基于EKF的電動(dòng)車用無刷直流電機(jī)無傳感器運(yùn)行
樊繼永
摘要：對電動(dòng)車用無刷直流電動(dòng)機(jī)使崩普通的位置傳感器所產(chǎn)生的缺陷，給出了一種利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器估計(jì)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置方法，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車用無刷直流電機(jī)的無傳感器運(yùn)行。構(gòu)建了以cY8c24533芯片為核心的樣機(jī)平臺，對無位置傳感器運(yùn)行方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，擴(kuò)展卡爾曼濾波算法可準(zhǔn)確檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號，系統(tǒng)運(yùn)行良好，適用于電動(dòng)車用無刷直流電機(jī)的控制。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)車；無刷直流電機(jī)；轉(zhuǎn)子位置；擴(kuò)展卡爾曼濾波；無傳感器
0引 言
電動(dòng)車作為一種綠色交通工具，可大幅減少溫室氣體排放，降低對石油的依賴。電動(dòng)車技術(shù)的研發(fā)已日益引起世界各國的重視。電動(dòng)車的發(fā)展可有效結(jié)合可再生能源的發(fā)展，借助智能電網(wǎng)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對能源的充分利用[1-2]。
永磁無刷直流電機(jī)既具備交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)的運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)，廣泛用于電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行[3]。但是，傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)大多以霍爾元件或其它位置檢測元件為位置傳感器，安裝在電機(jī)內(nèi)部。位置傳感器的引入不但增加了電機(jī)體積和制造維護(hù)成本，并且由于需要額外增加引出線，降低了電機(jī)控制的可靠性，影響了對電動(dòng)車的運(yùn)行性能[4-6]。
卡爾曼濾波是一種最小方差意義上的****預(yù)測估計(jì)方法，它可以有效地削弱隨機(jī)干擾和測量噪聲的影響。擴(kuò)展的卡爾曼濾波器(EKF)是卡爾曼濾波器的一種推廣應(yīng)用，采用局部線性化手段，更適合于在惡劣環(huán)境中應(yīng)用。本文給出了一種利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器估計(jì)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的方法，只需定子相電流即可實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車用無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了其無傳感器控制運(yùn)行。
l擴(kuò)展卡爾曼濾波算法
擴(kuò)展卡爾曼濾波器是一種遞歸算法，它將系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間模型和測量輸出一起考慮，從而得到一一個(gè)多輸入、多輸出系統(tǒng)狀態(tài)的****估計(jì)[9]。擴(kuò)展卡爾曼濾波器算法采用遞推形式，非常適合在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。2無刷直流電機(jī)運(yùn)行原理及數(shù)學(xué)模型由于無刷直流電機(jī)的氣隙磁場、反電動(dòng)勢以及電流波形是非正弦的，因此采用直、交軸坐標(biāo)系統(tǒng)分析并不是很有效。通常直接利用電機(jī)本身的相變量來建立數(shù)學(xué)模型[10]，以二二導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，不考慮齒槽效應(yīng)和磁路飽和，忽略磁滯、渦流和集膚效應(yīng)對電機(jī)參數(shù)的影響，圖l為通常采用的無刷直流電機(jī)原理圖。
3 轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方案利用式(2)～式(4)進(jìn)行迭代運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的檢測，從而實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無傳感器運(yùn)行。
4實(shí)驗(yàn)研究本文選取一臺電動(dòng)車用輪轂式無刷直流電機(jī)，對所提出的基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。電機(jī)參數(shù)如下：額定電壓48V、額定轉(zhuǎn)速430 r／min額定功率350 w、23對極。用cY8c24423A系列無刷電機(jī)控制器芯片。該芯片是一款專門為控制優(yōu)化設(shè)計(jì)的，特別適合于無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制，由于芯片集成了許多無刷直流電動(dòng)機(jī)控制外同電路，具有很高的性價(jià)比：主開關(guān)器件采用M0sFET功率管，具有輸入電流小，輸入阻抗高，且具有很高的開關(guān)速度和工作頻率，驅(qū)動(dòng)電路簡單，易于控制。cY8c24423A產(chǎn)生的PwM信號，經(jīng)過光耦隔離和IH2110模塊，即可驅(qū)動(dòng)MOsFET管。電機(jī)相電流檢測對擴(kuò)展卡爾曼濾波器的位置估計(jì)精度具有重要的影響，實(shí)驗(yàn)選用瑞士LEM公司LA58一P型號的電流傳感器。LA58一P型霍爾電流傳感器的典型連接如圖3所示，LA58 P型霍爾電流傳感器采用±15 V供電，檢測端M接一個(gè)檢測電阻RM，檢測信號就是取自這個(gè)檢測電阻RM上的壓降，電流信號從而轉(zhuǎn)化為電壓值。經(jīng)過電流傳感器，需要檢測的電流信號按比例轉(zhuǎn)換為電壓信號，為了防止后續(xù)電路對這個(gè)電壓檢測信號的干擾，系統(tǒng)利用運(yùn)算放大器“虛短”和“虛斷”的原理設(shè)計(jì)了電壓跟隨器，如圖4所示。電壓跟隨器輸入阻抗無窮大，檢測得到的電壓信號經(jīng)過電壓跟隨器，不僅電壓值保持不變，而日還不受后續(xù)電路的影響。
號的對比圖。由圖可知，無論電機(jī)起動(dòng)還是穩(wěn)態(tài)過程，EKF轉(zhuǎn)子位置檢測方案輸出的轉(zhuǎn)子位置信號都能準(zhǔn)確反映出電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置，與實(shí)際物理傳感器檢測結(jié)果一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文檢測方案的有效性。由于無刷直流電機(jī)需要根據(jù)轉(zhuǎn)予位置確定電機(jī)電流的控制方式，從這兩個(gè)圖可以看出，電機(jī)電流波形基本為方波形狀，基本實(shí)現(xiàn)了控制目的，這也從另一個(gè)方面表明了EKF檢測方案適用于無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測。
實(shí)驗(yàn)中同時(shí)發(fā)現(xiàn)，與電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段性比，起動(dòng)階段的位置估計(jì)誤差較大，這是由于擴(kuò)展卡爾曼濾波器需要經(jīng)過一定時(shí)間才能收斂，從而造成lr一定的估計(jì)時(shí)延。而且，電機(jī)模型和參數(shù)的精確程度、計(jì)算誤差等也會(huì)對轉(zhuǎn)子位置估計(jì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。
5結(jié)語
本文研究了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的電動(dòng)車用無刷直流電機(jī)位置檢測方法，通過對擴(kuò)展卡爾曼濾波器原理和無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的分析，給出了電機(jī)位置估算和無傳感器運(yùn)行的具體算法實(shí)現(xiàn)。以高性能數(shù)字微處理器cY8c24423A為核心，構(gòu)建了無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，對所提出的檢測方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器，能夠比較準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角進(jìn)行檢測，系統(tǒng)運(yùn)行性能良好。 |
