本發(fā)明涉及一種基于最小二乘分類測速的有刷直流電機調(diào)速方法。

背景技術(shù)：

當有刷直流電機工作時，電源通過電刷、電樞換向器向電機轉(zhuǎn)子的繞組提供電流，在內(nèi)部定子磁場的作用下，轉(zhuǎn)子繞組開始旋轉(zhuǎn)，并帶動電樞換向器一起轉(zhuǎn)動，使得轉(zhuǎn)子電流與磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向一定。由于直流電機存在機械換向不平滑的問題，導(dǎo)致電機的電樞電路上電流存在周期性紋波。繞組元件從一個支路經(jīng)過電刷進入另一個支路時，元件中電流方向發(fā)生了改變，由于電機旋轉(zhuǎn)一周，換向的次數(shù)也是一定的，所產(chǎn)生的電流紋波頻率與電機的轉(zhuǎn)速存在一定的關(guān)系，因此可通過換向紋波的頻率得到其轉(zhuǎn)速。實際電流中包含很多噪聲，來自電機本身，電源噪聲，或者電感耦合，這些噪聲會影響電流的波形。

測量換向紋波的頻率便可得到其轉(zhuǎn)速。因此有人提出采樣時間確定，檢測過零點的個數(shù)便可計算交流頻率，實際電流中包含很多噪聲會影響過零點判斷的正確率。針對有刷直流電機電流存在諸多噪聲，許多學(xué)者對檢測方法進行了一系列的改進。有人將過零點比較法和動態(tài)模型估計法相結(jié)合，動態(tài)模型估計所得的有刷直流電機轉(zhuǎn)速與電流紋波周期有關(guān)。通過估計周期限定兩個連續(xù)過零點的間隔時間，兩個連續(xù)過零點的間隔時間太短，后一個過零點被過濾，若兩個連續(xù)過零點的間隔時間太長，則添加一個過零點。上述方法與模型估計一樣具有參數(shù)變化問題，影響控制精度。若進一步改進地采用動態(tài)參數(shù)估計，但會得出一個復(fù)雜的非線性模型，需要非常大計算花費來滿足，并且采用這個方法構(gòu)建模型需要同時檢測電機電流和電壓，要再添加一個ad轉(zhuǎn)換器，增加系統(tǒng)成本。電流檢測模塊必須同時具備結(jié)構(gòu)簡單和精度較高的優(yōu)點，才能使電機測速系統(tǒng)性能的進一步提高，且有的電流波形受干擾影響，整體下掉，不會產(chǎn)生過零點，因此采取電流尖峰來確定頻率更為可靠。最小二乘分類能在保證較高的準確率的同時，將計算量最大限度減小，將其應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中如dsp能夠滿足。迄今為止，采用最小二乘電流分類器測速的有刷直流電機無傳感器調(diào)速尚未出現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于最小二乘分類測速的有刷直流電機調(diào)速方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的確缺陷。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于最小二乘分類測速的有刷直流電機調(diào)速方法，按照如下步驟實現(xiàn)：

步驟s1：記有刷直流電機初始轉(zhuǎn)速為speed*，在有刷直流電機啟動階段電機控制采用bang-bang控制，啟動階段完成后，進入調(diào)速階段，電機控制切換為pid控制；

步驟s2：通過一最小二乘分類器檢測有刷直流電機輸出脈沖，且該最小二乘分類器的判別函數(shù)為：

g(x(k))=ω·x(k)；

若g(x(k))>=0，則y(k)=1；

若g(x(k))<0，則y(k)=0；

其中，ω為最小二乘分類器的權(quán)值，x(k)為特征向量，y(k)為分類器布爾值輸出；x(k)為：x(k)=p(y(k-1),...,y(k-n),i(k),...,i(k-n))，i(k),…,i(k-n)和y(k),…,y(k-n)分別為最小二乘分類器第k時刻的電流輸入和分類輸出，i(k)為電流值，y(k)為分類結(jié)果，n為輸入和輸出的拍數(shù)；

步驟s3：采樣并保留p拍的電流輸入信號{i(k-1),…,i(k-p)}，將電流按是否為尖峰分為兩類，并用布爾值表示；記輸入為{i(k),…,i(k-n+1)}，若為尖峰輸出，則記為y(k)=1，若非尖峰輸出，則記為y(k)=0；將p拍的電流輸入信號{i(k),…,i(k-p+1)}和p拍的輸出信號{y(k),…,y(k-p+1)}作為訓(xùn)練樣本，通過最小二乘法訓(xùn)練獲得所述最小二乘分類器的權(quán)值ω；

步驟s4：在pid調(diào)速階段中，在線檢測并保留n拍的電流輸入信號{i(k),…,i(k-n+1)}和n拍的核嶺分類器輸出信號{y(k-1),…,y(k-n)}，并計算x(k)以及最小乘分類器的判別函數(shù)的輸出g(x(k))；

步驟s5：根據(jù)判決條件：

若g(x(k))>=0，則y(k)=1；

由于在采樣時間ts內(nèi)，對y(k)=1的事件計數(shù)，等價于對電流尖峰計數(shù)，則記計數(shù)值為pulse；

通過一轉(zhuǎn)速測量模塊計算電機轉(zhuǎn)速為：

speed=k*pulse*60/ts；

所述采樣時間ts：

ts=n/fs；

其中，k為與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例系數(shù)，pulse為在采樣時間ts內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)，n為采樣點數(shù)，fs為采樣頻率；

步驟s6：將所述轉(zhuǎn)速測量模塊輸出的轉(zhuǎn)速speed為速度反饋，輸入pid控制中，調(diào)節(jié)有刷直流電機轉(zhuǎn)速，對speed*進行跟蹤，實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）本發(fā)明利用最小二乘分類器對電流分類，用于估計轉(zhuǎn)速，最小二乘法對尖峰分類正確率較高，且線性分類器計算量很小，能在dsp的控制程序中實時計算，采用離線訓(xùn)練的方法，避免了在線的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和調(diào)整；

（2）本發(fā)明相比于其他無傳感器調(diào)速方法，只需要電流采樣，節(jié)省硬件開銷，結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高，測量方法參數(shù)不需要在線實時調(diào)節(jié)；

（3）有效改善了有刷直流電機的測速精度，可應(yīng)用于工程實踐當中。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例中一種基于最小二乘分類測速的有刷直流電機調(diào)速方法的結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明一實施例中最小二乘分類器結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明一實施例中電流尖峰分類示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行具體說明。

本發(fā)明提供一種基于最小二乘分類測速的有刷直流電機調(diào)速方法，采用最小二乘分類方法測量轉(zhuǎn)速只需提取電流紋波，該轉(zhuǎn)速可完全代替編碼器測量的轉(zhuǎn)速，反饋到pid控制器的輸入端，實現(xiàn)無傳感器調(diào)速。電機轉(zhuǎn)動一圈換向整流次數(shù)固定，換向產(chǎn)生電流紋波，電流紋波周期等于換向周期，每個紋波周期僅有一個尖峰，因此采樣時間確定，檢測尖峰的個數(shù)可計算轉(zhuǎn)速；基于最小二乘法的線性分類器，用來判別尖峰，分類結(jié)果用輸出的布爾值表示，通過該輸出計算電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無傳感器調(diào)速，如圖1所示，具體包括如下步驟：

步驟s1：如圖1所示，給定電機一個轉(zhuǎn)速speed*，電機調(diào)速范圍為3000r/min-8000r/min；啟動階段采用bang-bang控制，啟動時間過后進入調(diào)速范圍，切換為pid控制；以轉(zhuǎn)速測量模塊輸出的轉(zhuǎn)速speed為速度反饋，來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對speed*準確跟蹤；

步驟s2：如圖1所示，在本實施例中，將轉(zhuǎn)速測量模塊表示為：

speed=k*pulse*60/ts；

其中，k為與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例系數(shù)，pulse為在時間ts內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)；

ts=n/fs；

其中，n為采樣點數(shù)，fs為采樣頻率；

如圖1以及圖2所示，采用最小二乘分類器檢測電機輸出脈沖，判別函數(shù)：

g(x(k))=ω·x(k)；

若g(x(k))>=0，則y(k)=1；

若g(x(k))<0，則y(k)=0；

其中，ω為最小二乘分類器的權(quán)值，x(k)為特征向量，y(k)為分類器布爾值輸出；x(k)表示為：x(k)=p(y(k-1),...,y(k-n),i(k),...,i(k-n))，其中，i(k),…,i(k-n)和y(k),…,y(k-n)分別為分類器第k時刻的輸入和輸出，i(k)為電流值，y(k)為分類結(jié)果，n表示輸入和輸出的拍數(shù)；

步驟s3：采樣并保留p拍的電流輸入信號{i(k-1),…,i(k-p)}，把交流波形在時間軸上顯示出來，每個周期都只有一個尖峰，設(shè)計者確定尖峰的位置；將電流按是否為尖峰分為兩類，并用布爾值表示；假設(shè)輸入為{i(k),…,i(k-n+1)}，若為尖峰輸出，給定為y(k)=1，若非尖峰輸出，給定為y(k)=0；將p拍的電流輸入信號{i(k),…,i(k-p+1)}和p拍的輸出信號{y(k),…,y(k-p+1)}作為訓(xùn)練樣本，并采用最小二乘法來訓(xùn)練來獲得權(quán)值ω；

步驟s4：在實際pid調(diào)速系統(tǒng)中，在線檢測并保留n拍的電流輸入信號{i(k),…,i(k-n+1)}和n拍的核嶺分類器輸出信號{y(k-1),…,y(k-n)}，用于計算x(k)以及最小乘分類器判別函數(shù)輸出g(x(k))；

根據(jù)判決條件：

若g(x(k))>=0，則y(k)=1；

由于在采樣時間ts內(nèi)，對y(k)=1的事件計數(shù)，等價于對電流尖峰計數(shù)，則計數(shù)值為pulse，計算電機轉(zhuǎn)速為：

speed=k*pulse*60/ts，

ts=n/fs；

其中，k為與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例系數(shù)，pulse為在時間ts內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)，n為采樣點數(shù)，fs為采樣頻率；

步驟s5：在有刷直流電機pid調(diào)速系統(tǒng)中連續(xù)采集電流數(shù)據(jù)，輸入到電機轉(zhuǎn)速測量模塊中，轉(zhuǎn)換成電機轉(zhuǎn)速反饋到pid控制器輸入端，實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速。

進一步的，如圖1所示，給定電機一個轉(zhuǎn)速speed*，電機調(diào)速范圍為3000r/min-8000r/min，啟動階段采用bang-bang開環(huán)控制，啟動時間過后進入調(diào)速范圍，撤去bang-bang控制器，切換為以speed為速度反饋pid閉環(huán)控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速對speed*準確跟蹤，本實施例中提供的系統(tǒng)沒有安裝速度傳感器，速度采用最小二乘測速模塊測量。

進一步的，如圖2所示，采樣電流經(jīng)過最小二乘分類器分類，并輸出布爾值。轉(zhuǎn)速測量模塊采用的測速算法中：speed=k*pulse*60/ts。n為相鄰2個脈沖的離散間隔時間，因為紋波電流主要部分呈周期性，故保留電流拍數(shù)也為n，n拍電流輸入信號{i(k),…,i(k-n+1)}用于計算特征向量。

進一步的，如圖3所示，設(shè)定最小二乘測速模塊輸入樣本序列的長度與方框中的寬度相等，將方框中電流樣本{i(k),…,i(k-n+1)}歸為電流尖峰一類，輸出設(shè)置為y(k)=1；任何超出方框的其他樣本序列，輸出都應(yīng)設(shè)置為y(k)=0。輸入樣本序列的長度采用反饋的方式來確定。另外，將采集到的電流信號作為訓(xùn)練樣本的序列，體現(xiàn)的尖峰形狀越豐富，分類器的分類效果將越強。

以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護范圍。