电机转速软测量方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电机转速软测量方法和系统，由数据采集模块、数据检测决策单元、电机模型参数动态辨识模块和直流电机转速软测量模块组成，实时采集直流电机的各种运行数据，在数据检测决策模块以及电机转速软测量模块中均采用双路并行的方式进行多重计算，并在计算后利用模糊逻辑理论以及统计学理论给出合理的置信度。通过上述方式，本发明专利技术电机转速软测量方法和系统，能够形成一套完整的闭环系统，通过闭环矫正结构保证数据检测、模型参数辨识以及转速软测量的精度，在每个功能模块内部，进行两条计算回路并行、统计置信度计算的方式，保证计算精度。保证计算精度。保证计算精度。

【技术实现步骤摘要】
电机转速软测量方法和系统


[0001]本专利技术涉及直流电机转速软测量领域，特别是涉及一种电机转速软测量方法和系统。

技术介绍

[0002]直流电机具有高效率、高功率以及良好的调速性能等优点，使得其在航天航空、数据机床、机器人、电动汽车以及家用设备中得到越来越多的应用。然而目前受限于越来越小的安装空间、越来越低成本的控制维护需求、复杂多变的工作环境等使得直流电机向简易化、小型化趋势发展，减少传感器的布置数量成为目前直流电机降成本、轻量化、简易化的一个重要发展思路。
[0003]目前，直流电机的重要参数检测设备有电流检测、电压检测、转速检测等。其中电流检测以及电压检测等电气信号检测设备集成度以及检测精度均相对较高。因此通过软测量的方式实现直流电机转速的高精度估算是去除转速检测设备，降低成本的主要思路。然而，转速的软测量精度受到直流电机电流、电压以及电机内部参数等相关量精度的直接影响，即直流电机电流、电压信号污染问题以及电机内部参数时变问题均为阻碍直流电机转速软测量的精度。因此直接利用直流电机电流、电压等信号以及电机铭牌上的参数进行电机转速软测量，其精度必将大打折扣。因此我们有必要设计一套完整的，能够在各种复杂环境下保证直流电机转速软测量精度的架构以及一套架构运行机制。

技术实现思路

[0004]本专利技术主要解决的技术问题是提供一种电机转速软测量方法和系统，能够形成一套完整的闭环系统，通过闭环矫正结构保证数据检测、模型参数辨识以及转速软测量的精度，在每个功能模块内部，进行两条计算回路并行、统计置信度计算的方式，保证计算精度。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种电机转速软测量方法，包括以下步骤：a．将数据采集模块与直流电机连接，实时采集直流电机的电枢电流和电压信号，并将采集得到的信号输出至数据检测决策模块；b．数据检测决策模块根据数据采集模块得到电流和电压信号，对输入的电流和电压信号进行异常检测与去噪处理，计算出电机中枢电压计算值并与数据采集模块采集得到的电机电枢电压值的残差统计量判断电机中枢电流信号的质量，最后进行最终采集数据质量的决策，并将决策结果传输给电机转速软测量模块；c．电机转速软测量模块根据数据检测决策模块的数据对数据检测结论的置信度进行模糊矩阵查表，得出电机转速估算的初始权重值，通过数据检测决策模块的数据利用自适应无迹卡尔曼滤波算法得到电机转速软测量值再通过电机转速模型公式计算电机转速的预测值，根据上述两个数值进行置信度调整以及计算度加权计算得到最终的电机转速软测量结果，并将结果输出至电机模型参数动态辨识模块；d．电机模型参数动态辨识模块根据数据检测决策模块的输出结论以及电机转速软测量模块的输出结果对电机模型参数进行在线更新。
[0006]在本专利技术一个较佳实施例中，所述步骤a中首先数据检测决策模块的数据检测计算单元通过线性AR模型或者在线迭代小波分解与极大值原理方式实现直流电机电流电压信号的异常检测与去噪，将电机电枢电流视为时间序列，首先利用自回归AR模型对其进行回归拟合，AR模型如下：其中为AR模型系数，并利用小波分解以及模极大值原理实现残差序列的检测，以此判断数据采集模块采集得到的电机中枢电流信号的质量；然后数据检测决策模块的电机电气模型计算单元利用电机电气模型输出的电枢电压计算值与数据采集模块采集得到的电机电枢电压值的残差统计量判断电机中枢电流信号的质量，直流电机的电气模型如下：直流电机的电气模型如下：其中表示由电机电气模型计算得到的电枢电压值；为直流电机电枢电压计算函数；为电机电气模型计算得到的电机转速值；为直流电机转速计算函数；为直流电机摩擦及负载扭矩计算函数；表示直流电机的电枢电流；表示采样数据个数。
[0007]电机电气模型计算单元负责利用数据采集模块采集得到的实时直流电机电流,通过上述公式计算得到一个电机中枢电压计算值.进一步计算偏差值：；电机电气模型如下公式：其中，为数据采集模块采集的直流电机电流、电压信号；，为电机电枢电阻和电感；(为电势常量，为磁通量)，（为转矩常量），为摩擦和负载扭矩；为转速惯量。
[0008]将公式离散化为：
其中表示电机中枢电压计算残差和电机转速计算残差；最后数据检测决策模块的第一置信度计算单元根据上述两个计算输出的结果进行归一化，并利用统计学下的模糊矩阵给出数据检测决策模块对于采集数据质量的模糊判断等级，依据采集数据质量的模糊判别等级，设置其置信度值，同时依据下式，计算数据检测决策模块输出的修正后的采集数据和置信度，策模块输出的修正后的采集数据和置信度，策模块输出的修正后的采集数据和置信度，策模块输出的修正后的采集数据和置信度，其中，分别表示模型估计数据的可信概率以及采集数据的可信概率；为置信度值，依据图2的模糊矩阵等级确定；表示修正后的数据；，分别表示采集数据值以及估计数据值。
[0009]在本专利技术一个较佳实施例中，所述步骤b中电机转速软测量模块的逻辑决策单元根据数据检测计算单元和电机电气模型计算单元的数据检测结论的置信度进行模糊矩阵查表，给出电机转速软测量计算单元和电机转速模型计算单元对电机转速估算的初始权重值；电机转速软测量模块的电机转速软测量计算单元，依据数据检测决策模块中置信度计算单元给出的修正后的采集数据利用自适应无迹卡尔曼滤波算法实现电机转速的软测量，电机转速状态方程如下：电机转速状态方程如下：其中公式（4）为状态方程，为状态方程函数，表示状态误差；公式（5）为观测方程，为观测方程函数，表示观测误差，预测结果表示为；电机转速软测量模块的电机转速模型计算单元依据数据检测决策模型中的第一置信度计算单元给出的修正后的采集数据利用电机转速模型公式计算电机转速的模型计算结果，预测结果表示为。
[0010]电机转速软测量模块的第二置信度计算单元根据和进行置信度调整以及计算度加权计算得到最终的电机转速软测量结果，按照如下公式调整逻辑决策单元设定的初始权重值：公式调整逻辑决策单元设定的初始权重值：公式调整逻辑决策单元设定的初始权重值：进一步，依据调整后的权重值，计算本专利技术最终估算出来的电机转速软测量结果：。
[0011]在本专利技术一个较佳实施例中，所述电机模型参数动态识别模块的电机参数辨识单元利用数据检测决策模块的输出结论以及电机转速软测量模块的输出结论对电机模型参数进行在线更新，需要在线更新的参数为：，分别代表电机电枢电阻、电机电枢电感、(为电势常量，为磁通量)，（为转矩常量），为转速惯量。
[0012]为解决上述技术问题，本专利技术采用的另一个技术方案是：提供一种电机转速软测量系统，包括数据采集模块、数据检测决策模块、电机转速软测量模块和电机模型参数动态识别模块；所述数据采集模块的输入端与直流电机连接，输出端与数据检测模块的输入端连接，实时采集直流电机的电流和电压信号，并将采集得到的信号输出至数据检测决策模块；所述数据检测决策模块的输出端与电机转速软测量模块和电机模型参数动态辨识模块的输入端相连接，数据检测决策模块包括数据检测计算单元、电机电气模型计算单元和第一置信度计算单元，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电机转速软测量方法，其特征在于，包括以下步骤：a．将数据采集模块与直流电机连接，实时采集直流电机的电枢电流和电枢电压信号，并将采集得到的信号输出至数据检测决策模块；b．数据检测决策模块根据数据采集模块得到电流和电压信号，对输入的电流和电压信号进行异常检测与去噪处理，计算出电机中枢电压计算值并与数据采集模块采集得到的电机电枢电压值的残差统计量判断电机中枢电流信号的质量，最后进行最终采集数据质量的决策，并将决策结果传输给电机转速软测量模块；c．电机转速软测量模块根据数据检测决策模块的数据对数据检测结论的置信度进行模糊矩阵查表，得出电机转速估算的初始权重值，通过数据检测决策模块的数据利用自适应无迹卡尔曼滤波算法得到电机转速软测量值再通过电机转速模型公式计算电机转速的预测值，根据上述两个数值进行置信度调整以及计算度加权计算得到最终的电机转速软测量结果，并将结果输出至电机模型参数动态辨识模块；d．电机模型参数动态辨识模块根据数据检测决策模块的输出结论以及电机转速软测量模块的输出结果对电机模型参数进行在线更新。2.根据权利要求1所述的电机转速软测量方法，其特征在于，所述步骤a中首先数据检测决策模块的数据检测计算单元通过线性AR模型或者在线迭代小波分解与极大值原理方式实现直流电机电流电压信号的异常检测与去噪，将电机电枢电流视为时间序列，首先利用自回归AR模型对其进行回归拟合，AR模型如下：其中为AR模型系数，并利用小波分解以及模极大值原理实现残差序列的检测，以此判断数据采集模块采集得到的电机中枢电流信号的质量；然后数据检测决策模块的电机电气模型计算单元利用电机电气模型输出的电枢电压计算值与数据采集模块采集得到的电机电枢电压值的残差统计量判断电机中枢电流信号的质量，直流电机的电气模型如下：直流电机的电气模型如下：其中表示由电机电气模型计算得到的电枢电压值；为直流电机电枢电压计算函数；为电机电气模型计算得到的电机转速值；为直流电机转速计算函数；为直流电机摩擦及负载扭矩计算函数；表示直流电机的电枢电流；表示采样数据个数；电机电气模型计算单元负责利用数据采集模块采集得到的实时直流电机电流,通过上述公式计算得到一个电机中枢电压计算值.进一步计算偏差值：
；电机电气模型如下公式：其中，为数据采集模块采集的直流电机电流、电压信号；，为电机电枢电阻和电感；(为电势常量，为磁通量)，（为转矩常量），为摩擦和负载扭矩；为转速惯量；将公式离散化为：其中表示电机中枢电压计算残差和电机转速计算残差；最后数据检测决策模块的第一置信度计算单元根据上述两个计算输出的结果进行归一化，并利用统计学下的模糊矩阵给出数据检测决策模块对于采集数据质量的模糊判断等级，依据采集数据质量的模糊判别等级，设置其置信度值，同时依据下式，计算数据检测决策模块输出的修正后的采集数据和置信度，策模块输出的修正后的采集数据和置信度，策模块输出的修正后的采集数据和置信度，策模块输出的修正后的采集数据和置信度，其中，分别表示模型估计数据的可信概率以及采集数据的可信概率；为置信度值，依据图2的模糊矩阵等级确定；表示修正后的数据；，分别表示采集数据值以及估计数据值。3.根据权利要求2所述的电机转速软测量方法，其特征在于，所述步骤b中电机转速软测量模块的逻辑决策单元根据数据检测计算单元和电机电气模型计算单元的数据检测结论的置信度进行模糊矩阵查表，给出电机转速软测量计算单元和电机转速模型计算单元对电机转速估算的初始权重值；
电机转速软测量模块的电机转速软测量计算单元，依据数据检测决策模块中置信度计算单元给出的修正后的采集数据利用自适应无迹卡尔曼滤波算法实现电机转速的软测量，电机转速状态方程如下：电机转速状态方程如下：其中公式（4）为状态方程，为状态方程函数，表示状态误差；公式（5）为观测方程，为观测方程函数，表示观测误差，预测结果表示为；电机转速软测量模块的电机转速模型计算单元依据数据检测决策模型中的第一置信度计算单元给出的修正后的采集数据利用电机转速模型公式计算电机转速的模...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦长平，刘芳，
申请(专利权)人：常州匠心独具智能家居股份有限公司，
类型：发明
国别省市：