[发明专利]一种用于永磁无刷直流电机角加速度估计的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电机转子角加速度估计方法，具体涉及一种用于永磁无刷直流电机角加速度估计的方法，属于永磁电机控制领域。

背景技术

角加速度是电机动态过程的一个重要表征量，与位置、速度等信息相比，角加速度更直接地反映了电机轴上的受力情况。将角加速度反馈应用于永磁无刷直流电机调速系统或位置伺服系统，可以提高电机控制的动态品质并抑制稳态时由外界扰动引起的转速或位置波动。如在调速系统中引入转速微分负反馈(即角加速度反馈)后，可使比例-积分(PI)调节器在转速达到给定之前退饱和，从而抑制甚至消除单独使用PI调节器时产生的转速超调。

实现角加速度反馈的关键与难点在于加速度信息的实时获取，就其获取方法而言，主要有直接测量和间接计算两种。直接测量需要用到角加速度传感器，但是角加速度传感器检测原理复杂且价格昂贵，量测噪声也无法避免，而且很多场合由于体积的限制，无法再增加额外的传感器件，这些因素都限制了直接测量法的应用。间接计算利用角度、速度和角加速度之间的线性关系，先由位置传感器测得电机角度，之后利用二阶数值微分或状态观测器计算角加速度。由于数值微分容易放大高频干扰，采样时间越短，干扰越大，故实际应用需要加入低通滤波器以抑制高频干扰，这就不可避免地引入了时间延迟，缩小了角加速度反馈的响应频带。采用状态观测器的方法，如卡尔曼滤波器计算电机角加速度，将电机角度、速度和角加速度作为状态变量，构建离散状态空间方程，之后利用迭代方法进行状态估计，被估计的状态在协方差最小化的意义上是最优的，取得了较二阶数值微分更好的效果。

角加速度计算的现有技术都需要准确的位置信息，并且对位置信号的分辨率有较高的要求，通常采用高精度光电编码器检测电机转子位置。而永磁无刷直流电机常用的霍尔位置传感器分辨率低，每360°电角度范围内只产生6个位置信号，这样角加速度值每隔60°电角度才能更新一次，而且计算得到的角加速度是60°范围内的平均值，角加速度信息的实时性受到很大影响。此外，由于制作工艺或安装方面的问题，霍尔位置传感器输出信号常出现不对称的情况，即相邻两个位置信号间的间隔不是准确的60°电角度。这样即使恒速情况下，由霍尔位置传感器计算得到的速度和角加速度值都会出现波动。为消除位置信号不对称的影响，需要加入滤波器，但由于不同电机的霍尔位置传感器的不对称情况不尽相同，滤波器设计需针对特定情况进行，不仅繁琐而且引入了相移，因此利用现有技术较难准确地计算永磁无刷直流电机的角加速度值。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种用于永磁无刷直流电机角加速度估计的方法，其利用反电势中包含的位置信息估算永磁无刷直流电机角加速度，解决了现有技术中永磁无刷直流电机角加速度计算受霍尔位置传感器加工精度影响和分辨率制约，导致的计算结果延迟大、准确性差的问题。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种用于永磁无刷直流电机角加速度估计的方法，其是利用无刷直流电机反电势中包含的位置信息估算电机的角加速度，包括以下步骤：

(1)根据αβ坐标系下无刷直流电机的状态空间方程建立滑模状态观测器，对无刷直流电机反电势在αβ坐标系下的两个分量e_α、e_β进行观测，得到反电势观测值

(2)将观测到的反电势值通过带通滤波器进行滤波，滤除反电势观测值的直流偏置和5次及以上的奇数频次高频分量，得到反电势观测值的滤波值

(3)采用如下公式，对反电势观测值的滤波值进行归一化处理：