感器29得到的，位置传感器29采集到的参数可以理解为刻度参数，其与控制设备25下发的期望位置参数和期望速度参数的单位可能不同，因此，为了便于控制器21的处理，需要数值转换单元30对旋转刻度参数和旋转速度参数进行单位转换，以使转换后的旋转刻度参数和旋转速度参数与期望位置参数和期望速度参数的单位相同。可以理解，数值转换单元30中预先存储有单位转换计算规则，以通过单位转换计算规则进行单位转换。此时，转换后的旋转刻度参数便是当前时刻的实际位置参数，转换后的旋转速度参数便是当前时刻的实际速度参数。之后，数值转换单元30将实际位置参数和实际速度参数发送至控制器21中，并将实际位置参数发送至状态观测器22中。

可选的，位置传感器29采集的旋转刻度参数为数字电信号，数值转换单元30输出的实际位置参数和实际速度参数为模拟电信号，此时，数值转换单元30的具体类型及结构可以根据实际情况设定，例如，数值转换单元30为可编程逻辑器件或者为数/模转换器。

上述，通过在电机驱动系统中设置数值转换单元和位置传感器可以实现获取与控制设备产生的期望速度参数和期望位置参数单位相同的实际速度参数和实际位置参数。

在上述实施例的基础上，参考图4，电机驱动系统还包括：相乘单元31。

所述相乘单元31，用于将所述第一力矩估算值与第四比例系数相乘，得到相乘结果；所述相加单元23在用于将所述第一力矩值和所述第一负载力矩估算值相加，得到第二力矩值时，具体为：将所述第一力矩值和所述相乘结果相加，得到第二力矩值。

实际应用中，存在工作人员需要根据实际需求调节补偿效果的情况，即根据实际需求调节第一力矩估算值大小的情况。因此，实施例中，在电机驱动系统2中增加相乘单元31，以通过相乘单元31调节第一力矩估算值的大小。相乘单元31也可以理解为乘法器。具体的，状态控制器22输出的第一力矩估算值先到达相乘单元31。相乘单元31中设置有一个比例系数，实施例中，将该比例系数记为第四比例系数，第四比例系数可以由工作人员根据自身需求设置，一般在0-1之间。相乘单元31将接收到的第一力矩估算值与第四比例系数相乘，以通过第四比例系数调节第一力矩估算值的大小。之后，相乘单元31将第四比例系数与第一力矩估算值的相乘结果输出至相加单元23中。之后，相加单元23将接收到的相乘结果与控制器21输出第一力矩值相加，以得到最终的第二力矩值。

上述，通过设置相乘单元，可以实现调节补偿效果的作用，进而使得电机驱动系统的补偿效果更加符合用户的实际要求

本申请实施例还提供一种电机驱动方法，该电机驱动方法由上述电机驱动系统执行。具体的，图7为本申请实施例提供的一种电机驱动方法的流程图。参考图7，该电机驱动方法具体包括：

步骤110、控制器获取电机在当前时刻的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数。

步骤120、所述控制器根据所述期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数确定当前时刻驱动电机的第一力矩值。

步骤130、状态观测器获取电机在当前时刻的实际位置参数。

步骤140、所述状态观测器根据所述实际位置参数确定当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值，所述负载通过所述电机驱动。

步骤150、相加单元将所述第一力矩值和所述第一力矩估算值相加，得到第二力矩值。

步骤160、所述相加单元输出所述第二力矩值，以在当前时刻通过所述第二力矩值驱动所述电机运转。

可理解，步骤110-步骤120和步骤130-步骤140可以同时执行，实施例不限定其具体执行顺序。

上述，通过控制器获取当前时刻电机的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数计算得到驱动电机的第一力矩值，并且，状态观测器获取当前时刻的实际位置参数以观测出负载力矩的第一力矩估算值，之后，相加单元将第一力矩值和第一力矩估算值相加，以得到最终驱动电机运转的第二力矩值，并输出第二力矩值以驱动电机运转的技术手段，可以解决现有技术中由于产生负载力矩使得电机实际位置与期望位置之间存在偏差，降低运动精准性的的技术问题。通过在系统内部设置状态观测器，自适应估算负载力矩，进而实现对负载力矩的补偿，无需创建动力学模型，便可以更快、更好的实现负载力矩的补偿，提高了系统的稳定性。

在上述实施例的基础上，步骤140具体包括：

所述状态观测器将所述实际位置参数和第一观测位置参数作差，得到当前时刻的位置偏差参数，所述第一观测位置参数为所述状态观测器在上一时刻估算得到的电机观测位置；所述状态观测器根据所述位置偏差参数和第二力矩估算值计算当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值，所述第二力矩估算值为上一时刻所述状态观测器计算得到的用于补偿负载受力的力矩估算值。

在上述实施例的基础上，所述电机驱动方法还包括：所述状态观测器获取电机在当前时刻的电磁转矩值；所述状态观测器根据所述电磁转矩值、所述第一力矩估算值、所述位置偏差参数以及上一时刻估算得到的第二观测速度参数，得到当前时刻电机的第一观测速度参数；所述状态观测器根据所述第二观测速度参数、所述第一观测速度参数和所述第一观测位置参数，得到第二观测位置参数，所述第二观测位置参数为当前时刻估算得到的电机观测位置。

在上述实施例的基础上，所述第一观测速度参数的计算公式为：

Omega(k)＝(K1*(Error*freq-0.5*(Omega(k)-Omega(k-1)))+K2*Error+TrqComp(k)+Te+B)/J+Omega(k-1)

其中，Omega(k)为第一观测速度参数，Omega(k-1)为第二观测速度参数，Error为当前时刻的位置偏差参数，freq为状态观测器的迭代频率，TrqComp(k)为第一力矩估算值，Te为当前时刻的电磁转矩值，B为电机摩擦系数，J为电机转动惯量，K1为第一比例系数，K2为第二比例系数。

在上述实施例的基础上，所述第二观测位置参数的计算公式为：

Thetaob(k)＝0.5*(Omega(k)-Omega(k-1))+Thetaob(k-1)

其中，Thetaob(k)为第二观测位置参数，Omega(k)为第一观测速度参数，Omega(k-1)为第二观测速度参数，Thetaob(k-1)为第一观测位置参数。

在上述实施例的基础上，步骤130之前，还包括：电磁转矩获取单元获取电机在当前时刻的电流值；所述电磁转矩获取单元将所述电流值与电磁转矩系数相乘，以得到当前时刻的电磁转矩值。

在上述实施例的基础上，所述第一力矩估算值的计算公式为：

TrqComp(k)＝K3*Error+TrqComp(k-1)

其中，TrqComp(k)为第一力矩估算值，TrqComp(k-1)为第二力矩估算值，Error为当前时刻的位置偏差参数，K3为第三比例系数。

在上述实施例的基础上，步骤110之前，还包括：参数平滑单元获取控制设备当前输出的电机第一期望位置参数和电机第一期望速度参数；所述参数平滑单元根据所述控制设备前一次输出的电机第二期望位置参数和所述电机第一期望位置参数确定位置变化参数，根据所述控制设备前一次输出的电机第二期望速度参数和所述第一期望速度参数确定速度变化参数；所述参数平滑单元计算所述控制设备和所述控制器之间控制频率的比例参数；所述参数平滑单元根据所述比例参数均分所述位置变化参数和所述速度变化参数，分别得到多个位置周期变化量和多个速度周期变化量；所述参数平滑单元根据所述位置周期变化量和前一时刻的期望位置参数确定当前时刻的期望位置参数，根据所述速度周期变化量和前一时刻的期望速度参数确定当前时刻的期望速度参数。

在上述实施例的基础上，步骤110之前，还包括：所述位置传感器获取当前时刻电机的旋转刻度参数；所述数值转换单元根据所述旋转刻度参数确定当前时刻电机的旋转速度参数；所述数值转换单元对所述旋转刻度参数和所述旋转速度参数进行单位转换，以得到当前时刻电机的实际位置参数和实际速度参数，所述实际位置参数与所述期望位置参数的单位相同，所述实际速度参数和所述期望速度参数的单位相同。

在上述实施例的基础上，步骤160之前，还包括：所述相乘单元将所述第一力矩估算值与第四比例系数相乘，得到相乘结果。相应的，步骤160包括：所述相加单元将所述第一力矩值和所述相乘结果相加，得到第二力矩值。

本申请实施例提供的电机驱动方法可以由上述电机驱动系统执行，具备相应的功能和有益效果。未在电机驱动方法中描述的具体技术手段可以参照电机驱动系统中描述的相关技术手段。

本申请实施例还提供一种智能机械设备。该智能机械设备包括上述提及的电机驱动系统、电机以及负载，并且，通过电机驱动系统驱动电机运行，并由电机带动负载运动。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (20)

1.一种电机驱动系统，其特征在于，包括：控制器、状态观测器和相加单元；

所述控制器，用于获取电机在当前时刻的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数；根据所述期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数确定当前时刻驱动电机的第一力矩值；

所述状态观测器，用于获取电机在当前时刻的实际位置参数；根据所述实际位置参数确定当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值，所述负载通过所述电机驱动；

所述相加单元，用于将所述第一力矩值和所述第一力矩估算值相加，得到第二力矩值；输出所述第二力矩值，以在当前时刻通过所述第二力矩值驱动所述电机运转。

2.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于，所述状态观测器在用于根据所述实际位置参数确定当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值时，具体为：

将所述实际位置参数和第一观测位置参数作差，得到当前时刻的位置偏差参数，所述第一观测位置参数为所述状态观测器在上一时刻估算得到的电机观测位置；

根据所述位置偏差参数和第二力矩估算值计算当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值，所述第二力矩估算值为上一时刻所述状态观测器计算得到的用于补偿负载受力的力矩估算值。

3.根据权利要求2所述的电机驱动系统，其特征在于，所述状态观测器还用于：

获取所述电机在当前时刻的电磁转矩值；

根据所述电磁转矩值、所述第一力矩估算值、所述位置偏差参数以及上一时刻估算得到的第二观测速度参数，得到当前时刻电机的第一观测速度参数；

根据所述第二观测速度参数、所述第一观测速度参数和所述第一观测位置参数，得到第二观测位置参数，所述第二观测位置参数为当前时刻估算得到的电机观测位置。

4.根据权利要求3所述的电机驱动系统，其特征在于，所述第一观测速度参数的计算公式为：

Omega(k)＝(K1*(Error*freq-0.5*(Omega(k)-Omega(k-1)))+K2*Error+TrqComp(k)+Te+B)/J+Omega(k-1)

其中，Omega(k)为第一观测速度参数，Omega(k-1)为第二观测速度参数，Error为当前时刻的位置偏差参数，freq为状态观测器的迭代频率，TrqComp(k)为第一力矩估算值，Te为当前时刻的电磁转矩值，B为电机摩擦系数，J为电机转动惯量，K1为第一比例系数，K2为第二比例系数。

5.根据权利要求3所述的电机驱动系统，其特征在于，所述第二观测位置参数的计算公式为：

Thetaob(k)＝0.5*(Omega(k)-Omega(k-1))+Thetaob(k-1)

其中，Thetaob(k)为第二观测位置参数，Omega(k)为第一观测速度参数，Omega(k-1)为第二观测速度参数，Thetaob(k-1)为第一观测位置参数。

6.根据权利要求3所述的电机驱动系统，其特征在于，还包括：电磁转矩获取单元，

所述电磁转矩获取单元，用于获取电机在当前时刻的电流值；将所述电流值与电磁转矩系数相乘，以得到当前时刻的电磁转矩值。

7.根据权利要求2所述的电机驱动系统，其特征在于，所述第一力矩估算值的计算公式为：

TrqComp(k)＝K3*Error+TrqComp(k-1)

其中，TrqComp(k)为第一力矩估算值，TrqComp(k-1)为第二力矩估算值，Error为当前时刻的位置偏差参数，K3为第三比例系数。

8.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于，还包括：参数平滑单元，

所述参数平滑单元，用于获取控制设备当前输出的电机第一期望位置参数和电机第一期望速度参数；根据所述控制设备前一次输出的电机第二期望位置参数和所述电机第一期望位置参数确定位置变化参数，根据所述控制设备前一次输出的电机第二期望速度参数和所述电机第一期望速度参数确定速度变化参数；计算所述控制设备和所述控制器之间控制频率的比例参数；根据所述比例参数均分所述位置变化参数和所述速度变化参数，分别得到多个位置周期变化量和多个速度周期变化量；根据所述位置周期变化量和前一时刻的期望位置参数确定当前时刻的期望位置参数，根据所述速度周期变化量和前一时刻的期望速度参数确定当前时刻的期望速度参数。

9.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于，还包括：位置传感器和数值转换单元；

所述位置传感器，用于获取当前时刻电机的旋转刻度参数；

所述数值转换单元，用于根据所述旋转刻度参数确定当前时刻电机的旋转速度参数；对所述旋转刻度参数和所述旋转速度参数进行单位转换，以得到当前时刻电机的实际位置参数和实际速度参数，所述实际位置参数与所述期望位置参数的单位相同，所述实际速度参数和所述期望速度参数的单位相同。

10.根据权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于，还包括：相乘单元；

所述相乘单元，用于将所述第一力矩估算值与第四比例系数相乘，得到相乘结果；

所述相加单元在用于将所述第一力矩值和所述第一力矩估算值相加，得到第二力矩值时，具体为：

将所述第一力矩值和所述相乘结果相加，得到第二力矩值。

11.一种电机驱动方法，其特征在于，包括：

控制器获取电机在当前时刻的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数；

所述控制器根据所述期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数确定当前时刻驱动电机的第一力矩值；

状态观测器获取电机在当前时刻的实际位置参数；

所述状态观测器根据所述实际位置参数确定当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值，所述负载通过所述电机驱动；

相加单元将所述第一力矩值和所述第一力矩估算值相加，得到第二力矩值；

所述相加单元输出所述第二力矩值，以在当前时刻通过所述第二力矩值驱动所述电机运转。

12.根据权利要求11所述的电机驱动方法，其特征在于，所述状态观测器根据所述实际位置参数确定当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值包括：

所述状态观测器将所述实际位置参数和第一观测位置参数作差，得到当前时刻的位置偏差参数，所述第一观测位置参数为所述状态观测器在上一时刻估算得到的电机观测位置；

所述状态观测器根据所述位置偏差参数和第二力矩估算值计算当前时刻用于补偿负载受力的第一力矩估算值，所述第二力矩估算值为上一时刻所述状态观测器计算得到的用于补偿负载受力的力矩估算值。

13.根据权利要求12所述的电机驱动方法，其特征在于，还包括：

所述状态观测器获取电机在当前时刻的电磁转矩值；

所述状态观测器根据所述电磁转矩值、所述第一力矩估算值、所述位置偏差参数以及上一时刻估算得到的第二观测速度参数，得到当前时刻电机的第一观测速度参数；

所述状态观测器根据所述第二观测速度参数、所述第一观测速度参数和所述第一观测位置参数，得到第二观测位置参数，所述第二观测位置参数为当前时刻估算得到的电机观测位置。

14.根据权利要求13所述的电机驱动方法，其特征在于，所述第一观测速度参数的计算公式为：

Omega(k)＝(K1*(Error*freq-0.5*(Omega(k)-Omega(k-1)))+K2*Error+TrqComp(k)+Te+B)/J+Omega(k-1)

其中，Omega(k)为第一观测速度参数，Omega(k-1)为第二观测速度参数，Error为当前时刻的位置偏差参数，freq为状态观测器的迭代频率，TrqComp(k)为第一力矩估算值，Te为当前时刻的电磁转矩值，B为电机摩擦系数，J为电机转动惯量，K1为第一比例系数，K2为第二比例系数。

15.根据权利要求13所述的电机驱动方法，其特征在于，所述第二观测位置参数的计算公式为：

Thetaob(k)＝0.5*(Omega(k)-Omega(k-1))+Thetaob(k-1)

其中，Thetaob(k)为第二观测位置参数，Omega(k)为第一观测速度参数，Omega(k-1)为第二观测速度参数，Thetaob(k-1)为第一观测位置参数。

16.根据权利要求13所述的电机驱动方法，其特征在于，所述状态观测器获取电机在当前时刻的电磁转矩值之前，还包括：

电磁转矩获取单元获取电机在当前时刻的电流值；

所述电磁转矩获取单元将所述电流值与电磁转矩系数相乘，以得到当前时刻的电磁转矩值。

17.根据权利要求12所述的电机驱动方法，其特征在于，所述第一力矩估算值的计算公式为：

TrqComp(k)＝K3*Error+TrqComp(k-1)

其中，TrqComp(k)为第一力矩估算值，TrqComp(k-1)为第二力矩估算值，Error为当前时刻的位置偏差参数，K3为第三比例系数。

18.根据权利要求11所述的电机驱动方法，其特征在于，所述控制器获取电机在当前时刻的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数之前，还包括：

参数平滑单元获取控制设备当前输出的电机第一期望位置参数和电机第一期望速度参数；

所述参数平滑单元根据所述控制设备前一次输出的电机第二期望位置参数和所述电机第一期望位置参数确定位置变化参数，根据所述控制设备前一次输出的电机第二期望速度参数和所述第一期望速度参数确定速度变化参数；

所述参数平滑单元计算所述控制设备和所述控制器之间控制频率的比例参数；

所述参数平滑单元根据所述比例参数均分所述位置变化参数和所述速度变化参数，分别得到多个位置周期变化量和多个速度周期变化量；

所述参数平滑单元根据所述位置周期变化量和前一时刻的期望位置参数确定当前时刻的期望位置参数，根据所述速度周期变化量和前一时刻的期望速度参数确定当前时刻的期望速度参数。

19.根据权利要求11所述的电机驱动方法，其特征在于，所述控制器获取电机在当前时刻的期望位置参数、期望速度参数、实际位置参数和实际速度参数之前，还包括：

所述位置传感器获取当前时刻电机的旋转刻度参数；

所述数值转换单元根据所述旋转刻度参数确定当前时刻电机的旋转速度参数；

所述数值转换单元对所述旋转刻度参数和所述旋转速度参数进行单位转换，以得到当前时刻电机的实际位置参数和实际速度参数，所述实际位置参数与所述期望位置参数的单位相同，所述实际速度参数和所述期望速度参数的单位相同。

20.根据权利要求11所述的电机驱动方法，其特征在于，所述相加单元将所述第一力矩值和所述第一力矩估算值相加之前，还包括：

所述相乘单元将所述第一力矩估算值与第四比例系数相乘，得到相乘结果；

所述相加单元将所述第一力矩值和所述第一力矩估算值相加，得到第二力矩值，包括：

所述相加单元将所述第一力矩值和所述相乘结果相加，得到第二力矩值。

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