基于STM32F407擴展卡爾曼軟啟動器設(shè)計和實現(xiàn)

董錦旗，郝曉紅

（1.天津機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，天津；2.中國民航大學(xué) 工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300）

0 引言

電機在初始啟動過程中，需要較大的電流，其最大電流可達到電機本身額定電流的5～8倍以上，一方面給電機自身帶來額外的耗損，另一方面也嚴重影響了電機的使用壽命。解決此問題，當(dāng)前主要的解決辦法大多采用的是軟啟動器控制，該方法一定程度上限制了電機的啟動電流，避免了過大的啟動電流[1,2]。

為了很好的解決電機在啟動期間電流較大等引發(fā)的一系列問題，文章引入了擴展卡爾曼濾波器對電機磁鏈直接觀測；設(shè)計了基于STM32F407微處理器的軟啟動器系統(tǒng)。系統(tǒng)分別從硬件系統(tǒng)和軟件算法兩方面保證所設(shè)計的軟啟動器快速、準確以及可靠的運行，從根本上抑制了傳統(tǒng)電機由純積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生的初值敏感性和直流漂移等主要缺點。且進一步對設(shè)計的軟啟動器控制系統(tǒng)進行實驗驗證。實驗驗證結(jié)果表明，文章所設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的轉(zhuǎn)矩控制性能，實現(xiàn)了電機平滑啟動，降低了對電網(wǎng)的沖擊，具有較高的使用價值。

1 擴展卡爾曼轉(zhuǎn)矩控制軟啟動器算法設(shè)計

在靜止坐標(biāo)系（α-β）中定子電壓方程和磁鏈方程如下[2]：

式中：usα、usβ、isα、isβ分別為靜止坐標(biāo)系下定子電壓和電流；rs、Ls、Lm為定子電阻、定子電感和定子轉(zhuǎn)子互感；isα、isβ為靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子電流；ψsα、ψsβ為靜止做標(biāo)下的定子磁鏈。

電機的電磁轉(zhuǎn)矩數(shù)學(xué)模型通用方程式為：

式中，p為異步電機極對數(shù)。

通常采用定子磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制方式運行系統(tǒng)，定子磁鏈的估算是否準確對電壓空間矢量的選擇和轉(zhuǎn)矩的觀測結(jié)果影響極大,是電機能否高性能運轉(zhuǎn)的重要環(huán)節(jié)。圖1為直接轉(zhuǎn)矩定子磁鏈觀測模型，從圖中可知，U-i磁鏈觀測模型中只有一個易測得的定子電阻rs參數(shù)，實際應(yīng)用中低速時定子電阻壓降占電壓的絕大部分，對轉(zhuǎn)矩估算影響較大[3,4,5,6]。

文章采用擴展卡爾曼算法對定子磁鏈觀測器進行改進。擴展卡爾曼濾波器提供了一種解決方案，直接關(guān)注包括系統(tǒng)和測量噪聲在內(nèi)的干擾噪聲所帶來的影響，即當(dāng)參數(shù)估計錯誤時亦被當(dāng)作干擾一樣處理。擴展卡爾曼濾波器還具有較好的動態(tài)性能、高抗干擾性和精確的估計能力，亦可用于對未知參數(shù)的估計[7]。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩定子磁鏈觀測模型

一般的非線性系統(tǒng)方程可表示為：

式中，σ(t)、μ(tk)分別為系統(tǒng)噪聲和測量噪聲，其均值為零；方差矩陣分別為Q(t)和R，并且和系統(tǒng)狀態(tài)x及采樣時間tk不相關(guān)，u(t)為確定性輸入向量；初始狀態(tài)向量x(t0)表述為一具有均值x0、方差P0的高斯隨機向量。

由于離散事件是由連續(xù)不斷的重復(fù)采樣所得到的，所以根據(jù)給定的采樣時間Tk，由連續(xù)的最佳估計狀態(tài)濾波值和它的濾波誤差方差陣構(gòu)成了一個循環(huán)。循環(huán)體由以下兩步組成：

1）預(yù)測步驟：對所有的量進行預(yù)估，預(yù)測步驟算法為：

式中，F(xiàn)為系統(tǒng)梯度矩陣，Ts為采樣時間，的協(xié)方差矩陣。

2）修正步驟：應(yīng)用實測的量來反饋修正在上一步預(yù)測出的狀態(tài)估計值和它的協(xié)方差矩陣。其迭代關(guān)系算法為：

式中，擴展卡爾曼的增益算法定義為：H為變換矩陣，R為μ(tk)的協(xié)方差矩陣[7,8,9,10]。

由擴展卡爾曼濾波器獲得電機定子磁鏈觀測值，用作控制中的反饋量。給定參考轉(zhuǎn)矩Te*和電磁轉(zhuǎn)矩Te的誤差通過PI控制器獲得轉(zhuǎn)矩角增量△δ，轉(zhuǎn)矩角增量為觸發(fā)脈沖器生成脈沖依據(jù)，最后對晶閘管觸發(fā)。異步電機軟啟動擴展卡爾曼轉(zhuǎn)矩觀測控制框圖如圖2所示。

圖2 擴展卡爾曼轉(zhuǎn)矩觀測控制框圖

2 基于STM32F407軟啟動器控制系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計的軟啟動器控制系統(tǒng)以STM32F407微處理控制芯片為核心，利用其內(nèi)部的實時控制功能（MCU）、數(shù)字信號處理功能（DSP）、內(nèi)嵌FPU指令、實時時鐘（RTC）以及高速模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）等一系列的優(yōu)良性能[11]，來完成對電機軟啟動器定子測電壓/電流的檢測、采集、轉(zhuǎn)換、通信等功能。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

軟啟動器硬件系統(tǒng)主要包括電機定子電壓/電流檢測電路模塊、U/I數(shù)據(jù)采集電路模塊、驅(qū)動電路模塊、系統(tǒng)保護電路模塊、通信協(xié)議模塊、顯示電路模塊以及自測試模塊等，圖3為軟啟動器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 為軟啟動器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了系統(tǒng)的可靠性與抗干擾性，硬件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思路，實時監(jiān)控電機的工作電壓、電流、功率等參數(shù)；采用簡潔、清晰的人機交互界面實現(xiàn)上位機與下位機系統(tǒng)的通信；并設(shè)置系統(tǒng)故障報警、立即停止等保護功能。保證了控制系統(tǒng)的準確性、可靠性和快速性。

除此之外，控制系統(tǒng)還包括自測試（BITE）模塊，該模塊主要用于檢測控制芯片內(nèi)部處理模塊、接口電路模塊以及驅(qū)動電路模塊，一旦發(fā)出故障、錯誤信號等異常信號，終止系統(tǒng)工作，給出相關(guān)警告信息。為軟啟動器控制系統(tǒng)的維護、維修提供技術(shù)參數(shù)。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用Keil uVision4進行開發(fā)設(shè)計，程序中，每100us進行一次輸出電壓和輸出電流的采樣，以保證RMS計算需要。當(dāng)收到啟動命令后，則根據(jù)設(shè)置的初始啟動電壓計算相應(yīng)觸發(fā)角；當(dāng)捕獲到同步信號后，根據(jù)觸發(fā)計算得到的定時器初始值，送入相應(yīng)比較寄存器中，觸發(fā)定時器中斷，中斷產(chǎn)生后觸發(fā)晶閘管，電動機開始啟動。啟動過程中，根據(jù)設(shè)定限流倍數(shù)和相應(yīng)控制觸發(fā)角大小，直到輸出電流降到設(shè)定的電機額定電流倍數(shù)內(nèi)，則完成軟啟動。當(dāng)接到停機指令時，則根據(jù)設(shè)定的軟停車時間，控制觸發(fā)角以逐漸減少電壓輸出，到完全關(guān)閉晶閘管。

圖4 程序設(shè)計流程圖

為更好的保護軟啟動裝置和電機，程序中設(shè)計了多種保護程序，包括過流、欠壓、過壓、電機過熱、缺相等，圖4軟啟動程序設(shè)計流程圖。

3 實驗驗證

針對文中設(shè)計的擴展卡爾曼濾波器磁鏈改進和轉(zhuǎn)矩估算的STM32F407控制系統(tǒng)進行了實驗驗證，根據(jù)式(1)～式(10)得出的軟啟動器數(shù)學(xué)模型，設(shè)置電機參數(shù)設(shè)置為：額定功率PN=5.5kW，額定電壓UN=380V，頻率fN=50Hz，定子電阻rs=0.435Ω，定子電感Ls=0.004H，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.816Ω，轉(zhuǎn)子電感Lr=0.002H，互感Lm=0.06931H，轉(zhuǎn)動慣量J=0.089kg.m2，電機極對數(shù)np=2。實驗得到的電機觸發(fā)脈沖波形；起動電流波形以及電機轉(zhuǎn)速波形如圖4所示。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的軟啟動器滿足了控制要求，有效抑制了轉(zhuǎn)矩脈動。

圖5 觸發(fā)脈沖波形

圖6 起動電流波形

圖7 電機試驗平臺裝置圖

4 結(jié)論

文章采用的擴展卡爾曼磁鏈觀測優(yōu)化及轉(zhuǎn)矩估算方法對電機參數(shù)進行精確調(diào)整，可以實現(xiàn)定子磁鏈的精確跟蹤，且采用STM32F407高性能的控制芯片對設(shè)計系統(tǒng)進行快速、準確的控制。通過實驗驗證，該系統(tǒng)能夠有效地解決常規(guī)控制方法中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動問題，很好的滿足電機軟啟動控制要求，具有較高的使用價值。

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