引言
針對串勵直流電機,從轉矩—轉速特性可見,其轉速隨轉矩增加而迅速下降,這種機械特性稱為軟特性。如果轉矩很小,則轉速將達到很高,可使電樞遭到破壞。本文提出了通過引入同步Buck電路對供電側電壓穩(wěn)定控制,電機轉速值往往受到噪聲影響而不準確,設計了一個嵌入MATLAB塊來實現卡爾曼濾波器構建,對電機輸出的轉速信號進行預測控制,從而濾波器能實現增益的計算。在電源側采用了IGBT組成的同步Buck電路,相比傳統Buck電路為電機提供了更加高效可靠的電力。
1供電側同步Buck電路
傳統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。通過對開關管s進行脈寬調制(PulsewidthModulation,PwM),則可以通過控制開關管的導通時間進而控制電感的充放電,從而能夠實現變換器的降壓功能。
同步整流Buck電路是通過采用IGBT取代傳統Buck變換器中的二極管而得到,如圖2所示。主開關管與同步整流管需要交替導通,在兩個開關管進行切換的時候,設置適當的死區(qū)時間能夠避免兩個開關管同時導通的危險,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
當今社會,過程噪聲和測量噪聲存在于生產生活的各個領域,大多數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。卡爾曼濾波器原理如圖3所示。
對于離散域線性系統: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)最佳預估計:
(2)預估計誤差方案:
(3)卡爾曼增益:
式中,Q、R為隨機噪聲h、n的協方差矩陣。
(4)更新估計:
(5)更新后估計協方差:
(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速,卡爾曼濾波后的電機轉速與實際轉速對比如表1所示。
根據光電編碼器測得電機轉速,通過表1可知卡爾曼濾波后轉速誤差率小于2%,濾波效果較好,此算法優(yōu)化了電機輸出的轉速值,具有較好的控制精準度。
4結語
本文通過光電編碼器來檢測電機轉速,再經過卡爾曼濾波器得出轉速誤差率小于2%,濾波效果較好。此算法優(yōu)化了電機輸出的轉速值,證明了該系統具有較好的調控能力,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,具有很好的實踐應用價值,且應用領域廣闊。
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