基于卡爾曼算法的直流串勵(lì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

引言

針對串勵(lì)直流電機(jī),從轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性可見,其轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩增加而迅速下降,這種機(jī)械特性稱為軟特性。如果轉(zhuǎn)矩很小,則轉(zhuǎn)速將達(dá)到很高,可使電樞遭到破壞。本文提出了通過引入同步Buck電路對供電側(cè)電壓穩(wěn)定控制,電機(jī)轉(zhuǎn)速值往往受到噪聲影響而不準(zhǔn)確,設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入MATLAB塊來實(shí)現(xiàn)卡爾曼濾波器構(gòu)建,對電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行預(yù)測控制,從而濾波器能實(shí)現(xiàn)增益的計(jì)算。在電源側(cè)采用了IGBT組成的同步Buck電路,相比傳統(tǒng)Buck電路為電機(jī)提供了更加高效可靠的電力。

1供電側(cè)同步Buck電路

傳統(tǒng)Buck變換器如圖1所示。L為濾波電感,C為濾波電容,R為負(fù)載,開關(guān)管s一般采用功率MosFET管,整流管D一般采用肖特基二級管。通過對開關(guān)管s進(jìn)行脈寬調(diào)制(Pu1sewi4thMo4u1ation,PwM）,則可以通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)而控制電感的充放電,從而能夠?qū)崿F(xiàn)變換器的降壓功能。

同步整流Buck電路是通過采用IGBT取代傳統(tǒng)Buck變換器中的二極管而得到,如圖2所示。主開關(guān)管與同步整流管需要交替導(dǎo)通,在兩個(gè)開關(guān)管進(jìn)行切換的時(shí)候,設(shè)置適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間能夠避免兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的危險(xiǎn),同步Buck電路為串勵(lì)直流電機(jī)擁有高效穩(wěn)定的電源提供了保障。

2卡爾曼濾波器

當(dāng)今社會(huì),過程噪聲和測量噪聲存在于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域,大多數(shù)過程噪聲和測量噪聲屬于多維非平穩(wěn)隨機(jī)過程信號。針對時(shí)變性、功率譜不確定的問題,提出基于卡爾曼濾波算法使信號的未來值盡可能接近真值。利用此算法最大優(yōu)勢是只需記錄當(dāng)前值,利用卡爾曼遞推的5個(gè)公式算法,即可求出所需最優(yōu)值?？柭鼮V波器原理如圖3所示。

對于離散域線性系統(tǒng):在到達(dá)m點(diǎn)時(shí)刻,式(1）為空間狀態(tài)矢量計(jì)算方程,式(2）為觀測矢量計(jì)算方程。

式中,D為系統(tǒng)狀態(tài):E為控制矩陣:F為觀測矩陣:h(m）和n(m）分別為m時(shí)刻過程測量信號和噪聲測量信號。

(1）最佳預(yù)估計(jì):

(2）預(yù)估計(jì)誤差方案:

(3）卡爾曼增益:

式中,2、R為隨機(jī)噪聲h、n的協(xié)方差矩陣。

(4）更新估計(jì):

(5）更新后估計(jì)協(xié)方差:

(6）濾波器輸出:

卡爾曼濾波器模型如圖4所示。

3電機(jī)轉(zhuǎn)速估測仿真

實(shí)驗(yàn)整體仿真圖如圖5所示。

檢測卡爾曼濾波前后角速度信號,示波器波形如圖6所示。圖6(a）為電機(jī)卡爾曼濾波前角速度信號,圖6(b）為卡爾曼濾波后角速度信號,觀察波形可以看出卡爾曼濾波器對角速度有很好的預(yù)測控制效果。

通過改變輸入直流串勵(lì)電電機(jī)的PwM波占空比來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速,卡爾曼濾波后的電機(jī)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速對比如表1所示。

根據(jù)光電編碼器測得電機(jī)轉(zhuǎn)速,通過表l可知卡爾曼濾波后轉(zhuǎn)速誤差率小于2%,濾波效果較好,此算法優(yōu)化了電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速值,具有較好的控制精準(zhǔn)度。

4結(jié)語

本文通過光電編碼器來檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速,再經(jīng)過卡爾曼濾波器得出轉(zhuǎn)速誤差率小于2%,濾波效果較好。此算法優(yōu)化了電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速值,證明了該系統(tǒng)具有較好的調(diào)控能力,能改善直流串勵(lì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能,減少運(yùn)行過程中噪聲的影響,在供電側(cè)利用同步Buck電路對電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定供電。模型易于操作,具有很好的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值,且應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。