CN111865172B - 一种伺服系统电机转速精确估算方法 - Google Patents

一种伺服系统电机转速精确估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种伺服系统电机转速精确估算方法,首先,对编码器输出的电机转子角度信号进行预处理:基于插值的思想,在每个采样周期内,根据上一个控制器检测到的连续脉冲时计算出来的平均转速值对在这之后的采样周期中得到的角度值进行修正,得到更平滑的角度信号。然后,基于被控对象的积分器串联型模型,建立相应的线性扩张状态观测器:将预处理后得到的电机转子角度值输入线性扩张状态观测器,根据误差反馈原理,选择合适的误差反馈增益值后,线性扩张状态观测器便能够输出精确的电机转子角度、转速与加速度的观测值。本发明实现了基于低分辨率编码器的高精度电机转速估算方法,可满足高性能电机低速伺服系统的测速需求。

Description

一种伺服系统电机转速精确估算方法
技术领域
本发明涉及伺服系统的电机转速检测技术领域,尤其涉及电机在低速运行状态下使用低分辨率编码器进行角度检测时的电机转速精确估算方法。
背景技术
在电机低速伺服控制系统中,为了让电机在低速甚至超低速运行状态下达到较高的位置或转速跟随精度,需要角度测量装置向控制器提供精确的电机转子角度与转速测量值。但在一些具体的应用情境中,出于对性价比、可靠性与方案可行性等多方面的综合考虑,选择的编码器的分辨率往往受到限制,电机在低速运行状态下,则会出现连续多次采样得到的角度值无变化的情况,此时测量装置会向系统引入较大的量化误差,使电机在低速运行时无法进行准确的位置或转速跟随,甚至会让电机出现低速爬行现象,无法满足伺服控制基本要求。因此,在运用低分辨率编码器的低速伺服系统中,便需要在角度测量中引入合适的补偿与估算算法,减小量化误差,提高测量精度。
现今普遍运用的方法大致有以下三种:基于M/T法的进一步改进方法,引入数字滤波器的方法,基于对象模型建立状态观测器的方法。
中国专利号CN109283354A公开的一种基于增量式光电编码器的变M/T测速方法与中国专利号CN108549024B公开的一种预测式M/T的测速方法中,都在保证传统M/T法测速精度的同时,弥补了M/T法在低速时实时性差的缺点,提高了电机转速测量精。但是,单纯对M/T法进行改进,能提高的精度空间还是十分有限,在电机超低速运行时仍无法提供满足相应精度要求的角度或转速信号。
中国专利号CN109100532A提供了一种基于自适应交互双模算法的测速发电机的滤波测速方法,此宽范围滤波测速算法对于结构不对称扰动具有良好的鲁棒性,能够适用于转速高机动调节。此外也有基于FIR滤波器的转速滤波方法。滤波器可消除大部分的信号噪声,但其最大限制在于会不可避免地引入一定的相位偏移,造成测量精度上的误差。
中国专利号CN110957956A公开了一种基于反电势前馈型滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法,中国专利号CN110858758A公开了一种基于卡尔曼滤波器的电机速度估算方法,二者都是基于状态观测器进行转速估算,类似的还有基于龙贝格观测器、基于双采样率观测器的估算方法。状态观测器法能够比较有效地实时估算电机转速,但大部分的观测器都过于依赖被控对象模型与其相关参数,导致在实际应用中,由于系统参数不明或存在时变性而导致观测器实际估算效果不佳。
发明内容
本发明的目的是针对上述背景技术的不足,提供了一种伺服系统电机转速精确估算方法。
本发明采用的技术方案为:一种伺服系统电机转速精确估算方法,包括如下步骤:
步骤1:对编码器输出的电机转子角度信号进行预处理。基于插值的思想,在每个采样周期内,根据上一个控制器检测到的连续脉冲时计算出来的平均转速值对在这之后的采样周期中得到的角度值进行修正,得到更平滑的角度信号。
步骤2:基于被控对象的积分器串联型模型,建立相应的线性扩张状态观测器:将预处理后得到的电机转子角度值输入线性扩张状态观测器,根据误差反馈原理,选择合适的误差反馈增益后,线性扩张状态观测器能够输出精确的电机转子角度、转速与加速度的观测值。
作为优选,在步骤1中,对编码器输出角度信号进行预处理的具体过程包括如下步骤:
步骤1.1:控制器每次检测到编码器连续脉冲输出时,根据编码器分辨率和距离上一个检测到输出脉冲的时间,计算得到这段时间间隔内的电机转子平均转速:
其中,Tp为控制器检测到编码器连续两个脉冲输出的时间间隔,Tp的值会随电机转速变化而变化,转速越小Tp值越大;PN为编码器的分辨率,即总脉冲数。
步骤1.2:在之后的控制器采样周期中,当遇到由于编码器分辨率低且电机转速低造成采样角度值不变的情况时,利用上一个Tp中计算出的平均转速对采样角度值进行修正,即累加平均转速与采样周期Ts的乘积:/>可使得到的角度信号更加平滑。
作为优选,在步骤2中,线性扩张状态观测器的建立过程包括如下步骤:
步骤2.1:建立线性扩张状态观测器时参考的被控对象的积分器串联型模型表示为:
其中,状态变量x1、x2、x3分别为电机转子角度、转速与系统加速度实时作用量,则为各状态变量的微分值,其中x3、/>分别为扩张的状态变量及其微分值,且ω(t)为未知量;输入量U为电机控制器中电流环的给定值即控制量,b为输入量的增益值,输出量Y为电机转子角度。
步骤2.2:基于上述被控对象模型,以被控对象输入量U与经预处理后的输出量Y作为观测器的输入,根据误差反馈原理,可构造出观测器模型:
其中,Z、分别为观测n维状态变量与其微分值,L为误差反馈增益矩阵,A为状态变量相关矩阵,B为输入量相关矩阵,C为输出量相关矩阵。将上式展开成积分串联型模型,则线性扩张状态观测器的数学方程可表示为:
其中,z1、z2、z3分别为电机转子角度、转速与加速度的观测量,则为各观测量的微分值,y'为预处理后得到的电机转子角度值,e1为观测量与输出量的误差值,β1、β2、β3为误差反馈增益值。选取合适的误差反馈增益值,观测器便能很好地实时估计系统各个状态变量的值。
本发明的有益效果:所述的低速伺服系统中电机转速精确估算方法的核心为线性扩张状态观测器,此观测器的特点在于建立在积分器串联型对象模型之上,结构简单,不仅能实时估算系统的状态量,还能够实时估计系统的总扰动,利于系统抗扰控制的设计。而且,此观测器不依赖于对象的具体参数,使得控制器的参数整定变得较为容易,所以更利于在实际应用中去实现。总的来说,本发明实现了基于低分辨率编码器的高精度转速估算方法,可满足高性能电机低速伺服系统的测速需求。
附图说明
图1为本发明提出的一种伺服系统电机转速精确估算方法的具体实施流程;
图2为本发明提出的一种伺服系统电机转速精确估算方法的算法结构框图;
图3为电机转速精确估算方法步骤1中信号预处理方式的示意图;
图4为用本发明提出的电机转速精确估算方法在实施例中估算出的电机低速转速波形。
具体实施方式
参照图1,本发明提出了一种伺服系统电机转速精确估算方法,用于低分辨率的增量式或绝对式编码器,适用绝对式编码器时只需将其输出发生最小数值变化等效为一个脉冲即可。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰,以下将结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。
参照图2,本发明提出的一种伺服系统电机转速精确估算方法的算法结构中包括了被控对象(即伺服电机电流环与机械传动结构)、信号预处理与线性扩张状态观测器这三个部分。以下将对信号预处理与线性扩张状态观测器这两个部分的实施步骤进行详述:
步骤1:对编码器输出的电机转子角度信号进行预处理。基于插值的思想,在每个采样周期内,根据上一个控制器检测到的连续脉冲时计算出来的平均转速值对在这之后的采样周期中得到的角度值进行修正,得到更平滑的角度信号。
步骤2:基于被控对象的积分器串联型模型,建立相应的线性扩张状态观测器:将预处理后得到的电机转子角度值输入线性扩张状态观测器,根据误差反馈原理,选择合适的误差反馈增益后,线性扩张状态观测器能够输出精确的电机转子角度、转速与加速度的观测值。
在步骤1中,对编码器输出角度信号进行预处理的具体过程包括如下步骤:
步骤1.1:控制器每次检测到编码器连续脉冲输出时,根据编码器分辨率和距离上一个检测到输出脉冲的时间,计算得到这段时间间隔内的电机转子平均转速:
其中,Tp为控制器检测到编码器连续两个脉冲输出的时间间隔,Tp的值会随电机转速变化而变化,转速越小Tp值越大;PN为编码器的分辨率,即总脉冲数。
步骤1.2:在之后的控制器采样周期中,当遇到由于编码器分辨率低且电机转速低造成采样角度值不变的情况时,利用上一个Tp中计算出的平均转速对采样角度值进行修正,即累加平均转速与采样周期Ts的乘积:/>
此实施例中运用了16位编码器,每圈可提供65536个量化单位。如图3所示,对编码器输出的角度信号进行预处理后,得到了更光滑的角度信号曲线,如此便减小了引入控制系统的量化误差,提高了测量精度,也为下个步骤中的转速估算减轻了降噪负担。
在步骤2中,线性扩张状态观测器的建立过程包括如下步骤:
步骤2.1:建立线性扩张状态观测器时参考的被控对象的积分器串联型模型表示为:
其中,状态变量x1、x2、x3分别为电机转子角度、转速与系统加速度实时作用量,则为各状态变量的微分值,其中x3、/>分别为扩张的状态变量及其微分值,且ω(t)为未知量;输入量u为电机控制器中电流环的给定值即控制量,b为输入量的增益值,输出量y为电机转子角度。
步骤2.2:基于上述被控对象模型,以被控对象输入量U与经预处理后的输出量Y作为观测器的输入,根据误差反馈原理,可构造出观测器模型:
其中,Z、分别为观测n维状态变量与其微分值,L为误差反馈增益矩阵,A为状态变量相关矩阵,B为输入量相关矩阵,C为输出量相关矩阵。将上式展开成积分串联型模型,则线性扩张状态观测器的数学方程可表示为:
其中,z1、z2、z3分别为电机转子角度、转速与加速度的观测量,则为各观测量的微分值,y'为预处理后得到的电机转子角度值,e1为观测量与输出量的误差值,β1、β2、β3为误差反馈增益值。选取合适的误差反馈增益值,观测器便能很好地实时估计系统各个状态变量的值。
图4为用本发明提出的电机转速精确估算方法估算出的电机低速转速波形,此时电机的控制给定转速为5度每秒。由图4可看出,观测器可实时估算出电机的转速,且估算值与实际转速值误差很小,这说明本发明提出的伺服系统电机转速精确估算方法能够实现基于低分辨率编码器的高精度转速估算方法,可满足高性能电机低速伺服系统的测速需求。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的。在不脱离本发明宗旨的情况下,还可以做出很多变形,这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种伺服系统电机转速精确估算方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤1:对编码器输出的电机转子角度信号进行预处理;基于插值的思想,在每个采样周期内,根据上一个控制器检测到的连续脉冲时计算出来的平均转速值对在这之后的采样周期中得到的角度值进行修正,得到更平滑的角度信号;
步骤2:基于被控对象的积分器串联型模型,建立相应的线性扩张状态观测器:将预处理后得到的电机转子角度值输入线性扩张状态观测器,根据误差反馈原理,选择合适的误差反馈增益后,线性扩张状态观测器能够输出精确的电机转子角度、转速与加速度的观测值;
所述步骤1中,对编码器输出角度信号进行预处理的具体过程包括如下步骤:
步骤1.1:控制器每次检测到编码器连续脉冲输出时,根据编码器分辨率和距离上一个检测到输出脉冲的时间,计算得到这段时间间隔内的电机转子平均转速:
其中,Tp为控制器检测到编码器连续两个脉冲输出的时间间隔,Tp的值会随电机转速变化而变化,转速越小Tp值越大;PN为编码器的分辨率,即总脉冲数;
步骤1.2:在之后的控制器采样周期中,当遇到由于编码器分辨率低且电机转速低造成采样角度值不变的情况时,利用上一个Tp中计算出的平均转速对采样角度值进行修正,即累加平均转速与采样周期Ts的乘积:/>使得到的角度信号更加平滑;
所述步骤2中,线性扩张状态观测器的建立过程包括如下步骤:
步骤2.1:建立线性扩张状态观测器时参考的被控对象的积分器串联型模型表示为:
其中,状态变量x1、x2、x3分别为电机转子角度、转速与系统加速度实时作用量,则为各状态变量的微分值,其中x3、/>分别为扩张的状态变量及其微分值,且ω(t)为未知量;输入量u为电机控制器中电流环的给定值即控制量,b为输入量的增益值,输出量y为电机转子角度;
步骤2.2:基于上述被控对象模型,以被控对象输入量U与经预处理后的输出量Y作为观测器的输入,根据误差反馈原理,构造出观测器模型:
其中,Z、分别为观测n维状态变量与其微分值,L为误差反馈增益矩阵,A为状态变量相关矩阵,B为输入量相关矩阵,C为输出量相关矩阵;将上式展开成积分串联型模型,则线性扩张状态观测器的数学方程表示为:
其中,z1、z2、z3分别为电机转子角度、转速与加速度的观测量,则为各观测量的微分值,y′为预处理后得到的电机转子角度值,e1为观测量与输出量的误差值,β1、β2、β3为误差反馈增益值;选取合适的误差反馈增益值,观测器便能很好地实时估计系统各个状态变量的值。
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