CN110858758A - 电机速度估算方法及装置、电机控制方法及*** - Google Patents
电机速度估算方法及装置、电机控制方法及*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN110858758A CN110858758A CN201810969454.8A CN201810969454A CN110858758A CN 110858758 A CN110858758 A CN 110858758A CN 201810969454 A CN201810969454 A CN 201810969454A CN 110858758 A CN110858758 A CN 110858758A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- motor
- system state
- current
- motor speed
- speed
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Control Of Electric Motors In General (AREA)
Abstract
本发明公开了一种电机速度估算方法,该方法包括:获取电机的电磁转矩和当前时刻***状态的观测值;基于电机的***方程对当前时刻***状态的观测值进行卡尔曼滤波得到电机的***状态的当前估计值,电机的***状态的当前估计值包括电机速度的当前估计值,***方程是利用电机转子运动的状态方程得到的。本发明还公开了一种电机速度估算装置、电机控制方法及***、可读存储介质。通过上述方式,本发明能够提高速度分辨率并缩短电机速度估算的延时。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域,特别是涉及一种电机速度估算方法及装置、电机控制方法及***、可读存储介质。
背景技术
伺服***是指利用某一部件的作用能使***状态到达或接近某一给定目标,并能将目标状态和实际状态加以比较,依照它们的差别(有时是这一差别的变化率)来调节控制部件,使得***状态能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制***。
伺服***可以包括控制器、传感器、电机驱动装置和电机,伺服***的***状态可以包括电机速度。为了实现基于电机速度的对电机进行闭环控制,需要实时检测电机速度。传统的速度检测方法本质上是对编码器检测的位置信号进行差分/对加速度传感器检测的加速度信号进行积分获得,所得的电机速度实际上为一段时间内的平均速度而非瞬时速度,速度分辨率低,影响伺服***的平稳性及有效带宽。此外位置信号含有测量噪声,使得对位置信号差分得到的速度噪声较大,为了减少噪声,可以加入低通滤波,但会导致电机速度计算的时延较大,在编码器分辨率较低时尤为严重。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种电机速度估算方法及装置、电机控制方法及***、可读存储介质,能够解决现有技术中电机速度精度低且延时高的问题。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种电机速度估算方法,该方法包括:获取电机的电磁转矩和当前时刻***状态的观测值;基于电机的***方程对当前时刻***状态的观测值进行卡尔曼滤波得到电机的***状态的当前估计值,电机的***状态的当前估计值包括电机速度的当前估计值,***方程是利用电机转子运动的状态方程得到的。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种电机控制方法,该方法包括:利用前述方法获取电机速度的当前估计值;将电机速度的当前估计值作为电机速度的反馈速度对电机进行闭环控制。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种电机速度估算装置,该装置包括至少一个处理器,单独或协同工作,处理器用于执行指令以实现前述的电机速度估算方法。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种电机控制***,该***包括控制器、传感器和前述的电机速度估算装置,电机速度估算装置分别连接控制器和传感器,传感器用于获取电机的***状态的观测值,控制器用于将电机速度估算装置得到的电机速度的当前估计值作为电机速度的反馈速度对电机进行闭环控制。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种可读存储介质,存储有指令,指令被执行时实现前述的电机速度估算方法或电机控制方法。
本发明的有益效果是:通过卡尔曼滤波估算电机速度,得到的电机速度理论上为真正的瞬时速度而不是平均速度,明显提高速度分辨率,同时无须进行低通滤波即可降低测量噪声的影响,缩短电机速度估算的延时,同时提高了电机的调速比,算法参数鲁棒性好,调整简单,可适配不同的各种***。
附图说明
图1是本发明电机速度估算方法一实施例的流程示意图;
图2是本发明电机速度估算方法一实施例中卡尔曼滤波的流程示意图;
图3是基于本发明电机速度估算方法一具体实施例的***方程使用卡尔曼滤波估算电机速度的速度分辨率和传统的位置差分方式的速度分辨率的对比示意图;
图4是基于本发明电机速度估算方法一具体实施例的***方程使用卡尔曼滤波估算电机速度的计算延时与传统的位置差分方式的计算延时的对比示意图;
图5是本发明电机控制方法一实施例的流程示意图;
图6是本发明电机速度估算装置一实施例的结构示意图;
图7是本发明电机控制***一实施例的结构示意图;
图8是本发明可读存储介质第一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。以下各实施例中不冲突的可以相互结合。
如图1所示,本发明电机速度估算方法一实施例包括:
S1:获取电机的电磁转矩和当前时刻***状态的观测值。
电磁转矩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,是控制转子运动的控制量。电机的***状态可以以向量的形式表示,包括多个元素,其中一个元素为电机转子的速度,即电机速度。由于需要使用卡尔曼滤波来估算***状态,***状态是可观测的,其中的至少一个元素为直接参数,即可以直接从检测电机状态的传感器获取的参数,例如位置(从编码器直接获取)、加速度(从加速度计直接获取)等。
当前时刻***状态的观测值,也可以被称为***状态的当前观测值,是指当前时刻从传感器获取的***状态的测量值。对于***状态中的直接参数,可以在当前时刻从对应的传感器直接获取其当前观测值;对于***状态中的非直接参数,可以利用前一时刻的***状态和/或直接参数的当前观测值计算得到非直接参数的当前观测值。例如,***状态包括电机速度(非直接参数)和转子位置(直接参数),可以利用利用当前时刻转子位置的观测值计算当前时刻的电机速度的观测值,当前时刻的电机速度的观测值可以等于位置差除采样周期,位置差等于当前时刻转子位置的观测值减去前一时刻转子位置的估计值。
S2:基于电机的***方程对当前时刻***状态的观测值进行卡尔曼滤波得到电机的***状态的当前估计值。
电机的***状态的当前估计值也可被称为当前时刻的电机的***状态的估计值。电机的***状态的当前估计值包括电机速度的当前估计值。电机速度的当前估计值也可以被称为当前时刻的电机速度的估计值。***方程是利用电机转子运动的状态方程得到的。电机转子运动的状态方程是在电机动力学数学模型的基础上进行离散化而得到的。
***方程为:
xk=Axk-1+Buk-1+wk
yk=Cxk+vk (1)
其中,xk为当前时刻的电机的***状态,xk-1为前一时刻的电机的***状态,电机的***状态包括至少三个元素,电机的***状态包括电机的转子位置和电机速度,A和B为***参数,C为观测参数,uk-1为前一时刻的控制量(即电磁转矩),wk为过程噪声,vk为测量噪声。转子位置可以为角位置或线位置,对应的,电机速度(即转子速度)为角速度或线速度。
具体的,如图2所示,本步骤可以包括:
S21:基于***方程及前一时刻的电机的***状态的估计值获取当前时刻的电机的***状态的预测值及对应的误差。
计算公式为:
S22:利用当前时刻的电机的***状态的预测值及对应的误差计算当前时刻的卡尔曼增益。
计算公式为:
其中,Kk为当前时刻的卡尔曼增益,R为测量噪声vk的协方差。
S23:利用当前时刻的电机的***状态的观测值及当前时刻的卡尔曼增益计算电机的***状态的当前估计值。
计算公式为:
其中I为单元矩阵。
S22和S23属于卡尔曼滤波中的更新过程。
通过本实施例的实施,使用卡尔曼滤波估算电机速度,得到的电机速度理论上为真正的瞬时速度而不是平均速度,明显提高速度分辨率,同时无须进行低通滤波即可降低测量噪声的影响,缩短电机速度估算的延时,同时提高了电机的调速比,算法参数鲁棒性好,调整简单,可适配不同的各种***。
下面结合附图举例说明电机转子运动的状态方程和对应的***方程的获取过程。
在本发明电机速度估算方法一具体实施例中,建立电机动力学数学模型如下:
其中,Ω为电机转子角速度(即电机速度),θr为电机转子位置,TL为负载转矩,f为阻尼系数,J为电机转子的转动惯量,Tem为电磁转矩。
并且做合理化假设,负载转矩变换缓慢,其导数近似为零:
结合式(7)-(9),可得电机转子运动的状态方程为:
式(2)可以写成:
其中,u=Tem。
***状态x中只有角位置是直接参数,可以利用编码器直接获取,可知输出方程为:
y=θr=Mx (11)
其中M=[0 1 0]。
综合公式(10)和(11),使用一阶欧拉方程展开进行离散化,得到***方程(2)中的系数如下:
B=GTs=[Ts/J 0 0]T
C=M=[0 1 0]
同一伺服***中,基于本实施例的***方程使用卡尔曼滤波估算电机速度的速度分辨率和传统的位置差分方式的速度分辨率对比如图3所示,基于本实施例的***方程使用卡尔曼滤波估算电机速度的计算延时与传统的位置差分方式的计算延时对比如图4所示。图3和图4中的实线表示使用传统的位置差分方式计算得到的电机速度曲线,虚线表示对于同一电机基于本实施例的***方程使用卡尔曼滤波估算得到的电机速度曲线。在图3中,实线的变化剧烈程度大于虚线,意味着与传统的位置差分方式相比,采用卡尔曼滤波估算得到的电机速度更接近于实际的瞬时速度,测速精度更高,速度分辨率更高。图4中右边的小图是左边箭头起点部分的放大,可以看出,虚线的相位早于实线,意味着与传统的位置差分方式相比,采用卡尔曼滤波能够更早计算出电机速度,计算延时更短。
在本实施例中,***状态包括转子角位置θr、电机速度Ω和负载转矩TL,且假设负载转矩TL保持不变。在其他实施例中,也可以使用转矩传感器来测量负载转矩TL,或者修改电机转子运动的状态方程和***方程,例如加入其他参数例如加速度(可从加速度计获取),使用加速度取代转子角位置等。
如图5所示,本发明电机控制方法一实施例包括:
S11:获取电机速度的当前估计值。
可以利用本发明电机速度估算方法任一实施例及不冲突的结合所提供的方法来获取电机速度的当前估计值。
S12:将电机速度的当前估计值作为电机速度的反馈速度对电机进行闭环控制。
将电机速度的当前估计值作为电机速度的反馈速度,根据外部输入的目标速度值及电机速度的当前估计值生成对应的控制信号来控制电机,实现电机的闭环控制,使得电机的速度能够稳定在目标速度值或者附近运行。
如图6所示,本发明电机速度估算装置一实施例包括:处理器110。图中只画出了一个处理器110,实际数量可以更多。处理器110可以单独或者协同工作。
处理器110控制电机速度估算装置的操作,处理器110还可以称为CPU(CentralProcessing Unit,中央处理单元)。处理器110可能是一种集成电路芯片,具有信号序列的处理能力。处理器110还可以是通用处理器、数字信号序列处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
处理器110用于执行指令以实现本发明电机速度估算方法任一实施例以及不冲突的组合所提供的方法。
如图7所示,本发明电机控制***一实施例包括:控制器210、传感器220和电机速度估算装置230。
电机速度估算装置230分别连接控制器210和传感器220。电机速度估算装置230可以为图6对应的实施例中的电机速度估算装置。传感器220用于监测电机的运行状态,获取电机的***状态的观测值,具体可以包括编码器、加速度计、转矩传感器等中的至少一个。控制器210用于将电机速度估算装置得到的电机速度的当前估计值作为电机速度的反馈速度对电机进行闭环控制。图中的Ω’表示目标速度,Ω表示电机速度的估计值,u表示电机的控制量,θ表示转子位置。
可选的,电机速度估算装置230可以与控制器210集成在一起。
如图8所示,本发明可读存储介质第一实施例包括存储器310,存储器310存储有指令,该指令被执行时实现本发明电机速度估算方法/电机控制方法任一实施例及不冲突的结合所提供的方法。
存储器310可以包括只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、闪存(Flash Memory)、硬盘、光盘等。
在本发明所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的方法和装置,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的,例如,所述模块或单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。
另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理包括,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的实施方式,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种电机速度估算方法,其特征在于,包括:
获取电机的电磁转矩和当前时刻***状态的观测值;
基于电机的***方程对所述当前时刻***状态的观测值进行卡尔曼滤波得到电机的***状态的当前估计值,所述电机的***状态的当前估计值包括电机速度的当前估计值,所述***方程是利用电机转子运动的状态方程得到的。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述***方程为:
xk=Axk-1+Buk-1+wk
yk=Cxk+vk (1)
其中,xk为当前时刻的电机的***状态,xk-1为前一时刻的电机的***状态,电机的***状态包括至少三个元素,所述电机的***状态包括电机速度,A和B为***参数,C为观测参数,uk-1为前一时刻的电磁转矩,wk为过程噪声,vk为测量噪声。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,
所述基于电机的***方程对所述当前时刻***状态的观测值进行卡尔曼滤波得到电机的***状态的当前估计值包括:
基于所述***方程及前一时刻的电机的***状态的估计值获取当前时刻的电机的***状态的预测值及对应的误差;
利用所述当前时刻的电机的***状态的预测值及对应的误差计算当前时刻的卡尔曼增益;
利用当前时刻的电机的***状态的观测值及当前时刻的卡尔曼增益计算所述电机的***状态的当前估计值。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法,其特征在于,
所述当前时刻***状态的观测值包括从传感器直接获取的当前时刻转子位置的观测值且当前时刻电机速度的观测值无法从所述传感器直接获取;
所述基于电机的***方程对所述当前时刻***状态的观测值进行卡尔曼滤波得到电机的***状态的当前估计值之前进一步包括:
利用所述当前时刻转子位置的观测值计算当前时刻的电机速度的观测值。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,
所述当前时刻的电机速度的观测值等于位置差除采样周期,所述位置差等于所述当前时刻转子位置的观测值减去前一时刻转子位置的估计值。
7.一种电机控制方法,其特征在于,包括:
利用权利要求1-6中任一项所述的方法获取电机速度的当前估计值;
将所述电机速度的当前估计值作为电机速度的反馈速度对所述电机进行闭环控制。
8.一种电机速度估算装置,其特征在于,包括至少一个处理器,单独或协同工作,所述处理器用于执行指令以实现如权利要求1-6中任一项所述的方法。
9.一种电机控制***,其特征在于,包括控制器、传感器和如权利要求8所述的电机速度估算装置,所述电机速度估算装置分别连接所述控制器和所述传感器,所述传感器用于获取所述电机的***状态的观测值,所述控制器用于将所述电机速度估算装置得到的电机速度的当前估计值作为电机速度的反馈速度对所述电机进行闭环控制。
10.一种可读存储介质,存储有指令,其特征在于,所述指令被执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810969454.8A CN110858758A (zh) | 2018-08-23 | 2018-08-23 | 电机速度估算方法及装置、电机控制方法及*** |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810969454.8A CN110858758A (zh) | 2018-08-23 | 2018-08-23 | 电机速度估算方法及装置、电机控制方法及*** |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN110858758A true CN110858758A (zh) | 2020-03-03 |
Family
ID=69635309
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201810969454.8A Pending CN110858758A (zh) | 2018-08-23 | 2018-08-23 | 电机速度估算方法及装置、电机控制方法及*** |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN110858758A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112540630A (zh) * | 2020-06-16 | 2021-03-23 | 深圳优地科技有限公司 | 电机速度信号的处理方法、装置、机器人及存储介质 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102611381A (zh) * | 2012-03-12 | 2012-07-25 | 浙江工业大学 | 永磁同步电机直接转矩控制*** |
CN103684178A (zh) * | 2013-12-17 | 2014-03-26 | 清华大学 | 一种永磁同步电机转速滤波装置和滤波方法 |
CN104184382A (zh) * | 2014-08-11 | 2014-12-03 | 天津大学 | 一种永磁电机速度观测方法 |
JP2017041248A (ja) * | 2015-08-20 | 2017-02-23 | 三菱電機株式会社 | サーボ制御装置 |
-
2018
- 2018-08-23 CN CN201810969454.8A patent/CN110858758A/zh active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102611381A (zh) * | 2012-03-12 | 2012-07-25 | 浙江工业大学 | 永磁同步电机直接转矩控制*** |
CN103684178A (zh) * | 2013-12-17 | 2014-03-26 | 清华大学 | 一种永磁同步电机转速滤波装置和滤波方法 |
CN104184382A (zh) * | 2014-08-11 | 2014-12-03 | 天津大学 | 一种永磁电机速度观测方法 |
CN104184382B (zh) * | 2014-08-11 | 2017-02-15 | 天津大学 | 一种永磁电机速度观测方法 |
JP2017041248A (ja) * | 2015-08-20 | 2017-02-23 | 三菱電機株式会社 | サーボ制御装置 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
王铮: "基于自适应卡尔曼观测器的永磁同步电机***速度控制", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库-工程科技Ⅱ辑》 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112540630A (zh) * | 2020-06-16 | 2021-03-23 | 深圳优地科技有限公司 | 电机速度信号的处理方法、装置、机器人及存储介质 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3796261B1 (ja) | モータの負荷イナーシャ推定方法 | |
CN101034865B (zh) | 电动机控制装置和电动机控制方法 | |
CN108116490B (zh) | 电动助力转向***的速度估计 | |
KR101087581B1 (ko) | 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법 | |
JP6517567B2 (ja) | サーボモータ制御装置及び衝突検出方法 | |
RU2664782C1 (ru) | Устройство управления для вращающейся машины переменного тока | |
EP2940859B1 (en) | Rotation angle estimation module for sensorless vector control of pmsm | |
JP6485810B2 (ja) | 誘導モーターのローター角速度を制御するための方法及びシステム | |
CN109067274A (zh) | 基于干扰补偿的永磁同步电机调速的积分滑模控制方法 | |
JP2018536381A (ja) | 電気モーターを制御する方法及びシステム | |
CN116247996A (zh) | 永磁同步直线电机无传感器控制方法及相关装置 | |
JP5943875B2 (ja) | モータ制御装置 | |
CN109936319B (zh) | 一种整定转速控制器参数的方法及装置 | |
CN110858758A (zh) | 电机速度估算方法及装置、电机控制方法及*** | |
JP5074318B2 (ja) | 同期電動機のロータ位置推定装置 | |
JP7042972B2 (ja) | 回転機の制御装置 | |
CN112350626A (zh) | 求机械换向的直流电动机的电动机轴转速和旋转角度的方法和设备 | |
JP4390539B2 (ja) | 負荷特性演算装置及びモータ制御装置 | |
JP5106295B2 (ja) | 同期電動機のロータ位置推定装置 | |
Wang et al. | Speed and load torque estimation of SPMSM based on Kalman filter | |
JP6043191B2 (ja) | モータ速度制御装置 | |
Brandstetter et al. | Estimation techniques for sensorless speed control of induction motor drive | |
JP2021197752A (ja) | トルク推定装置およびトルク推定方法 | |
JP2009118679A (ja) | 電動機制御装置および電動機制御方法 | |
JP2008209967A (ja) | フィードバック制御装置及びフィードバック制御方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200303 |
|
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |