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(diào)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?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?shù)乃绤^(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(chǎn)生活的各個領域,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(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,具有很好的實踐應用價值,且應用領域廣闊。
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