本發(fā)明屬于永磁同步電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于均勻分布邊緣粒子濾波永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，永磁同步電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在高性能的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)與轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制十分重要?；谑噶靠刂频囊幌盗锌刂扑惴ǘ际峭ㄟ^(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速與位置的精確測(cè)量進(jìn)行反饋閉環(huán)控制的，一般采用同軸安裝編碼器或者安裝旋轉(zhuǎn)變壓器。但是在實(shí)際應(yīng)用中，有些電機(jī)形狀特殊導(dǎo)致傳感器安裝復(fù)雜，增大了電機(jī)體積，需要專門的硬件電路對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè)與處理，增加了控制器的復(fù)雜程度，同時(shí)降低了系統(tǒng)可靠性；傳感器本身也容易受到外部環(huán)境的影響，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中易造成損壞。而無(wú)傳感器控制方法主要通過(guò)已知的電機(jī)參數(shù)及定子端電壓或端電流估算出電機(jī)的實(shí)際位置和速度，以取代轉(zhuǎn)速和位置傳感器，降低成本，提高可靠性。

現(xiàn)有的永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器轉(zhuǎn)速估計(jì)方法有反電勢(shì)法、模型參考自適應(yīng)法、滑模觀測(cè)器法、高頻注入法等。反電勢(shì)法通過(guò)測(cè)取反電勢(shì)估計(jì)出位置角及轉(zhuǎn)速。這種方法計(jì)算簡(jiǎn)單，但是對(duì)電機(jī)參數(shù)敏感，且電機(jī)低速時(shí)誤差較大?；Ｓ^測(cè)器法工程上容易實(shí)現(xiàn)，但是滑模觀測(cè)器在低速時(shí)會(huì)產(chǎn)生更加明顯的抖振，觀測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，影響控制效果。模型參考自適應(yīng)法的估算精度依賴于電機(jī)模型參數(shù)的精度，不適用于低速時(shí)的速度辨識(shí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于均勻分布邊緣粒子濾波永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)在低速時(shí)誤差大，對(duì)電機(jī)參數(shù)精度要求高的問(wèn)題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種基于均勻分布邊緣粒子濾波永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)方法，按照以下步驟實(shí)施：

步驟1、初始化：

設(shè)置ω_e,0為永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速初值，θ_e,0為永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置，P₀為卡爾曼濾波過(guò)程初始協(xié)方差，t＝1為初始化時(shí)刻；

步驟2、在速度估計(jì)定時(shí)中斷到來(lái)時(shí)，t時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置θ_e,t由下式(1)計(jì)算得到：

θ_e,t＝θ_e,t-1+ω_e,t-1Δt， (1)

其中，θ_e,t為t時(shí)刻位置基準(zhǔn)值，θ_e,t-1為t-1時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置，ω_e,t-1為t-1時(shí)刻的永磁同步電動(dòng)機(jī)估計(jì)轉(zhuǎn)速，Δt為采樣時(shí)間；然后產(chǎn)生N個(gè)均勻分布在(θ_e,t-1,θ_e,t+1)上的隨機(jī)粒子，記為i＝1,...,N；

步驟3、將θ_e,t和產(chǎn)生的N個(gè)粒子位置分別進(jìn)行dq軸坐標(biāo)變換，采用Clark變換式(2)、Park變換式(3)和(4)，分別得到dq軸電流、電壓的四個(gè)值i_d,i_q,u_d,u_q，以及每個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的四個(gè)估計(jì)值

i_ɑ、i_β分別是α-β坐標(biāo)系下的電流，i_B、i_C分別是霍爾元件H0和H1采樣得到的電動(dòng)機(jī)B相和C相電流值，i_A＝-(i_B+i_C)；

u_α,u_β分別是α-β坐標(biāo)系下的電壓值，利用公式(3)和公式(4)得到dq軸電流電壓的四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值i_d,i_q,u_d,u_q，θ_e,t分別取i＝1,...,N，代入公式(3)和(4)則可得到N個(gè)位置估計(jì)值各自對(duì)應(yīng)的四個(gè)估計(jì)值

步驟4、根據(jù)下面的三個(gè)表達(dá)式分別計(jì)算各個(gè)數(shù)值：

y_t＝[i_d,t-a_di_d,t-1-c_du_d,t-1,i_q,t-a_qi_q,t-1-c_qu_q,t-1]^T， (5)

其中，右上標(biāo)T是代表向量轉(zhuǎn)置；

y_t是基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的計(jì)算向量；

為y_t的第i個(gè)粒子的估計(jì)值，Cⁱ對(duì)應(yīng)第i個(gè)粒子的計(jì)算值，

常數(shù)

步驟5、利用前面步驟得到的y_t,Cⁱ,ω_e,t-1,P_t-1數(shù)值，通過(guò)卡爾曼濾波得到和為第i個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速估計(jì)值，為第i個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的協(xié)方差，P_t-1為t-1時(shí)刻的協(xié)方差，

卡爾曼濾波的計(jì)算式見(jiàn)下式(6)：

其中，Kⁱ是卡爾曼增益，C^iT是第i個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的Cⁱ的轉(zhuǎn)置，ρⁱ為第i個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的計(jì)算值，r,Q分別為測(cè)量噪聲方差和過(guò)程噪聲方差；

步驟6、根據(jù)前面步驟得到的y_t,Cⁱ，分別計(jì)算每個(gè)粒子的權(quán)重，得到權(quán)重最大粒子的序號(hào)imax，滿足i＝1,2,...,N，權(quán)重計(jì)算表達(dá)式如下式(7)：

步驟7、更新?tīng)顟B(tài)，即將同時(shí)更新，輸出永磁同步電動(dòng)機(jī)的估計(jì)轉(zhuǎn)速ω_e,t和轉(zhuǎn)子位置θ_e,t；

步驟8、再次進(jìn)行更新，取t＝t+1，當(dāng)下一個(gè)速度估計(jì)定時(shí)中斷到來(lái)時(shí)，回到步驟2開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。

本發(fā)明的有益效果是，包括以下方面：

1)在不需要傳感器的情況下，能夠使永磁同步電動(dòng)機(jī)工作在期望的轉(zhuǎn)速，提高了電機(jī)可靠性，擴(kuò)展了電機(jī)在工業(yè)過(guò)程中的應(yīng)用范圍。

2)本發(fā)明方法與傳統(tǒng)的粒子濾波無(wú)速度傳感器矢量控制方法相比，在低速時(shí)也有較好的估算精度，并且依賴電機(jī)準(zhǔn)確參數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明方法控制過(guò)程中所依賴的系統(tǒng)框圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)卡爾曼濾波方法的估計(jì)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果；

圖3是本發(fā)明方法控制過(guò)程中的轉(zhuǎn)速估計(jì)仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

邊緣粒子濾波英文為Marginalized particle filter，以下簡(jiǎn)稱MPF。

以下所述的電動(dòng)機(jī)均指永磁同步電動(dòng)機(jī)。

如圖1所示，本發(fā)明方法依賴的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是，包括數(shù)字信號(hào)控制器、驅(qū)動(dòng)逆變器和電動(dòng)機(jī)三大部分，分別如圖1中三個(gè)實(shí)線框所示，其中的數(shù)字信號(hào)控制器包括并列設(shè)置的A/D(即兩路模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC0和ADC1)和空間矢量調(diào)制(即六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器)；驅(qū)動(dòng)逆變器中包括三相全橋逆變器和不控整流，三相全橋逆變器通過(guò)不控整流與三相工頻電源連接；空間矢量調(diào)制(模塊)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)三相全橋逆變器給電動(dòng)機(jī)供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩相電流分別通過(guò)霍爾元件H0和H1測(cè)量和變換，結(jié)果分別通過(guò)ADC0和ADC1(接口)送入數(shù)字信號(hào)控制器進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制。

永磁同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段采用電流環(huán)開(kāi)環(huán)啟動(dòng)方式，此時(shí)邊緣粒子濾波計(jì)算的轉(zhuǎn)速并未加入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；當(dāng)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定參考值附近時(shí)，加入轉(zhuǎn)速反饋環(huán)。運(yùn)算過(guò)程概述如下：

電動(dòng)機(jī)的兩相電流通過(guò)霍爾元件和變換電路，送入A/D(模塊)中的ADC0和ADC1進(jìn)行采樣，采樣結(jié)果先送入CLARK變換(模塊)，得到α-β坐標(biāo)系下的電流i_α和i_β，再經(jīng)過(guò)PARK變換(模塊)得到dq軸系下的電流i_d和i_q，d軸電流i_d與直軸電流給定量i_dref作差后，通過(guò)直軸電流調(diào)節(jié)器得到u_d，q軸電流i_q與速度調(diào)節(jié)器輸出的i_qref作差后通過(guò)交軸電流調(diào)節(jié)器得到u_q，u_d與u_q經(jīng)過(guò)PARK反變換(模塊)得到α-β坐標(biāo)系下的電壓u_α與u_β，u_α與u_β再通過(guò)空間矢量調(diào)制得到6個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)三相全橋逆變器，控制電動(dòng)機(jī)的工作；另一路，經(jīng)過(guò)采樣計(jì)算得到的i_α和i_β與經(jīng)過(guò)PARK反變換得到的u_α和u_β，一起送入邊緣粒子濾波，經(jīng)過(guò)濾波估計(jì)算法得到電動(dòng)機(jī)角速度ω_e,t和電動(dòng)機(jī)角位置θ_e,t，將邊緣粒子濾波算法得到的轉(zhuǎn)速ω_e,t與參考轉(zhuǎn)速給定量ω_eref做差得到誤差信號(hào)通過(guò)速度調(diào)節(jié)器得到i_qref作為交軸電流參考值，電動(dòng)機(jī)角位置θ_e,t被送到PARK變換(模塊)和PARK反變換(模塊)作為電動(dòng)機(jī)角位置參與變換。

數(shù)字信號(hào)控制器的最優(yōu)型號(hào)選用TMS320F28335。

以下所述的邊緣粒子濾波算法是本發(fā)明方法采用的主要運(yùn)算方法。

本發(fā)明的方法，依賴于圖1所述的控制系統(tǒng)，按照以下步驟實(shí)施：

步驟1、初始化：設(shè)置ω_e,0為永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速初值，θ_e,0為永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置，P₀為卡爾曼濾波過(guò)程初始協(xié)方差，t＝1為初始化時(shí)刻；

實(shí)施例中，優(yōu)選初值ω_e,0＝0，P₀＝1，θ_e,0＝0，t＝1。

步驟2、在速度估計(jì)定時(shí)中斷到來(lái)時(shí)，t時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置θ_e,t由下式(1)計(jì)算得到：

θ_e,t＝θ_e,t-1+ω_e,t-1Δt， (1)

其中，θ_e,t為t時(shí)刻位置基準(zhǔn)值，θ_e,t-1為t-1時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置，ω_e,t-1為t-1時(shí)刻的永磁同步電動(dòng)機(jī)估計(jì)轉(zhuǎn)速，Δt為采樣時(shí)間；然后產(chǎn)生N個(gè)均勻分布在(θ_e,t-1,θ_e,t+1)上的隨機(jī)粒子，記為i＝1,...,N；

實(shí)施例中，上一時(shí)刻粒子濾波輸出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速分別為θ_e,t-1＝3.33rad，ω_e,t-1＝404.81rad/s，Δt＝0.0001s，由式(1)得到θ_e,t＝3.37，繼而得到N＝5個(gè)隨機(jī)粒子i＝1,...,N，本實(shí)施例中

步驟3、將θ_e,t和產(chǎn)生的N個(gè)粒子位置分別進(jìn)行dq軸坐標(biāo)變換，采用Clark變換式(2)、Park變換式(3)和(4)，分別得到dq軸電流、電壓的四個(gè)值i_d,i_q,u_d,u_q，以及每個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的四個(gè)估計(jì)值

i_ɑ、i_β分別是α-β坐標(biāo)系下的電流，i_B、i_C分別是霍爾元件H0和H1采樣得到的電動(dòng)機(jī)B相和C相電流值，i_A＝-(i_B+i_C)；

u_α,u_β分別是α-β坐標(biāo)系下的電壓值，利用公式(3)和公式(4)得到dq軸電流電壓的四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值i_d,i_q,u_d,u_q，θ_e,t分別取i＝1,...,N，代入公式(3)和(4)則可得到N個(gè)位置估計(jì)值各自對(duì)應(yīng)的四個(gè)估計(jì)值

本實(shí)施例中，位置基準(zhǔn)值θ_e,t對(duì)應(yīng)的相應(yīng)數(shù)值分別是：i_d＝1.58,i_q＝1.55,u_d＝31.80,u_q＝204.20，則上述的5個(gè)隨機(jī)粒子各自對(duì)應(yīng)的速度估計(jì)值得到的四個(gè)電流值、電壓值分別為：

步驟4、根據(jù)下面的三個(gè)表達(dá)式分別計(jì)算各個(gè)數(shù)值：

y_t＝[i_d,t-a_di_d,t-1-c_du_d,t-1,i_q,t-a_qi_q,t-1-c_qu_q,t-1]^T， (5)

其中，右上標(biāo)T是代表向量轉(zhuǎn)置；

y_t是基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的計(jì)算向量；

為y_t的第i個(gè)粒子的估計(jì)值，Cⁱ對(duì)應(yīng)第i個(gè)粒子的計(jì)算值，其中，常數(shù)

本實(shí)施例中，定子電阻R_s＝1.21Ω，定子電感在dq軸的分量L_sd＝L_sq＝14.28mH，永磁體磁鏈采樣周期Δt＝0.1ms；

根據(jù)上一步的實(shí)施例數(shù)值得到：y_t＝[0.13,-1.08]^T，C¹＝[-0.0001,-0.0027]^T，C²＝[0.0000,-0.0025]^T，C³＝[0.0001,-0.0025]^T，C⁴＝[-0.0002,-0.0026]^T，C⁵＝[-0.0001,-0.0028]^T。

步驟5、利用前面步驟得到的y_t,Cⁱ,ω_e,t-1,P_t-1數(shù)值，通過(guò)卡爾曼濾波得到和為第i個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速估計(jì)值，為第i個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的協(xié)方差，P_t-1為t-1時(shí)刻的協(xié)方差，

卡爾曼濾波的計(jì)算式見(jiàn)下式(6)：

其中，Kⁱ是卡爾曼增益，C^iT是第i個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的Cⁱ的轉(zhuǎn)置，ρⁱ為第i個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的計(jì)算值，r,Q分別為測(cè)量噪聲方差和過(guò)程噪聲方差，本實(shí)施例中取值為r＝0.05,Q＝0.1；

本實(shí)施例中計(jì)算得到，

步驟6、根據(jù)前面步驟得到的y_t,Cⁱ，分別計(jì)算每個(gè)粒子的權(quán)重，得到權(quán)重最大粒子的序號(hào)imax，滿足i＝1,2,...,N，權(quán)重計(jì)算表達(dá)式如下式(7)：

本實(shí)施例中，得到權(quán)重最大粒子的序號(hào)imax＝1，滿足i＝1,2,...,5。

步驟7、更新?tīng)顟B(tài)，即將同時(shí)更新，輸出永磁同步電動(dòng)機(jī)的估計(jì)轉(zhuǎn)速ω_e,t和轉(zhuǎn)子位置θ_e,t；

本實(shí)施例中，imax＝1，最終的數(shù)值分別為

步驟8、再次進(jìn)行更新，取t＝t+1，當(dāng)下一個(gè)速度估計(jì)定時(shí)中斷到來(lái)時(shí)，回到步驟2開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)，開(kāi)始新的周期。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將本發(fā)明方法應(yīng)用于永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，為了驗(yàn)證本發(fā)明控制方法的有效性設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用卡爾曼濾波方法來(lái)進(jìn)行控制。

圖2和圖3是參考轉(zhuǎn)速給定量為104rad/s狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)控制仿真結(jié)果；

圖2為采用卡爾曼濾波方法的仿真結(jié)果；

圖3為采用本發(fā)明均勻分布邊緣粒子濾波方法的仿真結(jié)果?？梢?jiàn)本文方法誤差更小，波動(dòng)也更小。

如表1所示，各種速度情況下分別進(jìn)行30次實(shí)驗(yàn)，得到本發(fā)明方法與卡爾曼濾波方法的對(duì)比結(jié)果。

如表2所示，幾種低速情況下分別進(jìn)行30次實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明方法與傳統(tǒng)正態(tài)分布粒子濾波方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1、本發(fā)明方法與卡爾曼濾波的估計(jì)精度對(duì)比

表2、本發(fā)明方法與傳統(tǒng)邊緣粒子濾波方法的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

通過(guò)表1和表2的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明方法比卡爾曼濾波和傳統(tǒng)邊緣粒子濾波的估算精度明顯提高。