卡爾曼濾波在大功率伺服驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用

摘要：本文介紹了基于XC167單片機(jī)及FPGA的20Kw伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；將卡爾曼濾波（EKF）技術(shù)應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)的低速控制，完成系統(tǒng)低速下電機(jī)轉(zhuǎn)速的估計(jì)；在硬件平臺上使用C語言完成伺服控制系統(tǒng)的軟件編寫，完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：交流伺服；EKF；單片機(jī)；功率模塊

交流伺服系統(tǒng)的性能主要取決于系統(tǒng)的低速控制性能，所以，提高伺服系統(tǒng)性能的關(guān)鍵在于提高低速控制性能。本文在分析了伺服驅(qū)動(dòng)器硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了卡爾曼濾波器和位置傳感器相結(jié)合的方法來進(jìn)行伺服系統(tǒng)的低速的控制，并進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，給出了試驗(yàn)波形。

1 伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的20Kw伺服驅(qū)動(dòng)器硬件系統(tǒng)主要由主控單元和功率驅(qū)動(dòng)單元，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。包括保護(hù)電路及CAN總線接口、單片機(jī)加FPGA基本系統(tǒng)系統(tǒng)幾大部分。

1.1 單片機(jī)主控電路

單片機(jī)主電路是指能使單片機(jī)內(nèi)核正常運(yùn)行、以及能對單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試的最簡硬件設(shè)計(jì)。包括XC167單片機(jī)、晶振、鎖相環(huán)、片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、片外的程序存儲(chǔ)器、片外擴(kuò)展的具有SPI接口的EEPROM等電路。單片機(jī)使用英飛凌公司單片機(jī)芯片XC167，單片機(jī)XC167外接晶振、復(fù)位電路、JTAG（即：仿真器）接口電路等基本電路之外，為滿足驅(qū)動(dòng)器功能要求，單片機(jī)內(nèi)部還配置了64K×16Bit的高速靜態(tài)存儲(chǔ)器，外部配置了128K×8Bit的非易失性存儲(chǔ)器（EEPROM）。由于EEPROM具有非易失性的特點(diǎn)，即使掉電也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，因此用其保存程序運(yùn)行過程中的重要參數(shù)。需要說明的是，除片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外，輸入輸出單片機(jī)的I/O口的信號都要經(jīng)過一級驅(qū)動(dòng)，用以提高信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1.2 IGBT模塊電路設(shè)計(jì)

本驅(qū)動(dòng)器選輸出功率為20kW，母線電壓按540V計(jì)算，通過功率驅(qū)動(dòng)模塊的電流為70A，根據(jù)轉(zhuǎn)換效率并進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，選用300A的功率模塊。本伺服驅(qū)動(dòng)器選用英飛凌公司生產(chǎn)的高度集成化的IGBT晶體管FF300R12ME4作為功率輸出器件，該模塊采用絕緣基板工藝，內(nèi)置優(yōu)化后的柵級驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，具有輸入阻抗高、開關(guān)頻率高、所需驅(qū)動(dòng)功率低、熱穩(wěn)定性好和安全工作區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)，具有集成化的功率輸出電路，可直接連接負(fù)載，集成內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路（短路保護(hù)、過溫保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電壓欠壓保護(hù)），額定工作電流300A，最大工作電流達(dá)600A，工作溫度范圍40℃～+85℃，適用最大電壓為1200V。

2 卡爾曼濾波算法設(shè)計(jì)

基于卡爾曼濾波器的伺服系統(tǒng)和位置傳感器的伺服系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)很相似，但區(qū)別是在轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)子速度的獲取，基于卡爾曼濾波器的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

下面為以永磁同步電機(jī)為控制對象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電機(jī)參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)矩為74NM，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定功率為11.623KW。圖3為額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為74NM時(shí)的一相定子繞組的電流波形圖。電流波形顯示正弦性較好，此時(shí)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)械噪聲較小，電機(jī)在低速下（5rpm）運(yùn)行平穩(wěn)，沒有振動(dòng)、爬行的現(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)高速時(shí)，EKF算法的對系統(tǒng)影響不大，但電機(jī)低速情況下，基于EKF算法明顯改善了電機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)性能指標(biāo)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，爬行現(xiàn)象消失。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于XC167單片機(jī)及FPGA的20Kw伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，由FPGA完成保護(hù)電路的快速鎖存，其它由DSP完成模擬信號和串行總線的處理等，其中DSP完成三環(huán)（位置環(huán)、電流環(huán)、速度環(huán)）控制。通過卡爾曼濾波器估算電流反饋和速度反饋，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以明顯改善電機(jī)的低速性能。

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作者簡介：程高（1985），男，本科，助理工程師。