本發(fā)明涉及有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算領(lǐng)域，特別是一種有刷直流電機(jī)核嶺分類速度測量方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)有刷直流電機(jī)工作時(shí)，電源通過電刷、電樞換向器向電機(jī)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(dòng)電樞換向器一起轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jī)存在機(jī)械換向不平滑的問題，導(dǎo)致電機(jī)的電樞電路上電流存在周期性紋波。繞組元件從一個(gè)支路經(jīng)過電刷進(jìn)入另一個(gè)支路時(shí)，元件中電流方向發(fā)生了改變，由于電機(jī)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(jī)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(shí)際電流中包含很多噪聲，來自電機(jī)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(shí)間確定，檢測過零點(diǎn)的個(gè)數(shù)便可計(jì)算交流頻率，實(shí)際電流中包含很多噪聲會影響過零點(diǎn)判斷的正確率。針對有刷直流電機(jī)電流存在諸多噪聲，許多學(xué)者對檢測方法進(jìn)行了一系列的改進(jìn)。有人將過零點(diǎn)比較法和動(dòng)態(tài)模型估計(jì)法相結(jié)合，動(dòng)態(tài)模型估計(jì)所得的有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與電流紋波周期有關(guān)。通過估計(jì)周期限定兩個(gè)連續(xù)過零點(diǎn)的間隔時(shí)間，兩個(gè)連續(xù)過零點(diǎn)的間隔時(shí)間太短，后一個(gè)過零點(diǎn)被過濾，若兩個(gè)連續(xù)過零點(diǎn)的間隔時(shí)間太長，則添加一個(gè)過零點(diǎn)。上述方法與模型估計(jì)一樣具有參數(shù)變化問題，影響控制精度。若進(jìn)一步改進(jìn)地采用動(dòng)態(tài)參數(shù)估計(jì)，但會得出一個(gè)復(fù)雜的非線性模型，需要非常大計(jì)算花費(fèi)來滿足，并且采用這個(gè)方法構(gòu)建模型需要同時(shí)檢測電機(jī)電流和電壓，要再添加一個(gè)ad轉(zhuǎn)換器，增加系統(tǒng)成本。電流檢測模塊必須同時(shí)具備結(jié)構(gòu)簡單和精度較高的優(yōu)點(diǎn)，才能使電機(jī)測速系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。核嶺回歸充分利用基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化為學(xué)習(xí)規(guī)則的回歸方法的非線性擬合性能，將其運(yùn)用于分類器，能夠保證較高的準(zhǔn)確率。并且，有的電流波形受干擾影響，整體下掉，不會產(chǎn)生過零點(diǎn)，因此采取電流尖峰來確定頻率更為可靠。然而，迄今為止，基于核嶺回歸求解電流分類器在有刷直流電機(jī)測速領(lǐng)域中尚未出現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種有刷直流電機(jī)核嶺分類速度測量方法，能夠解決現(xiàn)有速度測量方法中電流過零點(diǎn)判斷的正確率受噪聲影響降低的問題，以達(dá)到較高測速精度。

本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn)：一種有刷直流電機(jī)核嶺分類速度測量方法，有刷直流電機(jī)電流波形中含有與轉(zhuǎn)速有關(guān)的交流，通過濾波采樣提取交流。把交流波形在時(shí)間軸上顯示出來，每個(gè)周期都只有一個(gè)尖峰，因此采樣時(shí)間確定，檢測尖峰的個(gè)數(shù)可計(jì)算交流頻率；但是這些尖峰形狀并不規(guī)則，且受干擾易變形，基于核嶺回歸構(gòu)建的非線性分類器，用來識別出尖峰。將分類器引入到速度估計(jì)中，將對交流尖峰的檢測轉(zhuǎn)換為布爾值輸出，通過該輸出計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。具體包括以下步驟：

步驟s1：已知，單輸入單輸出的非線性離散分類器表示為：

y(k)＝p(y(k-1),...,y(k-n),u(k),...,u(k-n)),

其中u(k),…,u(k-n)和y(k),…,y(k-n)分別為系統(tǒng)第k時(shí)刻的輸入和輸出，n表示輸入和輸出的拍數(shù)；對直流電機(jī)的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分類器具體表達(dá)式為：

g(x)＝y(tǒng)^t(klxl+λilxl)^-1klx1(x)；若g(x)>＝0,則y(k)＝1；若g(x)<0,則y(k)＝0；

其中，g(x)為分類器判別函數(shù)，第k時(shí)刻特征向量為x＝f(y(k-1),…,y(k-p),u(k),…,u(k-p))，u(k)為第k時(shí)刻電流輸入，y(k)為分類器布爾值輸出，λ為正則項(xiàng)參數(shù)，klxl表示l階的方陣，klx1表示l×1的列向量，矩陣klxl和向量klx1中的元素為核函數(shù)的函數(shù)值：σ為核寬度，x為當(dāng)前特征向量，xi為當(dāng)前特征向量，通過調(diào)整λ和σ來實(shí)現(xiàn)對所述直流電機(jī)核嶺分類器的非線性模型的訓(xùn)練；電機(jī)轉(zhuǎn)速為speed＝k*pulse*60/t；k為與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例系數(shù)，pulse為在時(shí)間t內(nèi)檢測到的脈沖數(shù),t＝n/fs；n為采樣點(diǎn)數(shù),fs為采樣頻率；

步驟s2：采樣并保留p拍的電流輸入信號{u(k-1),…,u(k-p)}，把交流波形在時(shí)間軸上顯示出來，每個(gè)周期都只有一個(gè)尖峰，確定尖峰的位置；將電流按是否為峰值分為兩類，并用布爾值表示：假設(shè)輸入為{u(k),…,u(k-n+1)},若為尖峰輸出為y(k)＝1，若非尖峰輸出為y(k)＝0；將p拍的電流輸入信號{u(k-1),…,u(k-p)}和p拍的輸出信號{y(k-1),…,y(k-p)}作為訓(xùn)練樣本；

步驟s3：調(diào)整λ和σ來訓(xùn)練直流電機(jī)核嶺回歸分類器的非線性模型，返回訓(xùn)練所得的參數(shù)；

步驟s4：將訓(xùn)練獲得的參數(shù)帶入所述直流電機(jī)核嶺分類器的非線性模型中，檢測并保留n拍的電流輸入信號{u(k-1),…,u(k-n)}和n拍的核嶺分類器輸出信號{y(k-1),…,y(k-n)}，則當(dāng)輸入u(k)時(shí)，x＝f(y(k-1),…,y(k-p),u(k),…,u(k-p))，核嶺分類器判別函數(shù)輸出為g(x)；

步驟s5：在固定時(shí)間t對y(k)＝1的事件計(jì)數(shù)，等價(jià)于對電流尖峰計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為pulse，估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速為speed＝k*pulse*60/t；t＝n/fs；k為與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例系數(shù)，pulse為在時(shí)間t內(nèi)檢測到的脈沖數(shù),n為采樣點(diǎn)數(shù),fs為采樣頻率；

步驟s6：設(shè)定一個(gè)指標(biāo)來終止訓(xùn)練，將電機(jī)實(shí)際速度輸出值與估計(jì)速度輸出值進(jìn)行比較，得到速度誤差信號ξ(k+1)，最大誤差設(shè)定為e，判斷ξ(k+1)＜e是否成立，若不成立返回步驟s1重新提取訓(xùn)練樣本；若成立則終止訓(xùn)練，返回訓(xùn)練所得的分類器參數(shù)；

步驟s7：將訓(xùn)練好的所述直流電機(jī)核嶺分類器引入到速度估計(jì)中，在電機(jī)控制系統(tǒng)中連續(xù)采集電流數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸入到該系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)速。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下有益效果：

1.本發(fā)明利用核嶺回歸方法來構(gòu)建有刷直流電機(jī)電流分類器，將對轉(zhuǎn)速的求取轉(zhuǎn)化為對分類器輸出中電流尖峰這一類的計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)速估計(jì)的精確度取決于分類器的性能，而使用核嶺回歸能大大減少分類的錯(cuò)誤率。

2.本發(fā)明系統(tǒng)只需要電流采樣，避免了在線的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和調(diào)整；結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高，測量方法參數(shù)不需要在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

3.本發(fā)明相比于其他無傳感器測速方法，有效改善了有刷直流電機(jī)的測速精度，可應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中核嶺分類測速結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中直流電機(jī)電流樣本分類示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中分類器訓(xùn)練結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本實(shí)施例提供了一種有刷直流電機(jī)核嶺分類速度測量方法，有刷直流電機(jī)電流波形中含有與轉(zhuǎn)速有關(guān)的交流，通過濾波采樣提取交流。把交流波形在時(shí)間軸上顯示出來，每個(gè)周期都只有一個(gè)尖峰，因此采樣時(shí)間確定，檢測尖峰的個(gè)數(shù)可計(jì)算交流頻率；但是這些尖峰形狀并不規(guī)則，且受干擾易變形，基于核嶺回歸構(gòu)建的非線性分類器，用來識別出尖峰。將分類器引入到速度估計(jì)中，將對交流尖峰的檢測轉(zhuǎn)換為布爾值輸出，通過該輸出計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。具體包括以下步驟：

步驟s1：已知，單輸入單輸出的非線性離散分類器表示為：

y(k)＝p(y(k-1),...,y(k-n),u(k),...,u(k-n)),

其中u(k),…,u(k-n)和y(k),…,y(k-n)分別為系統(tǒng)第k時(shí)刻的輸入和輸出，n表示輸入和輸出的拍數(shù)；對直流電機(jī)的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分類器具體表達(dá)式為：

g(x)＝y(tǒng)^t(klxl+λilxl)^-1klx1(x)；若g(x)>＝0,則y(k)＝1；若g(x)<0,則y(k)＝0；

其中，g(x)為分類器判別函數(shù)，第k時(shí)刻特征向量為x＝f(y(k-1),…,y(k-p),u(k),…,u(k-p))，u(k)為第k時(shí)刻電流輸入，y(k)為分類器布爾值輸出，λ為正則項(xiàng)參數(shù)，klxl表示l階的方陣，klx1表示l×1的列向量，矩陣klxl和向量klx1中的元素為核函數(shù)的函數(shù)值：σ為核寬度，x為當(dāng)前特征向量，xi為當(dāng)前特征向量，通過調(diào)整λ和σ來實(shí)現(xiàn)對所述直流電機(jī)核嶺分類器的非線性模型的訓(xùn)練；電機(jī)轉(zhuǎn)速為speed＝k*pulse*60/t；k為與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例系數(shù)，pulse為在時(shí)間t內(nèi)檢測到的脈沖數(shù),t＝n/fs；n為采樣點(diǎn)數(shù),fs為采樣頻率；

步驟s2：采樣并保留p拍的電流輸入信號{u(k-1),…,u(k-p)}，把交流波形在時(shí)間軸上顯示出來，每個(gè)周期都只有一個(gè)尖峰，確定尖峰的位置；將電流按是否為峰值分為兩類，并用布爾值表示：假設(shè)輸入為{u(k),…,u(k-n+1)},若為尖峰輸出為y(k)＝1，若非尖峰輸出為y(k)＝0；將p拍的電流輸入信號{u(k-1),…,u(k-p)}和p拍的輸出信號{y(k-1),…,y(k-p)}作為訓(xùn)練樣本；

步驟s3：調(diào)整λ和σ來訓(xùn)練直流電機(jī)核嶺回歸分類器的非線性模型，返回訓(xùn)練所得的參數(shù)；

步驟s4：將訓(xùn)練獲得的參數(shù)帶入所述直流電機(jī)核嶺分類器的非線性模型中，檢測并保留n拍的電流輸入信號{u(k-1),…,u(k-n)}和n拍的核嶺分類器輸出信號{y(k-1),…,y(k-n)}，則當(dāng)輸入u(k)時(shí)，x＝f(y(k-1),…,y(k-p),u(k),…,u(k-p))，核嶺分類器判別函數(shù)輸出為g(x)；

步驟s5：在固定時(shí)間t對y(k)＝1的事件計(jì)數(shù)，等價(jià)于對電流尖峰計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為pulse，估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速為speed＝k*pulse*60/t；t＝n/fs；k為與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例系數(shù)，pulse為在時(shí)間t內(nèi)檢測到的脈沖數(shù),n為采樣點(diǎn)數(shù),fs為采樣頻率；

步驟s6：設(shè)定一個(gè)指標(biāo)來終止訓(xùn)練，將電機(jī)實(shí)際速度輸出值與估計(jì)速度輸出值進(jìn)行比較，得到速度誤差信號ξ(k+1)，最大誤差設(shè)定為e，判斷ξ(k+1)＜e是否成立，若不成立返回步驟s1重新提取訓(xùn)練樣本；若成立則終止訓(xùn)練，返回訓(xùn)練所得的分類器參數(shù)；

步驟s7：將訓(xùn)練好的所述直流電機(jī)核嶺分類器引入到速度估計(jì)中，在電機(jī)控制系統(tǒng)中連續(xù)采集電流數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸入到該系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)速。

如圖2所示，在本實(shí)施例中，設(shè)定采集樣本序列的長度與方框的寬度相等，設(shè)計(jì)者將方框中電流樣本{u(k),…,u(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n采用輸出反饋的方式來確定，本例選取為半個(gè)紋波周期。另外，采集到的作為訓(xùn)練樣本的序列，體現(xiàn)的尖峰形狀越豐富，分類器的效果將越強(qiáng)。

如圖3所示，在本實(shí)施例中，設(shè)計(jì)者分類也將產(chǎn)生一個(gè)輸出序列，將這些數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，調(diào)整λ和σ來訓(xùn)練核嶺分類器模型，返回訓(xùn)練所得的參數(shù)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。