[发明专利]一种基于卡尔曼滤波的曳引式电机速度和负载转矩观测器及观测方法

权利要求书

1.一种基于卡尔曼滤波的曳引式电机速度和负载转矩观测器，所述曳引式电机分为永磁同步电机或者感应式异步电机，其特征在于：

1)对于永磁同步电机而言，基于卡尔曼滤波的曳引式电机速度和负载转矩观测器采用如下空间方程表示：

x_k＝Ax_k-1+Bu_k-1+w_k-1

z_k＝Hx_k+v_k

其中:A为状态转移矩阵，x为状态变量，B为输入矩阵，u为输入信号矩阵，u_k-1为前一输入信号矩阵，w为过程噪声指控制系统本身引入的噪声矩阵，服从期望为0，协方差为Q的高斯分布，即w～P(0，Q)，w_k-1为前一周期过程噪声矩阵，z为真实的传感器测量值，z_k为此时的传感器测量值，H为观测矩阵，v为测量噪声，服从期望为0，协方差为R的高斯分布,即v～P(0，R)，v_k为前一周期的测量噪声矩阵；

其中，x_k表示当前状态矩阵，x_k-1表示前一周期状态矩阵，ω_m(k)为当前曳引系统角速度,ω_m(k-1)为前一周期曳引系统角速度，T_L(k)为当前曳引系统负载转矩，T_L(k-1)为前一周期曳引系统负载转矩，A表示状态转移矩阵，B为输入矩阵，B_μ为曳引系统阻尼系数，T_s为采样周期，J为曳引系统转轴侧的转动惯量(Moment of Inertia)，p为极对数，是永磁体磁链，

1)对于感应式异步电机而言，基于卡尔曼滤波的曳引式电机速度和负载转矩观测器采用如下空间方程表示：

x_k＝Ax_k-1+Bu_k-1+w_k-1

z_k＝Hx_k+v_k

其中:A为状态转移矩阵，x为状态变量，B为输入矩阵，u为输入信号矩阵，u_k-1为前一输入信号矩阵，w为过程噪声指控制系统本身引入的噪声矩阵，服从期望为0，协方差为Q的高斯分布，即w～P(0，Q)，w_k-1为前一周期过程噪声矩阵，z为真实的传感器测量值，z_k为此时的传感器测量值，H为观测矩阵，v为测量噪声，服从期望为0，协方差为R的高斯分布,即v～P(0，R)，v_k为前一周期的测量噪声矩阵；

其中:x_k表示当前状态矩阵，x_k-1表示前一周期状态矩阵，ω_m(k)为当前曳引系统角速度,ω_m(k-1)为前一周期曳引系统角速度，T_L(k)为当前曳引系统负载转矩，T_L(k-1)为前一周期曳引系统负载转矩，A表示状态转移矩阵，B为输入矩阵，B_μ为曳引系统阻尼系数，T_s为采样周期，J为曳引系统转轴侧的转动惯量(Moment of Inertia)，p为极对数，n为减速比，L_m是等效互感，L_r是转子侧的等效电感，i_d在基频以下调速时一般表示额定转速时的空载电流，作为直轴指令电流。

2.一种基于卡尔曼滤波的曳引式电机速度和负载转矩观测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)初始化步骤

依据如下方程进行初始化：ω_m(0)＝0，i_q(0)＝0，T_L(0)＝k，P₀＝I，其中：ω_m(0)为初始化时的曳引系统角速度，i_q(0)为初始化时的交轴电流，T_L(0)为初始化时的曳引系统负载转矩，P₀为2×2的初始化先验估计误差的协方差,k为初始化称重值，I为2×2的单位矩阵；

对于估计噪声和测量噪声的协方差矩阵Q和R，均为2×2的矩阵，其成员值依据实际系统模型和传感器特性确定；

当k＝1时，进行第一次迭代(iteration)，计算先验估计值其中表示第一次迭代的先验估计值，为2×1的矩阵；

计算初始先验误差协方差矩阵

其中，表示第一次迭代的先验估计误差的协方差矩阵，A表示状态转移矩阵，A^T表示状态转移矩阵的转置，Q表示过程噪声的协方差矩阵，A和均为2×2的矩阵；

计算初始卡尔曼增益(Kalman Gain)

其中，K₁表示初始卡尔曼增益，H^T表示观测矩阵的转置，R表示测量噪声的协方差矩阵，

K₁是2×2的矩阵；

2)预测步骤

计算先验估计值(Priori Estimated Values)

其中表示当前先验估计值，表示前一周期后验估计值，A表示状态转移矩阵，B表示输入矩阵，和B均为2×1的矩阵；

当采用永磁同步电机时，

其中，B_μ表示曳引系统阻尼系数，T_s为采样周期，J为曳引系统转轴侧的转动惯量(Moment of Inertia)，p为极对数，是永磁体磁链；

当采用感应式异步电机时，

其中，B_μ表示曳引系统阻尼系数，T_s为采样周期，J为曳引系统转轴侧的转动惯量(Moment of Inertia)，p为极对数，n为减速比，L_m是等效互感，L_r是转子侧的等效电感，i_d一般表示额定转速时的空载电流，作为直轴指令电流；

计算先验误差协方差矩阵

其中，表示当前先验估计误差协方差矩阵，|P_k-1表示前一周期后验估计误差的协方差矩阵，和P_k-1均为2×2的矩阵；

3)校正步骤

计算卡尔曼增益

其中，K_k表示卡尔曼增益，K_k是2×2的矩阵，求逆运算量不复杂；

计算后验估计值

其中，表示当前后验估计矩阵，z_k表示当前测量矩阵，是2×1的矩阵，为残差矩阵；

更新后验估计误差协方差矩阵

其中，P_k表示当前后验估计误差的协方差矩阵，P_k是2×2的矩阵；

进入下一周期(步骤4.2)的迭代，本周期下标为k的矩阵进入下一周期后改为k-1；

4)收敛步骤

设定一收敛时间t，达到该收敛时间t后得到的中的成员即为电机速度和负载转矩的观测值，分别用于电梯系统的起动时的速度控制和前馈补偿预置转矩电流。