RU2532673C2 - Method and device of digital processing of signals from pulse sensor of rotor movement in electric motor-encoder - Google Patents
Method and device of digital processing of signals from pulse sensor of rotor movement in electric motor-encoder Download PDFInfo
- Publication number
- RU2532673C2 RU2532673C2 RU2013109333/11A RU2013109333A RU2532673C2 RU 2532673 C2 RU2532673 C2 RU 2532673C2 RU 2013109333/11 A RU2013109333/11 A RU 2013109333/11A RU 2013109333 A RU2013109333 A RU 2013109333A RU 2532673 C2 RU2532673 C2 RU 2532673C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- predictor
- value
- cycle
- controller
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
Landscapes
- Control Of Electric Motors In General (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Группа изобретений относится к способу и устройству цифровой обработки сигналов импульсного датчика перемещения ротора электродвигателя (энкодера), которые могут быть использованы в электроприводе, в частности в тяговом электроприводе транспортных средств различного вида и назначения.The group of inventions relates to a method and apparatus for digitally processing signals from a pulse sensor for displacing a rotor of an electric motor (encoder), which can be used in an electric drive, in particular in a traction electric drive of vehicles of various types and purposes.
Уровень техникиState of the art
Импульсные датчики перемещения (энкодеры) широко применяются в различных отраслях промышленности, прежде всего в автоматизированном электроприводе. К их достоинствам относится относительная простота и низкая стоимость, стабильность характеристик, помехоустойчивость и высокая надежность. Выходной сигнал таких датчиков передастся обычно в виде импульсов по двум каналам (канал основного и инверсного сигнала) для защиты от помех в линиях передачи. При этом сигналы, передаваемые по прямому и инверсному каналу, сдвинуты друг относительно друга по фазе на 90°, что позволяет определить не только перемещение ротора на одну дискрету, но и направление вращения ротора. Минимальная измеряемая величина перемещения - одна дискрета датчика - определяется числом импульсов на механический оборот. Дискретность измерения обычно составляет от нескольких десятков до десятков тысяч дискрет на механический оборот (для разных типов энкодеров) с учетом определения перемещения по фронтам прихода импульсов (что, с учетом двух каналов импульсов, позволяет учетверить число измеряемых дискретных перемещений на оборот).Pulse motion sensors (encoders) are widely used in various industries, primarily in automated electric drives. Their advantages include relative simplicity and low cost, stability characteristics, noise immunity and high reliability. The output signal of such sensors is usually transmitted in the form of pulses through two channels (the channel of the main and inverse signals) to protect against interference in the transmission lines. In this case, the signals transmitted through the direct and inverse channels are 90 ° phase-shifted relative to each other, which allows one to determine not only the displacement of the rotor by one discrete, but also the direction of rotation of the rotor. The minimum measurable amount of displacement - one discrete sensor - is determined by the number of pulses per mechanical revolution. The measurement resolution usually ranges from several tens to tens of thousands of discrete per mechanical revolution (for different types of encoders), taking into account the determination of movement along the arrival edges of pulses (which, taking into account two pulse channels, allows quadrupling the number of measured discrete displacements per revolution).
Основные проблемы использования энкодеров в автоматизированном электроприводе связаны именно с дискретностью измерения перемещения ротора. При регулировании частоты вращения от нуля до максимального значения традиционные способы обработки сигналов импульсных датчиков - измерение времени между приходом импульсов, или измерение числа импульсов за определенное время, или усреднение (фильтрация) импульсов стандартной площади, формируемых фронтом прихода импульсов датчика, а также комбинации этих способов приводят к неудовлетворительной работе привода. Связано это, в первую очередь, с недопустимо большим запаздыванием в получении оценки частоты вращения в области низких частот вращения (режим позиционирования). Проблема усугубляется в таких приводах, как тяговые, в которых широкий рабочий температурный диапазон, большой уровень вибраций и помех не позволяют использовать импульсные датчики с высоким разрешением (например, фотоимпульсные). При использовании электромагнитных датчиков, удовлетворяющих условиям эксплуатации в тяговых приводах, число импульсов на механический оборот обычно не превышает нескольких сотен, а с учетом многополюсности таких машин, число импульсов на электрический оборот не превышает нескольких десятков.The main problems of using encoders in an automated electric drive are connected precisely with the discreteness of measuring the movement of the rotor. When adjusting the rotation speed from zero to the maximum value, the traditional methods of processing the signals of pulse sensors are measuring the time between pulses arriving, or measuring the number of pulses in a certain time, or averaging (filtering) pulses of a standard area formed by the front of the sensor pulses arrival, as well as a combination of these methods lead to unsatisfactory operation of the drive. This is due, first of all, to an unacceptably large delay in obtaining an estimate of the rotational speed in the region of low rotational speeds (positioning mode). The problem is exacerbated in drives such as traction, in which a wide operating temperature range, a high level of vibration and interference do not allow the use of high-resolution pulsed sensors (for example, photopulse). When using electromagnetic sensors that satisfy the operating conditions in traction drives, the number of pulses per mechanical revolution usually does not exceed several hundreds, and taking into account the multipolarity of such machines, the number of pulses per electric revolution does not exceed several tens.
Из уровня техники известен способ определения ошибок в сигналах положения ротора при помощи использования алгоритма определения положения ротора, компенсирующего ошибки в системе (см. ЕР 1624563 A3, МПК H02P 25/08, опубл. 08.02.2006), который принят за прототип.The prior art method for determining errors in the signals of the position of the rotor using the algorithm for determining the position of the rotor, compensating for errors in the system (see EP 1624563 A3, IPC H02P 25/08, published. 08.02.2006), which is adopted as a prototype.
Вышеуказанный способ заключается в том, что компенсирующие сигналы могут записываться в системе управления и использоваться для улучшения точности выходных сигналов датчика положения ротора, улучшая выходные параметры работы электрической машины. В алгоритме коррекции могут использоваться модель предсказания/коррекции, алгоритмы импульсной диагностики, формирования тока, определения параметров индуктивности и т.д.The above method consists in the fact that compensating signals can be recorded in the control system and used to improve the accuracy of the output signals of the rotor position sensor, improving the output parameters of the electric machine. The correction algorithm can use the prediction / correction model, algorithms for pulse diagnostics, current generation, determination of inductance parameters, etc.
Однако известный из уровня техники способ не позволяет решить вышеуказанные проблемы, такие как запаздывание в получении оценки частоты вращения в области низких частот вращения вала электродвигателя, что в свою очередь ведет к неудовлетворительной работе электропривода в целом.However, the method known from the prior art does not allow solving the above problems, such as a delay in obtaining an estimate of the rotational speed in the region of low rotational speeds of the motor shaft, which in turn leads to unsatisfactory operation of the electric drive as a whole.
Таким образом, задача настоящей группы изобретений направлена на улучшение характеристик системы управления электроприводом.Thus, the objective of this group of inventions is aimed at improving the characteristics of the drive control system.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Прежде всего следует учесть, что импульсный датчик перемещения (энкодер) измеряет перемещение на одну дискрету. Не представляет сложности подсчет общего числа перемещений, то есть с помощью импульсного датчика фактически измеряется перемещение ротора. Обычно перемещение ротора измеряется с точностью до начального значения положения ротора, которое для некоторых приводов, например с асинхронным двигателем, не имеет значения. Однако отдельные датчики имеют так называемую «нулевую метку» оборота, что позволяет измерять абсолютное перемещение ротора. Таким образом, импульсный датчик является датчиком перемещения, причем перемещение измеряется дискретно по уровню.First of all, it should be noted that the pulse displacement sensor (encoder) measures the displacement by one discrete. It is not difficult to calculate the total number of movements, that is, with the help of a pulse sensor, the movement of the rotor is actually measured. Typically, the movement of the rotor is measured accurate to the initial value of the position of the rotor, which for some drives, for example with an induction motor, does not matter. However, individual sensors have a so-called “zero mark” of revolution, which allows measuring the absolute movement of the rotor. Thus, the pulse sensor is a displacement sensor, wherein displacement is measured discretely in level.
Первичная обработка сигналов импульсного датчика осуществляется в аппаратной части, обычно встраиваемой в специализированный контроллер привода. Такая аппаратная часть содержит реверсивный счетчик импульсов (с учетом направления вращения), а также схему защиты от помех одной полярности в линии связи в прямых и инверсных сигналах датчика и схему защиты от «дребезга» сигналов, возникающих при работе компараторов импульсного датчика. Код счетчика импульсов при начале цикла вычислений вводится в управляющий процессор.The primary signal processing of the pulse sensor is carried out in the hardware, usually built into a specialized drive controller. Such hardware contains a reversible pulse counter (taking into account the direction of rotation), as well as a protection circuit against interference of the same polarity in the communication line in direct and inverse sensor signals and a protection circuit from the “bounce” of signals arising from the operation of pulse sensor comparators. The pulse counter code at the beginning of the calculation cycle is entered into the control processor.
Технический результат заявленной группы изобретений заключается в обеспечении корректного измерения положения ротора на момент начала текущего цикла вычисления контроллера управления приводом и повышении точности оценивания углового положения и угловой скорости вращения ротора электродвигателя, что позволяет существенно улучшить характеристики системы управления приводом в целом, повысить надежность управления, исключить опасные переходные процессы, улучшить КПД привода. Указанные преимущества особенно важны для тяговых электроприводов.The technical result of the claimed group of inventions is to ensure correct measurement of the position of the rotor at the time of the start of the current cycle of calculation of the drive control controller and to improve the accuracy of estimating the angular position and angular speed of rotation of the rotor of the electric motor, which can significantly improve the characteristics of the drive control system as a whole, increase the reliability of control, eliminate dangerous transients, improve drive efficiency. These advantages are especially important for traction electric drives.
Заявленный технический результат достигается благодаря применению способа цифровой обработки сигналов импульсного датчика перемещения ротора электродвигателя-энкодера при помощи процессорного контроллера, обеспечивающего получение системой управления электропривода значений его механических переменных в течение k-го цикла вычислений контроллера, таких как угловое положение ротора электродвигателя Θk, угловая скорость вращения ротора nk и момент нагрузки на валу электродвигателя MLk, и предназначенный для получения точных оценок указанных переменных, заключающийся в том, что для обработки информации об угловом положении ротора используется наблюдатель механических переменных состояния электропривода и прогнозатор, для функционирования которых предварительно до начала работы электропривода задают равными нулю начальные значения оценок углового положения ротора электродвигателя Θ0, угловой скорости вращения ротора п0 и момента нагрузки на валу электродвигателя ML0, и начальный корректирующий сигнал прогнозатора S0, соответствующие состоянию отключенного электропривода, задают величину дискреты датчика Θd, зависящую от параметров зубчатого колеса энкодера, и вводят в буфер контроллера длительность цикла вычислений контроллера 7, совокупный момент инерции ротора электродвигателя J и значения корректирующих коэффициентов L1, L2, L3, в начале каждого цикла вычислений из системы управления электроприводом наблюдатель механических переменных состояния, входящий в состав контроллера, получает требуемое значение электромагнитного момента Mk, из энкодера после первичной обработки его сигнала получают количество импульсов на текущий интервал вычисления i, с помощью таймера осуществляют измерение и запись в буфер контроллера времени tk от прихода последнего импульса до начала текущего цикла вычислений, кроме того, в буфере сохраняют измеренное в прошлом цикле вычислений значение углового положения ротора электродвигателя Θk-1изм, полученные в прошлом цикле вычислений значение корректирующего сигнала прогнозатора Sk-1 и значения оценок углового положения ротора Θk, угловой скорости вращения ротора nk и момента нагрузки электродвигателя MLk, которые в данном цикле используются как его текущие значения, в течение каждого цикла вычислений получают измеренное значение углового положения ротора из выражения Θkизм=i·Θd, рассчитывают предварительное значение корректирующего сигнала прогнозатора S'k из выражения S'k,=tk·nk, если Θkизм≠Θk-1изм, а в противном случае из выражения S'k=Sk-1+T·nk и получают значение корректирующего сигнала прогнозатора Sk, равное Θd, если S'k>Θd, а в противном случае равное S'k, определяют прогнозируемое на начало следующего цикла вычислений значение углового положения ротора Θk из выражения Θ*k=Θkизм+Sk, и далее в наблюдателе рассчитывают значения оценок углового положения ротора, угловой скорости вращения ротора и момента нагрузки, применяемые для определения параметров системы управления электроприводом, согласно выражениям:The claimed technical result is achieved through the use of a digital signal processing method for a pulse displacement sensor of the rotor of an electric motor-encoder using a processor controller that provides the control system of the electric drive with the values of its mechanical variables during the k-th cycle of controller calculations, such as the angular position of the electric motor rotor Θ k , angular rotor speed n k and the load moment on the motor shaft M Lk , and designed to obtain accurate estimates these variables, which consists in the fact that for processing information about the angular position of the rotor, an observer of mechanical variables of the state of the electric drive and a predictor are used, for the operation of which, prior to the operation of the electric drive, the initial values of the estimates of the angular position of the rotor of the electric motor Θ 0 and the angular velocity of rotation of the rotor p 0 and the moment of load on the motor shaft M L0 , and the initial predictor correction signal S 0 , corresponding to the disconnected state of the electric drive, set the discrete values of the sensor Θd, depending on the parameters of the encoder gear, and enter the duration of the calculation cycle of the
которые записывают в буфер контроллера и в следующем цикле вычислений используют для обеспечения работы наблюдателя механических переменных состояния.which are written to the controller buffer and in the next cycle of calculations are used to ensure the operation of the observer of mechanical state variables.
Для реализации заявленного способа, в частности, может быть применено устройство цифровой обработки сигналов импульсного датчика перемещения ротора электродвигателя-энкодера при помощи процессорного контроллера, осуществляющее способ по п.1, включающее блок приема и первичной обработки сигналов энкодера, блок умножения числа импульсов энкодера на величину дискреты датчика, прогнозатор, представляющий собой совокупность таймера для измерения времени от последнего импульса в цикле до окончания цикла вычислений, блока расчета предварительного значения корректирующего сигнала прогнозатора, блока ограничения, предназначенного для определения значения корректирующего сигнала прогнозатора и сумматора значений измеренного углового положения ротора и корректирующего сигнала прогнозатора, а также процессорный контроллер, выполненный так, что включает по меньшей мере либо наблюдатель механических переменных состояния электропривода и буфер контроллера либо по меньшей мере наблюдатель механических переменных состояния электропривода, буфер контроллера и прогнозатор, при этом связи между наблюдателем, буфером контроллера и прогнозатором в том и другом случае будут идентичны, причем выход энкодера соединен со входом блока приема и первичной обработки сигналов энкодера, выходы которого соединены со входами блока умножения и таймера, выход таймера соединен со входом буфера контроллера, с выхода которого значение дискреты датчика передается на вход блока умножения, выход которого соединен с первым входом сумматора, соответствующим измеренному значению углового положения ротора, а также со входами блока расчета предварительного значения корректирующего сигнала прогнозатора и буфера контроллера, который также имеет входы для записи значений корректирующего сигнала прогнозатора, рассчитанного в предыдущем цикле вычислений, оценок переменных, полученных в наблюдателе механических переменных состояния электропривода, вход для внешнего программирования и выходы, один из которых соединен со входом блока расчета предварительного значения корректирующего сигнала прогнозатора, второй - с одним из входов блока ограничения, выход блока расчета предварительного значения корректирующего сигнала прогнозатора соединен с другим входом блока ограничения, выход которого соединен со вторым входом сумматора, соответствующим корректирующему сигналу прогнозатора, а выход сумматора соединен с первым входом наблюдателя механических переменных состояния электропривода, на второй вход которого из системы управления электроприводом подают требуемое значение электромагнитного момента, и на выходах которого получают для передачи в систему управления электропривода и для записи в буфер контроллера значения оценок углового положения ротора, угловой скорости вращения ротора и момента нагрузки, которые в следующем цикле вычислений используют для обеспечения работы наблюдателя механических переменных состояния.To implement the inventive method, in particular, a device for digitally processing signals from a pulse encoder of a rotor of an electric motor-encoder using a processor controller can be used, implementing the method according to
В одном из вариантов реализации устройства прогнозатор и процессорный контроллер образуют модульную конструкцию в случае, когда прогнозатор не входит в состав контроллера.In one embodiment of the device, the predictor and processor controller form a modular design when the predictor is not part of the controller.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Блок-схема устройства, в котором процессорный контроллер включает буфер контроллера и наблюдатель механических переменных состояния электропривода, представлена на фиг.1.A block diagram of a device in which the processor controller includes a controller buffer and an observer of the mechanical variables of the state of the electric drive is shown in FIG.
Блок-схема устройства, в котором процессорный контроллер включает прогнозатор, буфер контроллера и наблюдатель механических переменных состояния электропривода, представлена на фиг.2.A block diagram of a device in which a processor controller includes a predictor, a controller buffer, and an observer of mechanical variables of the state of the electric drive is shown in FIG.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Способ цифровой обработки сигналов импульсного датчика перемещения ротора электродвигателя (энкодера) поясняется фиг.1, где изображено устройство, реализующее способ. В данном случае приводится пример применения энкодера в электроприводе, в частности в тяговом электроприводе транспортных средств различного вида и назначения.A method for digitally processing signals of a pulsed sensor for displacing a rotor of an electric motor (encoder) is illustrated in FIG. 1, which shows a device that implements the method. In this case, an example of the use of an encoder in an electric drive, in particular in a traction electric drive of vehicles of various types and purposes, is given.
Устройство, изображенное на фиг.1, работает следующим образом. Источник электрической энергии 1 вырабатывает энергию, которая передается посредством системы управления тягового электропривода 2 к электродвигателю 3 привода движителей (колес, гусениц и т.п.) транспортного средства. Система управления 2 в общем случае включает регулируемый силовой преобразователь и контроллер системы управления (па фиг.1 и 2 позициями не обозначены), обеспечивающий требуемые параметры электроэнергии на выходе силового преобразователя.The device depicted in figure 1, operates as follows. The
Система управления 2 получает значения оценок переменных механического состояния электропривода (углового положения ротора электродвигателя Θk угловой скорости вращения ротора nk и момента нагрузки на валу электродвигателя MLk) от процессорного контроллера 4, имеющего заданную длительность цикла вычислений. Для удобства объяснения обозначим номер цикла вычислений контроллера индексом k.The
Процессорный контроллер 4 включает буфер контроллера 5, обеспечивающий запись, хранение и выдачу значений различных постоянных, переменных и коэффициентов, необходимых для функционирования контроллера 4.The
Буфер 5 имеет ряд входов и выходов, в частности вход для внешнего программирования. Данный вход используется для ввода в процессорный контроллер 4 перед началом вычислений длительности цикла вычислений Т, совокупного момента инерции ротора электродвигателя J, дискреты датчика перемещения Θd (угловая величина, соответствующая повороту зубчатого колеса на одно деление), корректирующих коэффициентов L1, L2, L3, задающих темп сходимости оценок механических переменных ротора и/или других величии. Альтернативно, параметры J, L1, L2, L3 могут вычисляться внутри процессорного контроллера 4 по известным (приводимым ниже) соотношениям и записываться в буфер 5.The
Процессорный контроллер 4 программируется таким образом, что при каждой его загрузке (до начала работы электропривода) происходит инициализация (обнуление) в буфере 5 начальных значений углового положения ротора Θ0, угловой скорости вращения ротора n0 и момента нагрузки на валу электродвигателя ML0, а также корректирующего сигнала прогнозатора S0.The
В процессорном контроллере 4 также реализован программными или программно-аппаратными средствами наблюдатель 6 механических переменных состояния электропривода.In the
Функционирование наблюдателя состояния основано на использовании модели процессов. Поскольку импульсным датчиком измеряется угловое положение ротора, то в качестве базовой принимается следующая модель механического движения ротора:The functioning of the state observer is based on the use of a process model. Since the angular position of the rotor is measured by a pulse sensor, the following model of the mechanical movement of the rotor is taken as the base:
где Θ - угловое положение ротора, n - угловая скорость, М - электромагнитный момент, ML - момент нагрузки, J совокупный момент инерции ротора. При этом электромагнитный момент М известен (измеряется). Значение электромагнитного момента в данном цикле вычислений контроллера Mk поступает с выхода системы управления электроприводом 2 на вход наблюдателя 6.where Θ is the angular position of the rotor, n is the angular velocity, M is the electromagnetic moment, M L is the load moment, J is the total moment of inertia of the rotor. In this case, the electromagnetic moment M is known (measured). The value of the electromagnetic moment in this calculation cycle of the controller M k comes from the output of the
Величина момента нагрузки ML заранее не известна, однако для модели тягового привода она является квази-постоянной (величина момента нагрузки может изменяться, но медленно по сравнению с темпом получения оценок переменных состояния):The magnitude of the load moment M L is not known beforehand, however, for the traction drive model it is quasi-constant (the magnitude of the load moment can vary, but slowly compared to the rate of obtaining estimates of state variables):
Поскольку оценки переменных состояния формируются в управляющем процессорном контроллере 4, функционирующем в дискретном времени, необходимо использование разностной модели. Разностная модель механического движения строится аналитическим интегрированием уравнений механических процессов на интервале дискретизации времени. Значения моделируемых переменных в наблюдателе состояния корректируются по измерениям углового положения Θ* (при анализе процессов оценивания дискретностью измерений положения импульсным датчиком можно пренебречь). При постоянном входном воздействии - электромагнитном моменте вращения, начальные и конечные значения оценок переменных состояния в цикле связаны разностным соотношением (уравнения наблюдателя состояния):Since estimates of state variables are formed in the
где Т - длительность цикла вычислений, a k - номер цикла. При этом k+1 показывает, что осуществляется счет следующего цикла вычислений. Соответственно, как видно из вышеуказанных выражений, в k+1 цикле вычислений используются значения оценок переменных механического состояния электропривода (Θk, nk, MLk и т.д.), которые определены в предыдущем цикле вычислений. Значения корректирующих коэффициентов L1, L2, L3 определяются по характеристическому уравнению, полученному для темпов изменения ошибки оценивания (мод):where T is the duration of the calculation cycle, ak is the cycle number. Moreover, k + 1 indicates that the next cycle of calculations is being performed. Accordingly, as can be seen from the above expressions, in the k + 1 cycle of calculations, the values of estimates of the variables of the mechanical state of the electric drive (Θ k , n k , M Lk , etc.), which are defined in the previous cycle of calculations, are used. The values of the correction factors L 1 , L 2 , L 3 are determined by the characteristic equation obtained for the rate of change of the estimation error (mode):
Например, если желаемое движение характеризуется значениями мод λ0=λ1=λ2=λ3, т.е. характеристическое уравнение должно иметь вид (λ0-λ)3=0, то требуемые значения корректирующих коэффициентов вычисляются по формулам:For example, if the desired motion is characterized by mode values λ 0 = λ 1 = λ 2 = λ 3 , i.e. the characteristic equation should have the form (λ 0 -λ) 3 = 0, then the required values of the correction factors are calculated by the formulas:
L1=3·(λ0-1)3;L 1 = 3 · (λ 0 -1) 3 ;
Значение λ0 должно быть задано (в перечне параметров). Постоянство значений L1, L2, L3 (являющееся следствием линейности уравнений механического движения) позволяет задавать их значения непосредственно как параметры процессорного контроллера.The value of λ 0 must be specified (in the list of parameters). The constancy of the values of L 1 , L 2 , L 3 (which is a consequence of the linearity of the equations of mechanical motion) allows you to set their values directly as parameters of the processor controller.
Выбор корней характеристического уравнения λ1, λ2, λ3 определяет темп сходимости оценок углового положения 0, угловой скорости n и момента нагрузки ML к их фактическим значениям в приводе. При λ0=0 имеет место конечношаговая сходимость (в данном случае максимум за три шага вычислений в процессоре); при -mod(λ)<1 (корни могут выбираться комплексными сопряженными) сходимость носит асимптотический характер.The choice of the roots of the characteristic equation λ 1 , λ 2 , λ 3 determines the rate of convergence of the estimates of the
Наблюдатель представляет собой систему с двумя входами: по электромагнитному моменту М (управление) и по измерению положения ротора Θ. При λ0≠0 входной сигнал Θ будет, очевидно, фильтроваться, причем тем в большей степени, чем ближе значение корня к единице. Однако фильтрация сигнала датчика перемещения не означает динамической задержки в замкнутом контуре управления (например, при регулировании угловой скорости). Действительно, входной сигнал М не фильтруется наблюдателем, то есть наблюдатель не накладывает ограничений на выбор параметров регулирования, что является следствием независимости задач регулирования и оценивания при использовании наблюдателя.The observer is a system with two inputs: by the electromagnetic moment M (control) and by measuring the position of the rotor Θ. For λ 0 ≠ 0, the input signal Θ will obviously be filtered, and the more so, the closer the root value to unity. However, filtering the signal of the displacement sensor does not mean dynamic delay in a closed control loop (for example, when controlling angular velocity). Indeed, the input signal M is not filtered by the observer, that is, the observer does not impose restrictions on the choice of regulation parameters, which is a consequence of the independence of the problems of regulation and estimation when using the observer.
В уравнениях наблюдателя состояния содержится параметр - момент инерции J. В этой связи следует отметить, что можно использовать паспортные данные, экспериментальное определение момента инерции или автоматическую идентификацию, полученную в предположении постоянства (квази-статичного изменения) момента нагрузки:The state observer’s equations contain a parameter - moment of inertia J. In this connection, it should be noted that passport data, experimental determination of the moment of inertia or automatic identification obtained under the assumption of constancy (quasi-static change) of the load moment:
В последнем случае необходима проверка условий идентифицируемости.In the latter case, verification of the conditions of identifiability is necessary.
Наблюдатель состояния переменных механического движения позволяет, при относительно медленных темпах сходимости, достаточно хорошо фильтровать измеряемый сигнал датчика перемещения, в том числе сглаживать дискретный по уровню сигнал. Однако остается проблема биений частоты появления импульсов и частоты цикла вычислений: число импульсов за цикл вычислений меняется от цикла к циклу вычислений даже при постоянной скорости вращения. Особенно остро эта проблема проявляется при использовании импульсных датчиков с низкой разрешающей способностью, с относительно небольшим числом импульсов на оборот, что характерно, например, для тяговых приводов.The observer of the state of variables of mechanical motion allows, at a relatively slow rate of convergence, to filter the measured signal of the displacement sensor quite well, including smoothing the signal discrete in level. However, there remains the problem of beats of the frequency of occurrence of pulses and the frequency of the calculation cycle: the number of pulses per cycle of the calculation varies from cycle to cycle of calculations even at a constant rotation speed. This problem is especially acute when using pulsed sensors with low resolution, with a relatively small number of pulses per revolution, which is typical, for example, for traction drives.
Для исключения биений, вызываемых асинхронностью прихода импульсов энкодера относительно цикла вычислений в процессорном контроллере 4, предлагается использовать в качестве измерений прогнозные значения углового положения. Получить прогнозные значения можно с помощью прогнозатора, позволяющего скорректировать измерение значения положения ротора на момент начала текущего цикла вычислений. Работа прогнозатора подробно описана ниже.To eliminate beats caused by the asynchronous arrival of the encoder pulses relative to the calculation cycle in the
Для определения величин механических переменных электропривода на одном валу с электродвигателем 3 установлено зубчатое колесо 7, рядом с которым расположен импульсный датчик перемещения зубчатого колеса энкодер 8. Энкодер, в частности, может представлять собой импульсный электромагнитный датчик с квадратурным выходным сигналом и одним либо двумя (прямым и инверсным) выходами, сигналы которых сдвинуты друг относительно друга по фазе на 90°, что позволяет определить не только перемещение ротора на одну дискрету, но и направление вращения ротора. Частота импульсов энкодера 8 прямо пропорциональна скорости изменения угла поворота зубчатого колеса 7, т.е. в конечном счете скорости вращения ротора электродвигателя 3.To determine the values of the mechanical variables of the electric drive, a
Импульсы энкодера 8 поступают на вход блока 9 приема и первичной обработки сигналов энкодера со сбросом данных на один полный оборот зубчатого колеса. Такой блок может включать схему удвоения (для энкодера с двумя выходами - учетверения) импульсов, которая формирует краткий счетный импульс по каждому фронту входных импульсов энкодера, а также реверсивный счетчик импульсов (для энкодера с двумя выходами с учетом направления вращения), различные схемы защиты (от помех одной полярности, от «дребезга» сигналов и т.п.), фильтрования сигналов и т.д. В любом случае на одном из выходов блока 9 формируется сигнал, пропорциональный числу импульсов на текущем интервале вычисления i.The pulses of the
Реверсивный счетчик импульсов, входящий в блок 9, сбрасывается при сохранении (передаче для дальнейших вычислений) сигнала i, пропорционального количеству импульсов на текущем интервале вычисления, т.е. после прихода последнего импульса в данном цикле вычислений. При этом сигнал со второго выхода блока 9 поступает в прогнозатор 10, а именно на вход таймера 11, который сбрасывается в начале каждого цикла вычислений k (синхронизирован с процессорным контроллером 4 в случае, когда не входит в его состав). Таким образом, таймер 11 осуществляет измерение и запись в буфер контроллера 5 времени tk от прихода последнего импульса предыдущего цикла вычислений до начала текущего цикла (длительность операций в блоке 9 и таймере 11 пренебрежимо мала по сравнению с длительностью цикла вычислений).The reversible pulse counter, which is included in
С выхода блока 9 сигнал i поступает на первый вход блока 12 умножения числа импульсов энкодера на величину дискреты датчика, на второй вход которого из буфера контроллера 5 поступает сигнал, пропорциональный величине Θd, и на выходе которого формируется сигнал измеренного значения углового положения ротораFrom the output of
Θkизм=i·Θd. Изм kism = i · Θd.
Сигнал Θkизм записывается в буфер 5 для использования в следующем цикле вычислений контроллера. Кроме того, он поступает в прогнозатор 10, на первый вход сумматора 13, а также на вход блока 14 расчета предварительного значения корректирующего сигнала прогнозатора S'k.The signal изм kism is written to buffer 5 for use in the next controller calculation cycle. In addition, it enters the
В блок 14 из буфера 5 также поступают значения Т, Θk-1изм, tk, nk, и Sk-1, необходимые для определения предварительного значения корректирующего сигнала прогнозатора.In
Оценка угловой скорости вращения nk в текущем цикле сформирована наблюдателем. Предположим пока, что в этой оценке отсутствуют вариации, связанные с дискретностью датчика и биениями частот.An estimate of the angular velocity of rotation n k in the current cycle is formed by the observer. Assume for now that in this estimate there are no variations associated with the discreteness of the sensor and beats of frequencies.
Тогда естественно считать, что к концу цикла истинное значение углового положения ротора Θ*k будет равно сумме показаний счетчика импульсов Θизм, плюс произведение угловой скорости вращения ротора nk на время от прихода последнего импульса предыдущего цикла вычислений до начала текущего цикла tk. Если же в данном цикле импульсов не было, то указанное время равно длительности цикла tk=T.Then it is natural to assume that at the end of the cycle the true value of the angular position of the rotor Θ * k will be equal to the sum of the readings of the pulse counter Θ ISM , plus the product of the angular speed of rotation of the rotor n k by the time from the arrival of the last pulse of the previous calculation cycle to the beginning of the current cycle t k . If there were no pulses in this cycle, then the indicated time is equal to the cycle time t k = T.
Признаком появления импульса датчика в предыдущем цикле является неравенство предыдущего и текущего значений Θизм в циклах вычислений (использование этого признака предпочтительнее, чем других признаков).A sign of the appearance of a sensor pulse in the previous cycle is the inequality of the previous and current values of Θ ISM in the calculation cycles (using this attribute is preferable to other signs).
Поэтому в блоке 14 расчета предварительного значения корректирующего сигнала прогнозатора S'k производится проверка действительности условия:Therefore, in
Θkизм≠Θk-1изм.Θ kism ≠ Θ k-1ism .
Если условие выполнено (в предыдущем цикле вычислений был хотя бы один импульс датчика), тоIf the condition is satisfied (in the previous cycle of calculations there was at least one sensor pulse), then
S'k=tk·nk, S 'k = t k · n k,
т.к. вал электродвигателя 3 должен повернуться на угол tk·nk за время tk, когда сигнал счетчика импульсов блока 9, пропорциональный числу импульсов на текущем интервале вычисления i, не изменялся, но вал вращался со скоростью nk.because the shaft of the
Если же условие Θkизм≠Θk-1изм не выполнено (в предыдущем цикле вычислений не было импульсов датчика), тоIf the condition Θk MOD ≠ Θ k-1izm not satisfied (in the previous computation cycle was encoder pulses), then
S'k=Sk-1+Т·nk,S ' k = S k-1 + Tnk ,
т.к. за время цикла Т угловое положение ротора должно измениться на величину T·nk, а общее изменение с учетом предыдущего соответствует корректирующему сигналу прогнозатора в предыдущем цикле вычислений Sk-1, увеличенному на Т·nk.because during the cycle T, the angular position of the rotor should change by T · n k , and the total change, taking into account the previous one, corresponds to the predictor correction signal in the previous calculation cycle S k-1 , increased by T · n k .
Наконец, вследствие неизбежных погрешностей вычислений и измерений, естественно ограничить величину корректирующего сигнала прогнозатора значением угловой дискреты датчика Θd (иначе в интервале (tk,T) появился бы импульс датчика). Это осуществляется в блоке ограничения 15, в котором проверяется выполнение условия.Finally, due to the inevitable errors in the calculations and measurements, it is natural to limit the value of the predictor correction signal to the value of the angular discrete of the sensor Θd (otherwise, a sensor pulse would appear in the interval (t k , T)). This is done in
Если условие выполнено (полученное в блоке 14 значение S'k превышает дискрету датчика), то задают значение корректирующего сигнала прогнозатора Sk=Θd. Если же условие S'k>Θd не выполнено, то задают значение корректирующего сигнала прогнозатора Sk=S'k.If the condition is satisfied (the value S ' k obtained in
С выхода блока ограничения 15 корректирующий сигнал прогнозатора Sk поступает на второй вход сумматора 13, на выходе которого получают прогнозируемое на начало следующего цикла вычислений значение углового положения ротора Θ*k из выражения Θ*k=kизм+Sk.From the output of the
В значении Θk* отсутствуют составляющие, связанные с дискретностью измерений и биениями частот, следовательно, если использовать скорректированное таким образом значение показаний счетчика импульсов для измерения положения ротора в конце цикла вычислений и использовать его в качестве измерений в наблюдателе состояния 6, то и в оценках скорости вращения nk и момента нагрузки MLk эти составляющие будут отсутствовать. Это обосновывает сделанное ранее предположение.In the value k * there are no components related to the discreteness of measurements and beatings of frequencies, therefore, if we use the pulse counter readings thus adjusted to measure the position of the rotor at the end of the calculation cycle and use it as measurements in
Сигнал, пропорциональный значению Θk*, поступает с выхода блока 15 на второй вход наблюдателя 6, в котором рассчитываются значения оценок углового положения, угловой скорости вращения ротора и момента нагрузки (Θk+1, nk-1 и MLk+1). Эти оценки с выхода наблюдателя 6 поступают на вход системы управления 2, в которой применяются для определения параметров управления электроприводом в течение следующего цикла вычислений. Они также записываются с выхода наблюдателя 6 в буфер контроллера 5 и в следующем цикле вычислений извлекаются из него для обеспечения работы наблюдателя и используются для цифровой обработки сигналов энкодера в соответствии с описанным выше способом.A signal proportional to the value of Θ k * comes from the output of
Claims (3)
,
,
,
которые записывают в буфер контроллера и в следующем цикле вычислений используют для обеспечения работы наблюдателя механических переменных состояния.1. A method for digitally processing the signals of a pulse encoder of a rotor of an electric motor-encoder using a processor controller, which ensures that the drive control system receives the values of its mechanical variables during the k-th cycle of the controller’s calculations, such as the angular position of the electric motor rotor Θ k , the angular rotational speed of the rotor n k and the load moment on the motor shaft M Lk , and intended to obtain accurate estimates of these variables, which consists in the fact that for processing information In order to determine the rotor angular position, an observer of the mechanical variables of the state of the electric drive and a predictor are used, for the operation of which, prior to the operation of the electric drive, the initial values of the estimates of the angular position of the rotor of the electric motor Θ 0 , the angular speed of rotation of the rotor n 0 and the moment of load on the motor shaft M L0 are set to zero, and correcting the initial predictor signal S 0 corresponding to the state of the disconnected drive, define discrete unit-size sensor Θd, dependent pairs meters gear encoder, and introduced into the buffer controller cycle time controller T computing total moment of inertia of the rotor of the motor J and the values of the correction factors L 1, L 2, L 3, at the beginning of each computation cycle of the drive control system of the observer mechanical state variable belongs into the controller, receives the required value of the electromagnetic moment M k , from the encoder after the primary processing of its signal, the number of pulses for the current calculation interval i, s with the help of a timer, the time controller t k is measured and written to the buffer from the arrival of the last pulse to the beginning of the current cycle of calculations, in addition, the value of the angular position of the motor rotor виг k-1ism measured in the last cycle of calculations is saved in the buffer, and the correction value obtained in the last cycle of calculations the predictor signal S k-1 , and the values of the estimates of the angular position of the rotor Θ k , the angular velocity of rotation of the rotor n k and the load moment of the electric motor M Lk , which in this cycle are used as its current values, during each calculation cycle, the measured value of the angular position of the rotor is obtained from the expression изм kism = i · Θd, the preliminary value of the predictor correction signal S'k is calculated from the expression S ' k = t k · n k if Θ kism ≠ Θ k- 1ism , otherwise, from the expression S ' k = S k-1 + T · n k , we obtain the value of the predictor correction signal S k equal to Θd if S' k > Θd, otherwise equal to S ' k , determine the predicted at the beginning of the next cycle of calculations the value of the angular position of the rotor Θ * k from the expression Θ * k = Θ kizm + S k , and d Then, in the observer, the values of the estimates of the angular position of the rotor, the angular speed of rotation of the rotor and the load moment are used to determine the parameters of the drive control system according to the expressions:
,
,
,
which are written to the controller buffer and in the next cycle of calculations are used to ensure the operation of the observer of mechanical state variables.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013109333/11A RU2532673C2 (en) | 2013-03-04 | 2013-03-04 | Method and device of digital processing of signals from pulse sensor of rotor movement in electric motor-encoder |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013109333/11A RU2532673C2 (en) | 2013-03-04 | 2013-03-04 | Method and device of digital processing of signals from pulse sensor of rotor movement in electric motor-encoder |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013109333A RU2013109333A (en) | 2014-09-10 |
RU2532673C2 true RU2532673C2 (en) | 2014-11-10 |
Family
ID=51539789
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013109333/11A RU2532673C2 (en) | 2013-03-04 | 2013-03-04 | Method and device of digital processing of signals from pulse sensor of rotor movement in electric motor-encoder |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2532673C2 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19812966A1 (en) * | 1998-03-24 | 1999-09-30 | Peter Koller | Small brushless DC motor |
EP1624563A2 (en) * | 2004-07-06 | 2006-02-08 | Switched Reluctance Drives Limited | Rotor position detection in an electrical machine |
RU2398349C1 (en) * | 2009-09-04 | 2010-08-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Русэлпром-Электропривод" | Method for phase control of induction motor |
-
2013
- 2013-03-04 RU RU2013109333/11A patent/RU2532673C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19812966A1 (en) * | 1998-03-24 | 1999-09-30 | Peter Koller | Small brushless DC motor |
EP1624563A2 (en) * | 2004-07-06 | 2006-02-08 | Switched Reluctance Drives Limited | Rotor position detection in an electrical machine |
RU2398349C1 (en) * | 2009-09-04 | 2010-08-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Русэлпром-Электропривод" | Method for phase control of induction motor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013109333A (en) | 2014-09-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102487265B (en) | For the method for the site error of adaptive equalization solver | |
CN109945819B (en) | Method for measuring position of rotor of permanent magnet synchronous motor | |
US20040095089A1 (en) | Transient compensation voltage estimation for feedforward sinusoidal brushless motor control | |
CN104779876A (en) | Magnet temperature estimating system for synchronous electric motor | |
CN107209028A (en) | Analyser device | |
Ilmiawan et al. | An easy speed measurement for incremental rotary encoder using multi stage moving average method | |
US20130060490A1 (en) | Method for determining the torque and/or angular speed of a rotating shaft and a device for carrying out same | |
JPH0221237B2 (en) | ||
US9093933B2 (en) | Method and apparatus for monitoring rotational position of an electric machine | |
CN106655930B (en) | A kind of error correcting method for step out of stepping motor based on proximity sensor | |
US8922200B2 (en) | Method and device for determining a current angular position of a rotatable magnetic component in an electric drive | |
CN107547017B (en) | Vehicle safety control method, device and electric car | |
RU2532673C2 (en) | Method and device of digital processing of signals from pulse sensor of rotor movement in electric motor-encoder | |
ITVA20070012A1 (en) | METHOD AND RELATIVE DEVICE OF THE ANGULAR POSITION OF THE ROTOR OF A BRUSHLESS ENGINE | |
US10175260B2 (en) | Apparatus and method for measuring motor speed | |
JP4045860B2 (en) | Power transmission system test apparatus and control method thereof | |
JPH11190606A (en) | Rotation quantity measuring method and rotation quantity measuring device | |
KR100491665B1 (en) | Speed Control Apparatus of Motor | |
CN111038514B (en) | Vehicle speed control method and related device | |
JP6589107B2 (en) | Modulated wave resolver device | |
CN102435164B (en) | Absolute rotator rotation angle measurement method and absolute rotator rotation angle measurement device | |
JP3111798B2 (en) | Variable speed drive | |
CN108627670B (en) | Method and device for detecting motor rotation speed | |
JP2013190289A (en) | Method and apparatus for detecting rotational speed of motor | |
US20220085696A1 (en) | Motor control device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160305 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20190405 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200305 |