一种基于信号重构和离散ESO的角位置获取方法技术

一种基于信号重构和离散ESO的角位置获取方法，ESO即扩张状态观测器，针对基于线性霍尔传感器获取角位置信息的低速、时变速系统，首先对两路线性霍尔传感器信号归一化处理以消除信号幅值不等的影响，得到了幅值为1的两路信号；其次对所述两路信号进行信号重构以得到抑制了大部分谐波量的正余弦信号；最后针对残余误差和未考虑到的系统误差等因素的影响采用离散ESO方法，得到满足精度要求的角位置信息。息。息。

【技术实现步骤摘要】
一种基于信号重构和离散ESO的角位置获取方法


[0001]本专利技术涉及电机控制技术，具体涉及一种基于信号重构和离散ESO的角位置获取方法，ESO即扩张状态观测器，针对基于线性霍尔传感器获取角位置信息的低速、时变速系统，首先对两路线性霍尔传感器信号归一化处理以消除信号幅值不等的影响，得到了幅值为1的两路信号；其次对所述两路信号进行信号重构以得到抑制了大部分谐波量的正余弦信号；最后针对残余误差和未考虑到的系统误差等因素的影响采用离散ESO方法，得到满足精度要求的角位置信息。

技术介绍

[0002]框架伺服电机的设计中受限于航天器总体的体积、重量和成本的限制，采用了谐波减速器来达到增大输出力矩同时减小电机体积的目的。然而谐波减速器的非线性传输特性使得电机端和负载端的角位置无法保持固定的比例关系，负载端角位置信息无法直接转换用于电机端的控制中，因此需要在电机端安装角位置传感器。线性霍尔传感器体积小、质量轻、成本低且角位置解析精度也能够满足框架伺服控制中对角位置精度的要求，因此框架伺服电机采用线性霍尔传感器来获取角位置信息。
[0003]理想状态时电机在加工装配时需要严格选材的永磁体、理想的结构设计、传感器无零漂等条件，才能保证线性霍尔传感器检测电机内磁场时得到比较理想的信号，直接解析的角位置信息精度也比较高。然而上述操作周期较长、耗费的人力和物力也较多，其理想条件很难完全满足。为了能够满足普适性，所用电机为普通的永磁同步伺服电机，上述理想情况并没有全部达到，因此线性霍尔传感器在电机内检测到的磁场中含有大量谐波，幅值也并不相等。目前采用线性霍尔传感器解析角位置大多应用在中高速电机中，根据基频信息进行信号提取。因此在低速、时变速状态下从线性霍尔传感器检测到的信号中提取满足精度要求的角位置信息是一个必须解决的难题。直接解算得到的角位置精度是远远达不到框架系统伺服电机的要求，必须进行处理。而已有关于线性霍尔检测位置信息的研究大多集中于中高速系统中，如同频信号提取法、正交PLL(phase Locked Loop，锁相环)等，这些方法在正常工作时基于所处理信号的基频信息，而框架伺服系统常工作于稳速和变速状态，当其系统处于时变速状态时是无法提供基频信息的，因此如同频信号提取法等无法应用到框架伺服系统中。
[0004]线性霍尔传感器的工作原理是检测磁场强度，将磁信号转换为电信号送到控制器中来得到角位置信息。但线性霍尔传感器检测到的磁场信号非常容易受到干扰，导致检测信号并不是标准正余弦信号，最终得到的角位置解析精度降低。用带有相位补偿的级联卡尔曼滤波方法实现了信号谐波的抑制，提高了角位置精度。通过进一步深入分析，本专利技术人为解决级联卡尔曼滤波的参数不易调节的问题，提出了一种基于信号重构和离散扩张状态观测器(Extended state observer ESO)的方法，首先对两路信号归一化处理消除了信号幅值不等的影响，得到了幅值为“1”的两路信号；其次对其进行信号重构，抑制了大部分的谐波量，得到了比较标准的正余弦信号；最后针对残余误差和未考虑到的系统误差等因素
的影响采用离散扩张状态观测器的方法，得到了能够满足精度要求的角位置信息。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于信号重构和离散ESO的角位置获取方法，ESO即扩张状态观测器，针对基于线性霍尔传感器获取角位置信息的低速、时变速系统，首先对两路线性霍尔传感器信号归一化处理以消除信号幅值不等的影响，得到了幅值为1的两路信号；其次对所述两路信号进行信号重构以得到抑制了大部分谐波量的正余弦信号；最后针对残余误差和未考虑到的系统误差等因素的影响采用离散ESO方法，得到满足精度要求的角位置信息。
[0006]本专利技术的技术解决方案如下：
[0007]一种基于信号重构和离散ESO的角位置获取方法，其特征在于，包括下列步骤：
[0008]步骤1，对来自框架伺服电机角位置检测的两路线性霍尔传感器信号归一化处理以消除信号幅值不等的影响，得到幅值为1的两路信号；
[0009]步骤2，对所述两路信号进行信号重构以得到抑制了大部分谐波量的正余弦信号；
[0010]步骤3，针对残余误差和未考虑到的系统误差因素的影响，采用离散扩张状态观测器方法，得到能够满足精度要求的角位置信息。
[0011]所述步骤1包括将两路线性霍尔传感器信号的信息重新定义为：
[0012][0013]式(1)中，H
s
表示检测到的正弦信号，H
c
表示检测到的余弦信号，α和β表示两路线性霍尔传感器输出信号的幅值大小，并且α≠β，θ(k)为电机转子电角度位置，A
i
和B
i
表示各谐波幅值大小，且i＝3,5,7,9，k表示离散时刻点，虽然式(1)给出了各阶次谐波相对于基频的幅值大小，但是幅值不等的问题依然存在，并且会对后续算法的执行造成不便，因此先将得到后的信号进行归一化处理，得到幅值相等的信号；
[0014][0015]式(2)中，θ
det
表示直接解析得到的角位置，H
s_1
和H
c_1
分别表示归一化后的正弦信号和余弦信号；
[0016]由于原始信号的系数可以近似获得，因此归一化后信号的系数也可获得，表示为：
[0017][0018]式(3)中，C
i
表示各谐波幅值大小，且i＝3,5,7,9，结合式(1)和式(2)，θ为电机转子理想的电角度位置，得到：
[0019]C
i
＝0.086 0.084 0.0075 0.014
ꢀꢀ
(4)。
[0020]所述步骤2中的信号重构包括：检测信号在低速时各阶次谐波幅值与基频幅值相对大小关系基本不变的性质的基础上进行信号重构，具体步骤为：
[0021]根据多项式公式(5)，可以将各阶次谐波表示成基频的函数如下：
[0022]sinnθ(k)＝fsinθ(k)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0023]式(5)中，n表示谐波的阶次，n为正整数，f为函数符号；
[0024]根据如下公式(6)对信号进行重构：
[0025][0026]式(6)中H
s_2
表示重构后得到的信号，f(
·
)和f1(
·
)表示关于基频信号的两个函数，经过信号重构处理后得到的信号谐波含量大幅减少，角位置精度相比于最初的角位置精度已提高不少，但是0.04rad的角位置误差依然无法满足要求，因此信号重构后的正弦信号重新表示为：
[0027]H
s_2
(k)＝sin[θ(k)]+G[θ(k)]ꢀꢀꢀ
(7)
[0028]式(7)中，G[θ(k)]表示信号中的残余误差。
[0029]所述步骤3中包括以下具体步骤：
[0030]由于框架伺服系统常工作于低速、时变速状态，所以无法获取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于信号重构和离散ESO的角位置获取方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1，对来自框架伺服电机角位置检测的两路线性霍尔传感器信号归一化处理以消除信号幅值不等的影响，得到幅值为1的两路信号；步骤2，对所述两路信号进行信号重构以得到抑制了大部分谐波量的正余弦信号；步骤3，针对残余误差和未考虑到的系统误差因素的影响，采用离散扩张状态观测器方法，得到能够满足精度要求的角位置信息。2.根据权利要求1所述的基于信号重构和离散ESO的角位置获取方法，其特征在于，所述步骤1包括将两路线性霍尔传感器信号的信息重新定义为：式(1)中，H
s
表示检测到的正弦信号，H
c
表示检测到的余弦信号，α和β表示两路线性霍尔传感器输出信号的幅值大小，并且α≠β，θ(k)为电机转子电角度位置，A
i
和B
i
表示各谐波幅值大小，且i＝3,5,7,9，k表示离散时刻点，虽然式(1)给出了各阶次谐波相对于基频的幅值大小，但是幅值不等的问题依然存在，并且会对后续算法的执行造成不便，因此先将得到后的信号进行归一化处理，得到幅值相等的信号；式(2)中，θ
det
表示直接解析得到的角位置，H
s_1
和H
c_1
分别表示归一化后的正弦信号和余弦信号；由于原始信号的系数可以近似获得，因此归一化后信号的系数也可获得，表示为：式(3)中，C
i
表示各谐波幅值大小，且i＝3,5,7,9，结合式(1)和式(2)，θ为电机转子理想的电角度位置，得到：C
i
＝0.086 0.084 0.0075 0.014
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(4)。3.根据权利要求1所述的基于信号重构和离散ESO的角位置获取方法，其特征在于，所述步骤2中的信号重构包括：检测信号在低速时各阶次谐波幅值与基频幅值相对大小关系基本不变的性质的基础上进行信号重构，具体步骤为：根据多项式公式(5)，可以将各阶次谐波表示成基频的函数如下：sin nθ(k)＝f sinθ(k)
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(5)式(5)中，n表示谐波的阶次，n为正整数，f为函数符号；根据如下公式(6)对信号进行重构：
式(6)中H
s_2
表示重构后得到的信号，f(
·
)和f1(
·
)表示关于基频信号的两个函数，经过信号重构处理后得到的信号谐波含量大幅减少，角位置精度相比于最初的角位置精度已提高不少，但是0.04rad的角位置误差依然无法满...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋欣达，刘博，史阳阳，李海涛，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：