基于擴展卡爾曼濾波的無位置傳感器直流無刷電機控制

1、基于擴展卡爾曼濾波的無位置傳感器直流無刷電機控制比賽編號:B10527日期:2002.10.8單位名稱:北京理工大學電子工程系姓名: 陳旻(中文Chen Min (英文職業(yè):碩士研究生通訊地址:北京西城區(qū)富國里8樓2門501 郵編:100034 電子郵箱: chen_min_mike電話:010-*1. 引言變頻控制技術(shù)因其卓越的性能在白色家電領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用,而率先應(yīng)用變頻調(diào)速裝置的變頻空調(diào)器以其優(yōu)良的性能已成為空調(diào)市場上的主流。變頻技術(shù)應(yīng)用中有兩大關(guān)鍵部件,一是壓縮機,二是控制器。變頻空調(diào)器到底節(jié)不節(jié)能,主要從提高壓縮機效率來看。最近幾年壓縮機發(fā)展的趨勢是跳過感應(yīng)電機變頻控制而直接進入

2、直流無刷(BLDC電機階段。直流無刷電機的轉(zhuǎn)子與感應(yīng)電機的不同,由永久磁鐵構(gòu)成,在定子中通電維持方波電壓并形成方波電流,而轉(zhuǎn)子不需要通電來產(chǎn)生磁場,避免了在高頻條件下的鐵損。壓縮機采用直流無刷電動機,體積小,振動輕,既保留了傳統(tǒng)直流電機的高性能調(diào)速,又用電子換相器解決了傳統(tǒng)直流電機的炭刷這一致命缺陷。它在家用空調(diào)中有效地提高了整機COP,也是今后白色家電電機發(fā)展的方向。直流無刷電動機采用數(shù)字控制技術(shù),通過改變定子的方波電壓來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速能與環(huán)境負荷狀態(tài)相匹配。應(yīng)用直流無刷電動機作為空調(diào)壓縮機,可以避免了傳統(tǒng)定速壓縮機電機通過頻繁啟停來控制其輸出功率所帶來的沖擊電流損耗和溫度波動,從而達

3、到提高效率(可比定速節(jié)能30%以上、降低噪聲、提高制冷/熱效果和舒適性的目的。直流無刷電機的電子換相是其控制的最關(guān)鍵技術(shù),一般需要用霍爾傳感器將轉(zhuǎn)子的位置變換為電信號,使定子各相繞組按一定次序換相。而家電領(lǐng)域由于對成本的敏感,密封壓縮機的連線影響,殼頂高溫和空間狹小等原因,無法采用位置傳感器,這就要求通過反電勢檢測等無傳感器位置檢測的間接方法來獲取轉(zhuǎn)子的位置信號。傳統(tǒng)的檢測大都根據(jù)不導通相反電勢的過零點來判斷轉(zhuǎn)子的位置,但只能檢測一些特定的點,而且由于電機轉(zhuǎn)速大范圍變化時過零點會產(chǎn)生相移。所以針對這些問題,本文用擴展卡爾曼濾波法(EKF連續(xù)地估計轉(zhuǎn)子瞬時位置和速度,穩(wěn)態(tài)時這些狀態(tài)變量的估計值與

4、真實值幾乎一樣,使電機控制性能得到了很大提高。要實現(xiàn)直流無刷電機一系列復雜的高性能控制算法,如:EKF無傳感器位置檢測算法,電機閉環(huán)控制和快而精確的PWM調(diào)制輸出需要大量的數(shù)學運算,需要使用集成了一系列外圍設(shè)備(如:A/D,PWM 發(fā)生器的DSP電機控制器。DSP56F805的各種片內(nèi)資源和支持軟件包SDK功能與上述要求正好吻合,所以本文用它作系統(tǒng)核心,設(shè)計了一個基于EKF的無位置傳感器直流無刷電機控制系統(tǒng)。2. 設(shè)計概述(1總體設(shè)計方案本系統(tǒng)由一臺三相直流無刷電機,半橋全控功率逆變器電子開關(guān)和DSP56F805評估板三部分構(gòu)成,硬件結(jié)構(gòu)框圖如下: 直流無刷電機三相定子繞組兩兩通電,轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過

5、60度電角度進行一次電流換相。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制:內(nèi)環(huán)檢測相電流,輸入到DSP56F805的A/D并與速度環(huán)輸入的參考電流相比較,進行電流環(huán)(力矩控制;外環(huán)用擴展卡爾曼濾波器(EKF估計的轉(zhuǎn)子速度和由環(huán)境溫度推出的參考速度相比較,進行速度環(huán)控制。電流內(nèi)環(huán)采用比例調(diào)節(jié),在突加給定轉(zhuǎn)速的情況下提高相應(yīng)的控制電壓(占空比,使相電流下降引起的電流偏差迅速消除,系統(tǒng)保持一個高的恒電流輸出,實現(xiàn)了最短時間達到給定轉(zhuǎn)速;速度外環(huán)采用PI調(diào)節(jié),在穩(wěn)態(tài)時使系統(tǒng)表現(xiàn)為一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)。擴展卡爾曼濾波器將檢測到的定子繞組端電壓信號和相電流信號反饋至DSP56F805的A/D,分別作為輸入變量和觀測變量,利用DSP

6、56F805的計算能力完成所需的大量矩陣運算,最后得到狀態(tài)變量,即轉(zhuǎn)子角度和速度。系統(tǒng)通過溫度傳感器檢測外界熱負荷:熱負荷大時,電機以較高的速度運行,單位時間負載能力增大;熱負荷小時,電機降低速度運行,單位時間負載能力減少以節(jié)能;外界溫度達到使用者所需房間溫度后,速度降到負載能力與房間熱負荷相等,連續(xù)運行。上述系統(tǒng)的控制策略基本按實際空調(diào)室外直流無刷壓縮機設(shè)計,只需增加和改動一些非關(guān)鍵性的地方即可投入實用。(2EKF法估計轉(zhuǎn)子位置和速度的原理無傳感器電機控制是利用可檢測的電壓和電流信號對轉(zhuǎn)子位置和速度進行估計。卡爾曼濾波器由于能夠有效地抑制電機控制中遇到的噪聲環(huán)境,因此在電機控制中得到了廣泛應(yīng)

7、用。卡爾曼濾波算法在每一次采樣過程中都分為兩步:校正和預報。在預報中通過測量從而給定輸入變量,利用電機的數(shù)學模型對下一次采樣過程中的狀態(tài)變量如何變化進行預報,再在這個預報的狀態(tài)變量之基礎(chǔ)上對下一次采樣過程中的觀測變量如何變化進行預報。在校正中通過測量得到實際的觀測變量值,與預報的觀測變量相比較,二者之差和卡爾曼增益相乘,再用乘積對預報的狀態(tài)變量進行校正。另外在每一次采樣過程的校正和預報中,要同時計算狀態(tài)變量的協(xié)方差。這個協(xié)方差是對狀態(tài)變量估計準確度的一種測試,校正中的卡爾曼增益就是基于這個協(xié)方差得來的。當我們對于狀態(tài)變量估計準確度沒有把握時,卡爾曼增益隨狀態(tài)變量協(xié)方差的變化而加大,校正幅度也加

8、大;當我們對于狀態(tài)變量估計準確度有較大把握時,卡爾曼增益隨狀態(tài)變量協(xié)方差的變化而減小,測量噪聲對狀態(tài)變量校正的影響也減小。卡爾曼濾波的模型建立在變量之間的矩陣運算之上,即變量之間存在線性組合的關(guān)系。直流無刷電機是一個非線性系統(tǒng),這樣的變量間線性組合關(guān)系并不存在,由此引入了擴展卡爾曼濾波(Extend Kalman Filter算法。EKF適用于被隨機噪聲干擾的非線性系統(tǒng),基本思想和普通卡爾曼濾波一樣,只是把模型中的非線性組合關(guān)系用函數(shù)的泰勒級數(shù)(一般是二級展開來逼近,使非線性系統(tǒng)變量之間也可以進行矩陣運算。以下列出了本系統(tǒng)采用的模型和變量:電機模型:abc參考框架系統(tǒng)模型:x k+1=F k(

9、x k*x k+G k*u k+w kF k(x k表示k次狀態(tài)變量x k與k+1次狀態(tài)變量x k+1之間的關(guān)系(非線性,G k表示k次輸入變量u k與k+1次狀態(tài)變量x k+1之間的關(guān)系(線性,w k表示控制系統(tǒng)的噪聲(由于F k(x k 的非線性,EKF計算過程中需用到它對x k的亞各比矩陣觀測模型:i k+1=H* x k+1+v kH表示每次狀態(tài)變量與觀測變量之間的關(guān)系(線性,v k表示測量噪聲狀態(tài)變量:x=(i a,i b,i c, i a,i b,i c是三相的電流,是轉(zhuǎn)子的角速度,是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角輸入變量:u=(ab, bc, ca ab, bc, ca是每次采樣周期內(nèi)各相電壓的平均

10、值觀測變量:i=(i a,i b,i c i a,i b,i c是三相的電流3. 硬件描述(1溫度傳感器檢測電路高性能直流變頻空調(diào)要與環(huán)境狀態(tài)相匹配,達到提高效率節(jié)能、降低噪聲、提高制冷/熱效果和舒適性的控制效果離不開溫度參數(shù)檢測,所以溫度傳感器電路也是主要硬件之一。它的主要作用是:為達到快速制冷(熱的高動態(tài)性能,用溫度傳感器檢測氣溫,壓縮機溫度,冷凝器溫度等參數(shù),并用檢測的參數(shù)控制電機狀態(tài)。根據(jù)上述溫控要求,本系統(tǒng)溫度選用美國國家半導體公司的數(shù)字溫度傳感器LM74測量,不僅溫度范圍寬,精度高,并可利用其SPI接口方便地與DSP56F805通信,節(jié)省了A/D通道。電路圖如下: 其中DSP56F

11、805的GPI/O輸出作為數(shù)字溫度傳感器LM74的有效片選信號,由它們控制多片LM74,可以復用DSP56F805的SPI接口(數(shù)據(jù)I/O管腳MOSI和MISO,SPI時鐘管腳SC,同時接受多個溫度輸入。(2電機端電壓檢測電路電壓/電流檢測電路是電機控制系統(tǒng)外圍硬件的關(guān)鍵部分,一般檢測交流電壓/電流可以用互感器,而用分流器檢測電流(需隔離放大器,用霍爾傳感器檢測電流(有溫漂,用電阻分壓檢測電壓(需隔離放大器等方法都是交直流兩用。下圖前端對輸入端電壓信號分壓,中間經(jīng)過隔離運放,后端信號經(jīng)過差動放大和+5V穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的極性轉(zhuǎn)換電路,最后送入DSP的A/D通道。 (3電機電流檢測電路因為直流無刷

12、電機三相繞組在任何時刻只有兩相通電,所以電流檢測只需兩個霍爾傳感器?；魻杺鞲衅鞑捎么牌胶馐?輸出的電流信號經(jīng)過精密電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號,再經(jīng)過運放放大處理,最后送入DSP的A/D通道。 4. 軟件描述:(1前臺主程序平臺前臺程序的功能是完成初始化和電機預定位起動,另外還要形成無窮循環(huán)以響應(yīng)中斷發(fā)生。流程圖如下: (2 電機預定位起動程序 電機預定位起動程序 為了解決起動困難的問題（因為低速時擴展卡爾曼濾波估計的轉(zhuǎn)子位置和速度誤差較大） ，采用預 定位方式起動。首先在沒有位置反饋的情況下強迫轉(zhuǎn)子預定位到與定子合成磁勢軸線重合的位置 （ALIGNMENT） 。第二步為起動（STARTING） ，象同

13、步電機一樣由控制器換相，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時產(chǎn) 生反電動勢，在這個過程中同時投入反電動勢檢測及控制程序，最后使電機切換到無刷電機自控換 相運行方式（RUNNING） 。流程圖如下： 開始 按電機限流設(shè)置電流環(huán)參考電流 I*和初始占空比；設(shè)置初始換相周期 T； 按初始占空比發(fā)出第一個 PWM 脈沖（1，4 有效） ，強迫轉(zhuǎn)子預定位到第一拍換相位置 等待 PWM 中斷 DSP56F805 的 PWM 模塊的 RELOAD 中斷服務(wù)程序每個 PWM 周期產(chǎn)生一次，同時產(chǎn)生 同步信號經(jīng)過定時器模塊 2 啟動 A/D 通道進行采樣轉(zhuǎn)換。在起動階段，調(diào)用服務(wù)程序 1（見 下） 。 (3 PWM 中斷服務(wù)程序 1（

14、起動） （起動） 設(shè) PWM 周期為 200s，電流環(huán)進行 P 調(diào)節(jié)，速度環(huán)開環(huán)。當起動階段結(jié)束，中斷服務(wù) 調(diào)用程序 2，系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)。 開始 自動啟動 A/D 采樣： 采樣相電流 ia,ib 電 流 環(huán)計 數(shù) 器+1 電流環(huán)控制： 計算觀測變量（相電流）的采樣值與參考電流 I*之差，結(jié)合由當前 T 估計的角速度 ，進行 P 調(diào)節(jié)； 調(diào)節(jié)結(jié)果為 PWM 占空比，修改相應(yīng)寄存器； T=電流環(huán)計數(shù)器*200 s？ N Y 電流環(huán)計數(shù)器清 0 當前 PWM3 B 相繞組上橋） （ 導通？ Y N 檢測到 A 相繞組反電 動勢過 0？ N Y 穩(wěn)態(tài)標志置位，下次中斷服務(wù)調(diào)用程序 2 PWM 輸出切換到

15、下一拍相序；T=15/16T（加速） ； 新的 PWM 脈沖按本次電流環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)果參數(shù)輸出； RELOAD-FLAG 置位，產(chǎn)生下一次中斷； (4 PWM 中斷服務(wù)程序 2（穩(wěn)態(tài)） （穩(wěn)態(tài)） 電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)，速度外環(huán)PI調(diào)節(jié)，擴展卡爾曼濾波器估計轉(zhuǎn)子角度和速度等功能都在其 中完成。 開始 自動啟動 A/D 采樣： A： 采樣端電壓 Ua,Ub,Uc B：采樣相電流 ia,ib 對上一次估計的狀態(tài)變量 x 進行校正： 由上一次估計的狀態(tài)變量協(xié)方差矩陣 P 計算本次的卡爾曼增益 K； 計算觀測變量（相電流）的采樣值與上一次估計的觀測變量值 i 之差； 由觀測變量差值和 K 對上一次估計的狀態(tài)變量 x 進行校正； 由 K 對上一次估計的狀態(tài)變量協(xié)方差矩陣 P 進行校正 （為本次預報用） ； 速度環(huán)計數(shù)器加 1 到達一個速度環(huán)周期 Y 速度外環(huán)控制： 用 SPI 通信接口讀入數(shù)字傳感器溫度，并轉(zhuǎn)化為參考速度 *； N 用本次校正過的估計速度 與 *相減，進行 PI 調(diào)節(jié)； 根據(jù)調(diào)節(jié)結(jié)果修改參考電流 I*； 速度環(huán)計數(shù)器清 0； 電流內(nèi)環(huán)控制： 計算觀測變量（相電流）的采樣值與參考電流 I*之差，結(jié)合本次校正過 的估計速度 ，進行 P 調(diào)節(jié)； 調(diào)節(jié)結(jié)果為 PWM 占空比，修改相應(yīng)寄存器； 對下一次的狀態(tài)變量 x 進行預報估計： PWM 占空比和本次校正過的估計轉(zhuǎn)角 計算各相