基于EKF的电动车用无刷直流电机无传感器运行
樊继永
摘要：对电动车用无刷直流电动机使崩普通的位置传感器所产生的缺陷，给出了一种利用扩展卡尔曼滤波器估计无刷直流电机转子位置方法，实现了电动车用无刷直流电机的无传感器运行。构建了以cY8c24533芯片为核心的样机平台，对无位置传感器运行方案进行实验研究。实验结果表明，扩展卡尔曼滤波算法可准确检测电机转子位置信号，系统运行良好，适用于电动车用无刷直流电机的控制。
关键词：电动车；无刷直流电机；转子位置；扩展卡尔曼滤波；无传感器
0引 言
电动车作为一种绿色交通工具，可大幅减少温室气体排放，降低对石油的依赖。电动车技术的研发已日益引起世界各国的重视。电动车的发展可有效结合可再生能源的发展，借助智能电网技术等，实现对能源的充分利用[1-2]。
永磁无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠等一系列优点，又具备直流电机的运行效率高、调速性能好等诸多特点，广泛用于电动车的驱动运行[3]。但是，传统的无刷直流电机大多以霍尔元件或其它位置检测元件为位置传感器，安装在电机内部。位置传感器的引入不但增加了电机体积和制造维护成本，并且由于需要额外增加引出线，降低了电机控制的可靠性，影响了对电动车的运行性能[4-6]。
卡尔曼滤波是一种最小方差意义上的****预测估计方法，它可以有效地削弱随机干扰和测量噪声的影响。扩展的卡尔曼滤波器(EKF)是卡尔曼滤波器的一种推广应用，采用局部线性化手段，更适合于在恶劣环境中应用。本文给出了一种利用扩展卡尔曼滤波器估计无刷直流电机转子位置和转速的方法，只需定子相电流即可实现对电动车用无刷直流电机转子位置的估计，实现了其无传感器控制运行。
l扩展卡尔曼滤波算法
扩展卡尔曼滤波器是一种递归算法，它将系统的离散状态空间模型和测量输出一起考虑，从而得到一一个多输入、多输出系统状态的****估计[9]。扩展卡尔曼滤波器算法采用递推形式，非常适合在计算机上运行。2无刷直流电机运行原理及数学模型由于无刷直流电机的气隙磁场、反电动势以及电流波形是非正弦的，因此采用直、交轴坐标系统分析并不是很有效。通常直接利用电机本身的相变量来建立数学模型[10]，以二二导通星形三相六状态为例，不考虑齿槽效应和磁路饱和，忽略磁滞、涡流和集肤效应对电机参数的影响，图l为通常采用的无刷直流电机原理图。
3 转子位置估计方案利用式(2)～式(4)进行迭代运算，实现对电机转子位置和转速的检测，从而实现无刷直流电机的无传感器运行。
4实验研究本文选取一台电动车用轮毂式无刷直流电机，对所提出的基于扩展卡尔曼滤波的电机转子位置检测方案进行实验研究。电机参数如下：额定电压48V、额定转速430 r／min额定功率350 w、23对极。用cY8c24423A系列无刷电机控制器芯片。该芯片是一款专门为控制优化设计的，特别适合于无刷直流电动机的控制，由于芯片集成了许多无刷直流电动机控制外同电路，具有很高的性价比：主开关器件采用M0sFET功率管，具有输入电流小，输入阻抗高，且具有很高的开关速度和工作频率，驱动电路简单，易于控制。cY8c24423A产生的PwM信号，经过光耦隔离和IH2110模块，即可驱动MOsFET管。电机相电流检测对扩展卡尔曼滤波器的位置估计精度具有重要的影响，实验选用瑞士LEM公司LA58一P型号的电流传感器。LA58一P型霍尔电流传感器的典型连接如图3所示，LA58 P型霍尔电流传感器采用±15 V供电，检测端M接一个检测电阻RM，检测信号就是取自这个检测电阻RM上的压降，电流信号从而转化为电压值。经过电流传感器，需要检测的电流信号按比例转换为电压信号，为了防止后续电路对这个电压检测信号的干扰，系统利用运算放大器“虚短”和“虚断”的原理设计了电压跟随器，如图4所示。电压跟随器输入阻抗无穷大，检测得到的电压信号经过电压跟随器，不仅电压值保持不变，而日还不受后续电路的影响。
号的对比图。由图可知，无论电机起动还是稳态过程，EKF转子位置检测方案输出的转子位置信号都能准确反映出电机转子的实际位置，与实际物理传感器检测结果一致，实验结果验证了本文检测方案的有效性。由于无刷直流电机需要根据转予位置确定电机电流的控制方式，从这两个图可以看出，电机电流波形基本为方波形状，基本实现了控制目的，这也从另一个方面表明了EKF检测方案适用于无刷直流电机的转子位置检测。
实验中同时发现，与电机稳态运行阶段性比，起动阶段的位置估计误差较大，这是由于扩展卡尔曼滤波器需要经过一定时间才能收敛，从而造成lr一定的估计时延。而且，电机模型和参数的精确程度、计算误差等也会对转子位置估计结果产生一定影响。
5结语
本文研究了基于扩展卡尔曼滤波器的电动车用无刷直流电机位置检测方法，通过对扩展卡尔曼滤波器原理和无刷直流电机数学模型的分析，给出了电机位置估算和无传感器运行的具体算法实现。以高性能数字微处理器cY8c24423A为核心，构建了无刷直流电机无位置传感器控制系统，对所提出的检测方案进行了实验验证。实验结果表明，利用扩展卡尔曼滤波器，能够比较准确实现对无刷直流电机的转速和转角进行检测，系统运行性能良好。 |
