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        基于擴(kuò)展卡爾曼濾波觀測(cè)器的無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)研究

        2020-06-17 08:31:58徐會(huì)風(fēng)蘇少平杜慶誠(chéng)唐忠文
        微電機(jī) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:直流電機(jī)電勢(shì)霍爾

        徐會(huì)風(fēng),蘇少平,杜慶誠(chéng),唐忠文

        (西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,西安 710049)

        0 引 言

        無(wú)刷直流電機(jī)擁有功率因數(shù)高、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、且便于維護(hù)、控制方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在中小功率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合應(yīng)用廣泛[1-3]。無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)因其對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、成本低的優(yōu)點(diǎn),在近些年來(lái)無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器的研究領(lǐng)域逐漸成為熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。無(wú)傳感器控制技術(shù)原理主要是采用電機(jī)內(nèi)部容易獲得的繞組電壓和相電流信號(hào),經(jīng)過(guò)所采用的算法進(jìn)行處理,進(jìn)而可以重新構(gòu)建電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。目前,常用的的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法主要有反電勢(shì)法[4-7]、續(xù)流二極管法[8]、電感法[9]、人工智能[10],狀態(tài)觀測(cè)器法等。

        擴(kuò)展卡爾曼濾波算法是屬于狀態(tài)觀測(cè)器中的一類,其原本為卡爾曼濾波算法,因?yàn)樾枰獞?yīng)用于非線性控制系統(tǒng),所以才出現(xiàn)了擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的發(fā)展。其基本思想是利用控制系統(tǒng)中較為容易獲得的電機(jī)端電壓、相電流等信號(hào),由此可以構(gòu)建適用于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的電機(jī)狀態(tài)方程,利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)參數(shù)的在線估計(jì),從而可以得到轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)。由于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法本身考慮到干擾和測(cè)量中的誤差影響,所以該方法對(duì)參數(shù)的變化和外界的干擾適應(yīng)能力強(qiáng)。且卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單,這為無(wú)刷直流電機(jī)在無(wú)位置傳感器的控制方面應(yīng)用提供了很好的途徑[11-12]。

        1 無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

        圖1為三相星形聯(lián)接無(wú)刷直流電機(jī),假設(shè)三相繞組對(duì)稱。

        圖1 無(wú)刷直流電機(jī)等效原理圖

        T1-T6為功率開(kāi)關(guān)管。則其電壓方程為

        (1)

        式中,uA、uB、uC為定子繞組相電壓;iA、iB、iC為定子繞組相電流;eA、eB、eC為定子繞組反電勢(shì);L、R、M為電機(jī)的每相繞組自感、電阻和相間互感。

        電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為

        T=(eAiA+eBiB+eCiC)/wm

        (2)

        式中,ωm為電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。

        電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程為

        (3)

        式中,B為阻尼系數(shù);J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

        2 擴(kuò)展卡爾曼濾波算法

        2.1 擴(kuò)展卡爾曼濾波算法工作原理

        擴(kuò)展卡爾曼濾波是卡爾曼濾波在非線性領(lǐng)域的拓展。因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)是非線性的,擴(kuò)展卡爾曼濾波正好可以應(yīng)用于這種情況,所以在此之前應(yīng)該將非線性方程進(jìn)行線性化處理,然后再利用卡爾曼濾波處理即可[13-14]。

        假設(shè)一個(gè)非線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測(cè)量方程為

        (4)

        式中,w(t)為系統(tǒng)噪聲;v(t)為測(cè)量噪聲。

        由此可得狀態(tài)變量在某一點(diǎn)的增量為

        (5)

        假設(shè)Δx(t)足夠小,將函數(shù)f(x(t),u,t)在該點(diǎn)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)得到:

        (6)

        忽略泰勒展開(kāi)式的高次項(xiàng)可得:

        (7)

        (8)

        將測(cè)量方程泰勒級(jí)數(shù)可以得到

        (9)

        其中,雅克比矩陣可以表示為

        (10)

        可以得到線性化后的狀態(tài)方程和測(cè)量方程:

        (11)

        式中,F(x)為狀態(tài)方程雅克比矩陣;H(t)為測(cè)量方程雅克比矩陣。

        將上述方程離散化可得:

        (12)

        式中,Φ(k,k-1)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

        狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣近似為

        (13)

        由此可到離散化的擴(kuò)展卡爾曼濾波方程為

        (14)

        P(k)=Φ(k,k-1)P(k)Φ(k,k-1)T+Q(k-1)

        (15)

        (16)

        P(k)=P(k-1)-K(k)H(k)P(k-1)

        (17)

        K(k)=P(k,k-1)H(k)T(H(k)P(k,k-1)H(k)T+R)-1

        (18)

        2.2 擴(kuò)展卡爾曼濾波觀測(cè)器的設(shè)計(jì)

        本文是以兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)星型連接的無(wú)刷直流電機(jī)為例,重寫(xiě)電機(jī)三相電壓平衡方程如下[15]。由于電機(jī)的中性點(diǎn)一般不直接引出,所以電機(jī)的繞組相電壓無(wú)法直接測(cè)量得到,故可以得到電機(jī)線電壓模型:

        (19)

        式中,uAB、uBC為電機(jī)線電壓;iAB、iBC為電機(jī)線電流;eAB、eBC為電機(jī)線反電勢(shì)。

        三個(gè)線反電勢(shì)之間存在的關(guān)系:

        eAB+eBC+eCA=0

        (20)

        因此,通過(guò)檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)的三相端電壓uAG、uBG、uCG和任意兩相電流iA、iB就可以得到無(wú)刷直流電機(jī)的線反電勢(shì)。并且以線反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)作為換相時(shí)刻不需要進(jìn)行相移,控制更加方便。

        現(xiàn)將式(19)中的線電流iAB、iBC和線反電勢(shì)eAB、eBC作為擴(kuò)展系統(tǒng)的狀態(tài)變量,將電機(jī)線電壓和線電流作為控制系統(tǒng)的輸入和輸出,可以得到無(wú)刷直流電機(jī)的狀態(tài)方程如下:

        (21)

        其中,Xk=[iAB(k)iBC(k)eAB(k)eBC(k)]T;

        yk=[iAB(k)iBC(k)]T;

        Uk=[uAB(k)uBC(k)]T;

        其中,可以令f(x)表達(dá)式如下:

        (22)

        由上節(jié)可知f(x)的雅克比矩陣為

        (23)

        (24)

        根據(jù)擴(kuò)展卡爾曼濾波觀測(cè)器得到的電機(jī)線反電勢(shì),進(jìn)而可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信息和電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置用來(lái)進(jìn)行電機(jī)的正常換相,得到的轉(zhuǎn)速可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度閉環(huán)控制。下面先確定線反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)和繞組導(dǎo)通順序之間的關(guān)系,如表1所示。

        表1 線反電勢(shì)信號(hào)和功率管導(dǎo)通順序的關(guān)系

        3 基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)仿真

        3.1 Matlab仿真模型

        擴(kuò)展卡爾曼濾波器模塊采用S函數(shù)編寫(xiě),并沒(méi)有用模塊進(jìn)行搭建,EKF5.m主要程序內(nèi)容如下:

        function sys=mdlUpdate(t,x,u)

        global P0;

        Rs=0.9;

        Ls=0.0032;

        J=2e-4;

        Q=diag([1 1 100 100]);

        R=diag([0.05 0.05 ]);

        T=5e-6;

        vs_ab=[u(1) u(2)]′;

        is_ab=[u(3) u(4)]′;

        H=[1 0 0 0 ; 0 1 0 0 ];

        B=[1/(Ls),0,0,0 ;0 1/(Ls) 0 0 ]′;

        F=[-Rs/Ls,0,-1/(Ls),0; 0,-Rs/Ls,0,-1/(Ls); 0 0 0 0 ; 0 0 0 0];

        f1=[-x(1)*Rs/Ls-x(3)/(Ls);-x(2)*Rs/Ls-x(4)/(Ls);0;0];

        f2=diag([1 1 1 1])+T*F;

        X_pred=x+T*(f1+B*vs_ab);

        Y_pred=H*X_pred;

        Y=is_ab;

        P_pred=f2*P0*f2′+Q;

        K=P_pred*H′*inv(H*P_pred*H′+R);

        sys = X_pred+K*(Y-Y_pred);

        P0=P_pred-K*H*P_pred;

        圖2 基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器仿真模型

        圖2為基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器仿真模型速度計(jì)算模塊如圖3所示,該模塊主要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算。由擴(kuò)展卡爾曼濾波觀測(cè)器得到的線反電勢(shì)信息,根據(jù)線反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信息得到電機(jī)虛擬霍爾信號(hào),由于電機(jī)的線反電勢(shì)的變化頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速一樣,因此可以由電機(jī)的線反電勢(shì)信號(hào)計(jì)算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速,具體公式如下:

        (25)

        式中,p為電機(jī)極對(duì)數(shù);ΔT為相鄰兩次換相時(shí)間間隔。

        PWM模塊是電機(jī)的起動(dòng)和閉環(huán)切換,主要采用三段式起動(dòng)策略,起動(dòng)過(guò)程分為轉(zhuǎn)子預(yù)定位、開(kāi)環(huán)加速、閉環(huán)切入運(yùn)行三個(gè)狀態(tài)。圖4為PWM起動(dòng)和閉環(huán)切換模式。

        圖3 轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊

        圖4 PWM起動(dòng)和閉環(huán)切換模塊

        3.2 仿真結(jié)果及分析

        無(wú)刷直流電機(jī)參數(shù):電機(jī)功率為60W,電機(jī)的電壓為24V,電機(jī)定子電阻0.9Ω,定子電感為3.5mH,極對(duì)數(shù)為4,額定轉(zhuǎn)速為2000r/min,仿真時(shí)間為0.5s。

        無(wú)刷直流電機(jī)工況設(shè)定為額定轉(zhuǎn)速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.3Nm的狀態(tài)進(jìn)行仿真。選取狀態(tài)變量初始值x0,狀態(tài)方差P0、系統(tǒng)噪聲Q、測(cè)量噪聲R結(jié)果如下:

        x0=[0 0 0 0];

        P0=[0.5 0.5 10 10];

        Q=diag[0.1 0.1 30 30];

        R=diag[0.05 0.05]。

        (1)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程的仿真分析:電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行且負(fù)載大小恒定為0.3Nm。

        如圖5所示,電機(jī)從0s開(kāi)始運(yùn)行,大約0.05s的時(shí)間達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)較小,達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間小。如圖6所示,電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和估算轉(zhuǎn)速之間誤差很小,0.05s之前轉(zhuǎn)速誤差為40轉(zhuǎn)左右,電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后轉(zhuǎn)速誤差基本為零。從圖7所示電機(jī)定子電流波形頂部較為平整,仿真給的電機(jī)電流限幅為10A,在電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,電流波形較好。圖8為電機(jī)的線反電勢(shì)波形對(duì)比圖,圖9為電機(jī)的真實(shí)霍爾信號(hào)和虛擬霍爾信號(hào)對(duì)比圖,從圖中可以看出兩者的誤差很小。

        圖5 n=2000r/min時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形

        圖6 n=2000r/min時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差波形

        圖7 n=2000r/min時(shí)電機(jī)定子電流波形

        圖8 n=2000r/min時(shí)電機(jī)線反電勢(shì)波形

        圖9 n=2000r/min時(shí)真實(shí)和虛擬霍爾信號(hào)波形

        (2)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程的仿真分析:電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下變換負(fù)載大小,0.3s時(shí)刻負(fù)載大小由0.3Nm變?yōu)?.5Nm,分析電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、線反電勢(shì)等信息。

        圖10為電機(jī)轉(zhuǎn)速波形,電機(jī)在0.3s時(shí)間切入負(fù)載,電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降較小,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能優(yōu)良。從圖11可以看出電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差較小,在切入負(fù)載時(shí)刻電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差波動(dòng)在10轉(zhuǎn)左右,可以滿足系統(tǒng)需要。從圖12可以看出,在電機(jī)突加負(fù)載時(shí)刻,電流波形變化平緩,整個(gè)系統(tǒng)切換平滑。圖13為電機(jī)的線電勢(shì)在負(fù)載突加時(shí)刻有所降低,這屬于正?,F(xiàn)象,在系統(tǒng)達(dá)到另外一穩(wěn)態(tài)時(shí)重新恢復(fù)到原狀態(tài)。圖14為電機(jī)在負(fù)載突加情況下的真實(shí)霍爾信號(hào)和虛擬霍爾信號(hào)對(duì)比圖,從圖中的局部放大圖可以看出,兩者之間的相位差很小,大概在0.16ms左右,因此可以采用估算出來(lái)的虛擬霍爾信號(hào)來(lái)代替實(shí)際的霍爾信號(hào)。

        圖10 電機(jī)突加負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速波形

        圖11 電機(jī)突加負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速誤差波形

        圖12 電機(jī)突加負(fù)載時(shí)的電流波形

        圖13 電機(jī)突加負(fù)載時(shí)的線反電勢(shì)波形

        圖14 電機(jī)突加負(fù)載時(shí)的真實(shí)和虛擬霍爾信號(hào)波形

        (3)變轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)仿真分析:初始轉(zhuǎn)速給定為2000r/min,在0.3s下降為1500r/min,負(fù)載轉(zhuǎn)矩則保持在0.3Nm不變。在此基礎(chǔ)上分析電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流等信息。

        如圖15所示,電機(jī)突降轉(zhuǎn)速時(shí)候,轉(zhuǎn)速在0.05s左右的時(shí)間重新達(dá)到穩(wěn)態(tài),系統(tǒng)響應(yīng)速度較快,動(dòng)態(tài)性能較好。與此同時(shí),從圖16可以看出,電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差在突減轉(zhuǎn)速后誤差不足20轉(zhuǎn),且在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后電機(jī)的速度誤差在5轉(zhuǎn)以內(nèi),這是因?yàn)殡姍C(jī)的PI調(diào)節(jié)器存在的靜態(tài)誤差,需要再次調(diào)節(jié)PI參數(shù)即可消除靜差。圖17為電機(jī)的實(shí)際線反電勢(shì)和估算得到的線反電勢(shì)對(duì)比圖,兩者之間的誤差較小,可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置的估算。圖18為電機(jī)突減轉(zhuǎn)速時(shí)的真實(shí)和虛擬霍爾信號(hào)對(duì)比圖,從圖中可以看出,虛擬的霍爾信號(hào)在相位上與實(shí)際的霍爾信號(hào)幾乎一致。

        圖15 電機(jī)突減轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速波形

        圖16 電機(jī)突減轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速誤差波形

        圖17 電機(jī)突減轉(zhuǎn)速時(shí)的線反電勢(shì)波形

        圖18 電機(jī)突減轉(zhuǎn)速時(shí)的真實(shí)和虛擬霍爾信號(hào)波形

        綜上所述,本文所采用的擴(kuò)展卡爾曼濾波狀態(tài)觀測(cè)器獲得的電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置信號(hào)誤差小,精度高,跟隨性好。用于無(wú)位置控制時(shí),所建立的模型靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能較好,電機(jī)可以在負(fù)載的擾動(dòng)和轉(zhuǎn)速突變下平穩(wěn)運(yùn)行。

        4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        為驗(yàn)證本文所提出方法的有效性,搭建如圖19的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)驗(yàn)的樣機(jī)為一臺(tái)三相星型連接的永磁無(wú)刷直流電機(jī),具體參數(shù)如表2所示。

        實(shí)驗(yàn)裝置主要包括無(wú)刷直流電機(jī)功率板、DSP2812控制板、無(wú)刷直流電機(jī)和勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)等。其中無(wú)刷直流電機(jī)和直流勵(lì)磁電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接在一起,無(wú)刷直流電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行,拖動(dòng)直流勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)的直流勵(lì)磁電機(jī)則相當(dāng)于做為電機(jī)負(fù)載,且運(yùn)行在發(fā)電模式下,勵(lì)磁直流電機(jī)的電樞回路可以連接電阻等負(fù)載進(jìn)行電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大小的改變,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩的改變。直流勵(lì)磁電機(jī)的勵(lì)磁電壓可以通過(guò)調(diào)壓方式改變,最大勵(lì)磁電壓為220V。

        表2 BLDCM實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

        圖19 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

        4.1 電機(jī)空載運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

        電機(jī)的空載運(yùn)行實(shí)驗(yàn)主要是電機(jī)在空載運(yùn)行下的穩(wěn)態(tài)性能部分,分析電機(jī)在所采用控制策略下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能。電機(jī)在空載條件下起動(dòng)到轉(zhuǎn)速為2000 r/min,通過(guò)分析電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)子位置等信息來(lái)驗(yàn)證所采用控制策略的有效性。

        圖20為電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下空載起動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形,在1.8s左右的時(shí)間電機(jī)估算轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了跳變,這是因?yàn)殡姍C(jī)在此時(shí)達(dá)到了600 r/min,即切換為無(wú)位置的運(yùn)行方式,所以會(huì)出現(xiàn)估算轉(zhuǎn)速的跳變。

        圖20 n=2000 r/min時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速波形

        由圖21可以看出電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差在切換時(shí)有較大誤差,但是穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速誤差較小。

        圖21 n=2000 r/min時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差波形

        圖22為電機(jī)相電流波形,可以看出電機(jī)在開(kāi)環(huán)起動(dòng)加速過(guò)程中電流波動(dòng)較大,約為額定電流的3倍左右,在可以接受的范圍內(nèi)。

        圖22 n=2000 r/min時(shí)的電機(jī)電流波形

        圖23為電機(jī)的實(shí)際霍爾信號(hào)局部波形和估算出來(lái)的虛擬霍爾信號(hào)波形圖,所截取時(shí)間段為電機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行階段,可以看出兩者的位置誤差較小,因此可以使用估算出來(lái)的虛擬霍爾信號(hào)代替實(shí)際的霍爾信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置估算。

        圖23 n=2000 r/min時(shí)的電機(jī)霍爾信號(hào)波形

        4.2 電機(jī)變轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)

        為了驗(yàn)證電機(jī)在無(wú)位置控制策略下的動(dòng)態(tài)性能,這里選擇電機(jī)的運(yùn)行方式為空載運(yùn)行,然后進(jìn)行電機(jī)的變轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。首先電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速1500 r/min下起動(dòng),之后升高轉(zhuǎn)速為2000 r/min,最后轉(zhuǎn)速再下降為1500 r/min。

        圖24為電機(jī)變轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速波形圖,在達(dá)到初始設(shè)定轉(zhuǎn)速后繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速,然后再降低轉(zhuǎn)速,電機(jī)都可以準(zhǔn)確的跟隨,說(shuō)明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良,轉(zhuǎn)速跟隨性能較好。從圖25可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)速的誤差較小,說(shuō)明估算出來(lái)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和實(shí)際的電機(jī)轉(zhuǎn)速相近。

        圖24 電機(jī)變轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速波形

        圖25 電機(jī)變轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速誤差波形

        從圖26電流的局部放大波形來(lái)看,電機(jī)的電流波形較為良好,電機(jī)運(yùn)行的整體性能不錯(cuò)。

        圖26 電機(jī)變轉(zhuǎn)速時(shí)的電流局部波形

        如圖27為電機(jī)的霍爾信號(hào)波形,可以看出兩者霍爾信號(hào)的差別較小,即估算出來(lái)的電機(jī)虛擬霍爾信號(hào)可以適應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速突變,說(shuō)明本系統(tǒng)采用的控制策略可以在電機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況下準(zhǔn)確的得到虛擬霍爾信號(hào),進(jìn)而代替實(shí)際的電機(jī)霍爾信號(hào)。

        圖27 電機(jī)變轉(zhuǎn)速時(shí)的霍爾信號(hào)波形

        4.3 電機(jī)切換負(fù)載實(shí)驗(yàn)

        電機(jī)切換負(fù)載實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證所選控制策略在電機(jī)的實(shí)際負(fù)載變動(dòng)情況下,系統(tǒng)的抗干擾能力。

        圖28為電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形,從圖中可以看出電機(jī)的估算轉(zhuǎn)速波形基本平穩(wěn),沒(méi)太大的波動(dòng),圖29為電機(jī)的轉(zhuǎn)速誤差波形,可以看出誤差波形較小。

        圖28 切換負(fù)載時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速波形

        圖29 切換負(fù)載時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差波形

        圖30和圖31為電機(jī)的相電流和局部電流波形圖,從兩者的分析來(lái)看,電機(jī)的10s左右切入負(fù)載,電流隨之升高到額定電流3.6A左右,電流波形的端部較為平整,則說(shuō)明電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定,在動(dòng)態(tài)情況下仍然可以實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器的準(zhǔn)確運(yùn)行,說(shuō)明本系統(tǒng)具有一定的抗負(fù)載擾動(dòng)性能。

        圖30 切換負(fù)載時(shí)的電機(jī)相電流波形

        圖31 切換負(fù)載時(shí)的電機(jī)相電流局部波形

        5 結(jié) 論

        實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提的基于擴(kuò)展卡爾曼濾波觀測(cè)器的控制策略可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的狀態(tài)觀測(cè),并能將觀測(cè)數(shù)值應(yīng)用于無(wú)位置傳感器控制,并且基于擴(kuò)展卡爾曼濾波觀測(cè)器無(wú)位置控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能,電機(jī)能夠適應(yīng)轉(zhuǎn)速和負(fù)載的突變。

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