驅動器的狀態觀測器及其速度估算方法和系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種速度估算方法，尤其涉及種用于驅動器的狀態觀測器及其速度估 算方法和系統。
【背景技術】
[0002] 在控制系統中，驅動器的速度是其必不可少的參數。現有的技術中，驅動器的速度 測量一般是通過速度編碼器測量電機轉角，并根據一定時間內電機轉角的變化角度求出電 機運行角速度即用測量脈沖頻率的M法、測量脈沖周期的T法以及兩者結合切換的Μ/T法， 但是使用該方法測量轉速會存在一定的時間間隔（ms級時間），導致計算所得轉速滯后和 不連續，會降低控制器速度環帶寬，降低系統性能。
【發明內容】
[0003] 有鑒于此，實有必要提供一種更加準確測量驅動器電機轉速的狀態觀測器。
[0004] 此外，還有必要提供一種驅動器的速度的估算方法及其系統。
[0005] 與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：
[0006] -種驅動器的狀態觀測器，所述狀態觀測器包括對比單元以及執行單元；對比單 元用于將所接收的測量單元測量的電機實際轉角與電機轉角的初始值進行比較得到電機 的轉角誤差；以及執行單元包括：第一計算單元用于根據電機的轉角誤差以及積分系數K3 通過預設的第一方程可計算出電機的估算負載轉矩?Υ;第二計算單元，用于根據上述電機 的估算負載轉矩、轉角誤差以及預設的電機基本特征量和比例系數K2構建關于電機的粗 算轉速W的預設的第二方程，并計算出電機的粗算轉速W ;以及第三計算單元，用于根據上 述電機的粗算轉速、轉角誤差以及預設的積分系數Kl通過預設的第三方程計算得到電機 的估算轉速，并根據電機的估算轉速積分運算得到電機的估算轉角；其中，所述對比單元還 用于對比判斷電機的估算轉角與電機的實際轉角是否相等；若電機的估算轉角與電機的實 際轉角相等，第三計算單元則輸出電機的估算轉速；若電機的估算轉角與電機的實際轉角 不相等，則電機的實際轉角與電機的估算轉角進行比較重新計算該轉角誤差，并重新進行 計算電機的估算轉角直至等于電機的實際轉角。
[0007] -種驅動器速度的估算系統，其特征在于，所述估算系統包括：測量單元，用于測 量電機的實際轉角；所述狀態觀測器包括對比單元以及執行單元；對比單元用于將所接收 的測量單元測量的電機實際轉角與電機轉角的初始值進行比較得到電機的轉角誤差；以及 執行單元包括：第一計算單元用于根據電機的轉角誤差以及積分系數K3通過預設的第一 方程可計算出電機的估算負載轉矩?Υ;第二計算單元，用于根據上述電機的估算負載轉矩、 轉角誤差以及預設的電機基本特征量和比例系數K2構建關于電機的粗算轉速W的預設 的第二方程，并計算出電機的粗算轉速W ;以及第三計算單元，用于根據上述電機的粗算轉 速、轉角誤差以及預設的積分系數Kl通過預設的第三方程計算得到電機的估算轉速，并根 據電機的估算轉速積分運算得到電機的估算轉角；其中，所述對比單元還用于對比判斷電 機的估算轉角與電機的實際轉角是否相等；若電機的估算轉角與電機的實際轉角相等，第 三計算單元則輸出電機的估算轉速；若電機的估算轉角與電機的實際轉角不相等，則電機 的實際轉角與電機的估算轉角進行比較重新計算該轉角誤差，并重新進行計算電機的估算 轉角直至等于電機的實際轉角。
[0008] -種驅動器速度的估算方法，其特征在于，所述估算方法包括：接收電機的實際 轉角轉角；將實際轉角與電機轉角的初始值進行比較得到電機的轉角誤差；根據上述電機 的轉角誤差以及預設的調節器的積分系數K3通過預設的第一方程計算電機的估算負載轉 矩；根據上述電機的估算負載轉矩、電機的轉角誤差以及預設的電機基本特征量和調節器 的比例系數K2、構建關于電機的粗算轉速的預設的第二方程，并計算出電機的粗算轉速； 根據上述電機粗算轉速、電機的轉角誤差以及預設的調節器的積分系數Kl通過預設的第 三方程計算出電機的估算轉速；對電機的估算轉速進行積分運算得到估算的電機轉角；對 比判斷電機的估算轉角與電機的實際轉角是否相等；若電機的估算轉角與電機的實際轉角 相等，則輸出電機的估算轉速；若電機的估算轉角與電機的實際轉角不相等，則電機的實際 轉角與電機的估算轉角進行比較重新計算該轉角誤差，并重新進行計算電機的估算轉角直 至等于電機的實際轉角。
[0009] 上述中基于狀態觀測器的速度估算方法，將編碼器測量電機轉角作為輸入狀態變 量進行轉速的估算，可實施更新轉速（us級時間），能夠快速獲取實時轉速，解決了傳統方 法總速度計算需要ms級時間間隔，速度計算存在滯后的問題，提升轉速環響應帶寬，提高 系統性能，與此同時，除可估算電機轉速，還可準確估算電機轉角以及電機的負載轉矩。
【附圖說明】
[0010] 圖1為實施方式中驅動器速度的估算系統的功能模塊圖。
[0011] 圖2為實施方式中驅動器速度的估算方法的原理圖。
[0012] 圖3為實施方式中驅動器速度的估算方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0013] 下面將結合本實施方式中的附圖，對本實施方式中的技術方案進行清楚、完整的 描述。
[0014] 請參看圖1，本實施方式中一種驅動器速度的估算系統的功能模塊圖。
[0015] 驅動器速度的估算系統1包括狀態觀測器10和測量單元20。測量單元20用于測 量驅動器電機的實際轉角，并將所測量的驅動器電機的實際轉角輸送給狀態觀測器10。本 實施方式中，優選速度編碼器來測量電機的實際轉角。狀態觀測器10包括執行單元101和 對比單元102。
[0016] 對比單元102用于將所接收的測量單元20測量的電機實際轉角與電機轉角的初 始值進行比較得到電機的轉角誤差Λ Θ。
[0017] 執行單元101用于當對比單元102判斷出電機的實際轉角與電機的估算轉角不相 等時，通過預設規則的重新計算電機的估算轉角直至電機的估算轉角與電機的實際轉角相 等。本實施方式中優選PID調節器作為執行單元101，根據對比單元102的判斷結果，執行 調節電機的估算轉角與電機的實際轉角的轉角誤差。本實施方式中，PID調節器依靠三個 調節系數積分系數KU比例系數K2以及積分系數K3來調節以減少誤差。其中調節系數與 系統相匹配，不同的系統根據需求具有不同的調節系數，其根據系統誤差，利用積分和比例 計算出控制量進行控制。調節器的積分系數KU比例系數Κ2以及積分系數Κ3是根據被控 過程的特性來確定的，其可以根據動態特性及時整定，其主要通過工程整定方法得到，即通 過直接在控制系統中的試驗中進行，按照工程經驗公式，進行整定。
[0018] 執行單元101包括第一計算單元1011、第二計算單元1012以及第三計算單元 1013。
[0019] 第一計算單元1011，用于根據電機的實際轉角與電機的估算轉角的轉角誤差 Λ Θ以及調節器的積分系數K3通過預設的第一方程可計算得到電機的估算負載轉矩IV。 其中預設的第一方程為：IY= J (△ θ ΧΚ3)，若電機的估算負載轉矩1\是等于實際物理值， 則輸出該電機的估算轉矩?Υ。
[0020] 第二計算單元1012,用于根據上述電機的估算負載轉矩IV、轉角誤差Λ Θ以及預 設的電機基本特征量中的電機的輸出轉矩Te、電機的摩擦系數Β、電機的轉動慣量J和調節 器的比例系數K2構建關于電機的粗算轉速W的預設的第二方程，并計算出電機的粗算轉速 W。其中，預設的第二方程為：
[0021] J [( Λ Θ XK2+TL+Te-BW)/J] = W。
[0022] 第三計算單元1013,用于根據上述電機的粗算轉速W、轉角誤差Λ Θ以及預設的 調節器的積分系數Kl通過預設的第三方程計算得到電機的估算轉速ω、，再根據電機的估 算轉速《、積分運算得到電機的估算轉角θ~ η，其中，預設的第三方程為：W+Λ Θ XKl = ω、。若電機的估算轉速ω:以及電機的估算轉角θ~η是等于實際物理值，則輸出電機的 估算轉速ω、以及電機的估算轉角θ ~ η。
[0023] 對比單元102還用于對比判斷電機的估算轉角與電機的實際轉角是否相等；若電 機的估算轉角與電機的實際轉角相等，第三計算單元則輸出電機的估算轉速；若電機的估 算轉角與電機的實際轉角不相等，則電機的實際轉角與電機的估算轉角進行比較重新計算 該轉角誤差，重新進行計算電機的估算轉角直至等于電機的實際轉角。
[0024] 請參看圖2,其為一種驅動器速度的估算方法的原理圖。
[0025] 測量單元測量出電機的實際轉角θη將輸送到狀態觀測器。且當程序開始時，狀 態觀測器初始化，設定電機的實際轉角S ni與電機的估算轉角θ~η的轉角誤差Λ Θ為零， 其他階段該轉角誤差Λ Θ等于電機的實際轉角Gni與電機的估算轉角Θ "的差，如圖2所 示中運算符Sl處所表示為：Λ θ = θη-θη。
[0026] 計算得到轉角誤差Λ θ后，狀態觀測器利用轉角誤差Λ θ以及調節器的積分系 數Κ3按照第一方程計算電機的估算負載轉矩IV，其中第一方程為：
[0027] Tl= / (Δ θ ΧΚ3)
[0028] 隨后，根據電機運動狀態方程
設計本實施方式中的預設第二 方程，并用于計算電機的粗算轉速W。其中，粗算的電機轉角W不等于電機的估算轉速，其與 電機的估算轉速之間仍有誤差，需要后續整定來減小誤差。如圖2所示，其中1/S表示為積 分運算，運算符S2處所表示的為預設的第二方程：
[0029] / [(Δ Θ XK2+TL+Te-Bff)/J] =W
[0030] 因此，根據電機的估算負載轉矩IV、系統的輸出轉矩?；以及調節器的比例系數K2 計算得到電機的粗算轉速W，且預設的系統的基本特征量為電機摩擦系數Β、電機的輸出轉 矩?；、電機轉動慣量J。
[0031] 由于，計算所得的粗算的電機轉角W不是所需的電機的估算轉速，其與電機的估 算轉速之間仍有誤差，故利用調節器的積分系數Kl以及電機轉角根據第三方程計算所需 的電機的估算轉速ω、，如圖