基于EKF的電動車用無刷直流電機無傳感器運行

樊繼永

    摘要：對電動車用無刷直流電動機使崩普通的位置傳感器所產(chǎn)生的缺陷，給出了一種利用擴展卡爾曼濾波器估計無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置方法，實現(xiàn)了電動車用無刷直流電機的無傳感器運行。構(gòu)建了以cY8c24533芯片為核心的樣機平臺，對無位置傳感器運行方案進(jìn)行實驗研究。實驗結(jié)果表明，擴展卡爾曼濾波算法可準(zhǔn)確檢測電機轉(zhuǎn)子位置信號，系統(tǒng)運行良好，適用于電動車用無刷直流電機的控制。

    關(guān)鍵詞：電動車；無刷直流電機；轉(zhuǎn)子位置；擴展卡爾曼濾波；無傳感器

    0引  言

    電動車作為一種綠色交通工具，可大幅減少溫室氣體排放，降低對石油的依賴。電動車技術(shù)的研發(fā)已日益引起世界各國的重視。電動車的發(fā)展可有效結(jié)合可再生能源的發(fā)展，借助智能電網(wǎng)技術(shù)等，實現(xiàn)對能源的充分利用[1-2]。

    永磁無刷直流電機既具備交流電機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠等一系列優(yōu)點，又具備直流電機的運行效率高、調(diào)速性能好等諸多特點，廣泛用于電動車的驅(qū)動運行[3]。但是，傳統(tǒng)的無刷直流電機大多以霍爾元件或其它位置檢測元件為位置傳感器，安裝在電機內(nèi)部。位置傳感器的引入不但增加了電機體積和制造維護(hù)成本，并且由于需要額外增加引出線，降低了電機控制的可靠性，影響了對電動車的運行性能[4-6]。

    卡爾曼濾波是一種最小方差意義上的****預(yù)測估計方法，它可以有效地削弱隨機干擾和測量噪聲的影響。擴展的卡爾曼濾波器(EKF)是卡爾曼濾波器的一種推廣應(yīng)用，采用局部線性化手段，更適合于在惡劣環(huán)境中應(yīng)用。本文給出了一種利用擴展卡爾曼濾波器估計無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的方法，只需定子相電流即可實現(xiàn)對電動車用無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置的估計，實現(xiàn)了其無傳感器控制運行。

    l擴展卡爾曼濾波算法

    擴展卡爾曼濾波器是一種遞歸算法，它將系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間模型和測量輸出一起考慮，從而得到一一個多輸入、多輸出系統(tǒng)狀態(tài)的****估計[9]。擴展卡爾曼濾波器算法采用遞推形式，非常適合在計算機上運行。2無刷直流電機運行原理及數(shù)學(xué)模型由于無刷直流電機的氣隙磁場、反電動勢以及電流波形是非正弦的，因此采用直、交軸坐標(biāo)系統(tǒng)分析并不是很有效。通常直接利用電機本身的相變量來建立數(shù)學(xué)模型[10]，以二二導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，不考慮齒槽效應(yīng)和磁路飽和，忽略磁滯、渦流和集膚效應(yīng)對電機參數(shù)的影響，圖l為通常采用的無刷直流電機原理圖。

    3 轉(zhuǎn)子位置估計方案利用式(2)～式(4)進(jìn)行迭代運算，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的檢測，從而實現(xiàn)無刷直流電機的無傳感器運行。

    4實驗研究本文選取一臺電動車用輪轂式無刷直流電機，對所提出的基于擴展卡爾曼濾波的電機轉(zhuǎn)子位置檢測方案進(jìn)行實驗研究。電機參數(shù)如下：額定電壓48V、額定轉(zhuǎn)速430 r／min額定功率350 w、23對極。用cY8c24423A系列無刷電機控制器芯片。該芯片是一款專門為控制優(yōu)化設(shè)計的，特別適合于無刷直流電動機的控制，由于芯片集成了許多無刷直流電動機控制外同電路，具有很高的性價比：主開關(guān)器件采用M0sFET功率管，具有輸入電流小，輸入阻抗高，且具有很高的開關(guān)速度和工作頻率，驅(qū)動電路簡單，易于控制。cY8c24423A產(chǎn)生的PwM信號，經(jīng)過光耦隔離和IH2110模塊，即可驅(qū)動MOsFET管。電機相電流檢測對擴展卡爾曼濾波器的位置估計精度具有重要的影響，實驗選用瑞士LEM公司LA58一P型號的電流傳感器。LA58一P型霍爾電流傳感器的典型連接如圖3所示，LA58 P型霍爾電流傳感器采用±15 V供電，檢測端M接一個檢測電阻RM，檢測信號就是取自這個檢測電阻RM上的壓降，電流信號從而轉(zhuǎn)化為電壓值。經(jīng)過電流傳感器，需要檢測的電流信號按比例轉(zhuǎn)換為電壓信號，為了防止后續(xù)電路對這個電壓檢測信號的干擾，系統(tǒng)利用運算放大器“虛短”和“虛斷”的原理設(shè)計了電壓跟隨器，如圖4所示。電壓跟隨器輸入阻抗無窮大，檢測得到的電壓信號經(jīng)過電壓跟隨器，不僅電壓值保持不變，而日還不受后續(xù)電路的影響。

號的對比圖。由圖可知，無論電機起動還是穩(wěn)態(tài)過程，EKF轉(zhuǎn)子位置檢測方案輸出的轉(zhuǎn)子位置信號都能準(zhǔn)確反映出電機轉(zhuǎn)子的實際位置，與實際物理傳感器檢測結(jié)果一致，實驗結(jié)果驗證了本文檢測方案的有效性。由于無刷直流電機需要根據(jù)轉(zhuǎn)予位置確定電機電流的控制方式，從這兩個圖可以看出，電機電流波形基本為方波形狀，基本實現(xiàn)了控制目的，這也從另一個方面表明了EKF檢測方案適用于無刷直流電機的轉(zhuǎn)子位置檢測。

    實驗中同時發(fā)現(xiàn)，與電機穩(wěn)態(tài)運行階段性比，起動階段的位置估計誤差較大，這是由于擴展卡爾曼濾波器需要經(jīng)過一定時間才能收斂，從而造成lr一定的估計時延。而且，電機模型和參數(shù)的精確程度、計算誤差等也會對轉(zhuǎn)子位置估計結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

    5結(jié)語

    本文研究了基于擴展卡爾曼濾波器的電動車用無刷直流電機位置檢測方法，通過對擴展卡爾曼濾波器原理和無刷直流電機數(shù)學(xué)模型的分析，給出了電機位置估算和無傳感器運行的具體算法實現(xiàn)。以高性能數(shù)字微處理器cY8c24423A為核心，構(gòu)建了無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)，對所提出的檢測方案進(jìn)行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，利用擴展卡爾曼濾波器，能夠比較準(zhǔn)確實現(xiàn)對無刷直流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角進(jìn)行檢測，系統(tǒng)運行性能良好。