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子位置方法，實現了電動車用無刷直流電機的無傳感器運行。構建了以cY8c24533芯片為核心的樣機平臺，對無位置傳感器運行方案進行實驗研究。實驗結果表明，擴展卡爾曼濾波算法可準確檢測電機轉子位置信號，系統運行良好，適用于電動車用無刷直流電機的控制。
關鍵詞：電動車；無刷直流電機；轉子位置；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。電動車技術的研發已日益引起世界各國的重視。電動車的發展可有效結合可再生能源的發展，借助智能電網技術等，實現對能源的充分利用[1-2]。
永磁無刷直流電機既具備交流電機的結構簡單、運行可靠等一系列優點，又具備直流電機的運行效率高、調速性能好等諸多特點，廣泛用于電動車的驅動運行[3]。但是，傳統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，安裝在電機內部。位置傳感器的引入不但增加了電機體積和制造維護成本，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用，采用局部線性化手段，更適合于在惡劣環境中應用。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子位置和轉速的方法，只需定子相電流即可實現對電動車用無刷直流電機轉子位置的估計，實現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，它將系統的離散狀態空間模型和測量輸出一起考慮，從而得到一一個多輸入、多輸出系統狀態的****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學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、交軸坐標系統分析并不是很有效。通常直接利用電機本身的相變量來建立數學模型[10]，以二二導通星形三相六狀態為例，不考慮齒槽效應和磁路飽和，忽略磁滯、渦流和集膚效應對電機參數的影響，圖l為通常采用的無刷直流電機原理圖。
3 轉子位置估計方案利用式(2)～式(4)進行迭代運算，實現對電機轉子位置和轉速的檢測，從而實現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子位置檢測方案進行實驗研究。電機參數如下：額定電壓48V、額定轉速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化設計的，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，且具有很高的開關速度和工作頻率，驅動電路簡單，易于控制。cY8c24423A產生的PwM信號，經過光耦隔離和IH2110模塊，即可驅動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，電流信號從而轉化為電壓值。經過電流傳感器，需要檢測的電流信號按比例轉換為電壓信號，為了防止后續電路對這個電壓檢測信號的干擾，系統利用運算放大器“虛短”和“虛斷”的原理設計了電壓跟隨器，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過電壓跟隨器，不僅電壓值保持不變，而日還不受后續電路的影響。
號的對比圖。由圖可知，無論電機起動還是穩態過程，EKF轉子位置檢測方案輸出的轉子位置信號都能準確反映出電機轉子的實際位置，與實際物理傳感器檢測結果一致，實驗結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轉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子位置檢測。
實驗中同時發現，與電機穩態運行階段性比，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，電機模型和參數的精確程度、計算誤差等也會對轉子位置估計結果產生一定影響。
5結語
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學模型的分析，給出了電機位置估算和無傳感器運行的具體算法實現。以高性能數字微處理器cY8c24423A為核心，構建了無刷直流電機無位置傳感器控制系統，對所提出的檢測方案進行了實驗驗證。實驗結果表明，利用擴展卡爾曼濾波器，能夠比較準確實現對無刷直流電機的轉速和轉角進行檢測，系統運行性能良好。 |
