基于卡爾曼算法的直流串勵電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

引言

針對串勵直流電機,從轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性可見,其轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩增加而迅速下降,這種機械特性稱為軟特性。如果轉(zhuǎn)矩很小,則轉(zhuǎn)速將達到很高,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,電機轉(zhuǎn)速值往往受到噪聲影響而不準確,設(shè)計了一個嵌入MATLAB塊來實現(xiàn)卡爾曼濾波器構(gòu)建,對電機輸出的轉(zhuǎn)速信號進行預(yù)測控制,從而濾波器能實現(xiàn)增益的計算。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進行脈寬調(diào)制(PulsewidthModulation,PwM),則可以通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間進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,在兩個開關(guān)管進行切換的時候,設(shè)置適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時間能夠避免兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通的危險,同步Buck電路為串勵直流電機擁有高效穩(wěn)定的電源提供了保障。

2卡爾曼濾波器

當(dāng)今社會,過程噪聲和測量噪聲存在于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域,大多數(shù)過程噪聲和測量噪聲屬于多維非平穩(wěn)隨機過程信號。針對時變性、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m點時刻,式(1)為空間狀態(tài)矢量計算方程,式(2)為觀測矢量計算方程。

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時刻過程測量信號和噪聲測量信號。

(1)最佳預(yù)估計:

(2)預(yù)估計誤差方案:

(3)卡爾曼增益:

式中,Q、R為隨機噪聲h、n的協(xié)方差矩陣。

(4)更新估計:

(5)更新后估計協(xié)方差:

(6)濾波器輸出:

卡爾曼濾波器模型如圖4所示。

3電機轉(zhuǎn)速估測仿真

實驗整體仿真圖如圖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電電機的PwM波占空比來測量電機的轉(zhuǎn)速,卡爾曼濾波后的電機轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速對比如表1所示。

根據(jù)光電編碼器測得電機轉(zhuǎn)速,通過表1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)化了電機輸出的轉(zhuǎn)速值,具有較好的控制精準度。

4結(jié)語

本文通過光電編碼器來檢測電機轉(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,能改善直流串勵電機的動態(tài)性能,減少運行過程中噪聲的影響,在供電側(cè)利用同步Buck電路對電機進行穩(wěn)定供電。模型易于操作,具有很好的實踐應(yīng)用價值,且應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。