基于STM32F407擴(kuò)展卡爾曼軟啟動器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

董錦旗，郝曉紅

（1.天津機(jī)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(jī)在初始啟動過程中，需要較大的電流，其最大電流可達(dá)到電機(jī)本身額定電流的5～8倍以上，一方面給電機(jī)自身帶來額外的耗損，另一方面也嚴(yán)重影響了電機(jī)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(jī)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(jī)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(kuò)展卡爾曼濾波器對電機(jī)磁鏈直接觀測；設(shè)計(jì)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(jì)的軟啟動器快速、準(zhǔn)確以及可靠的運(yùn)行，從根本上抑制了傳統(tǒng)電機(jī)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(diǎn)。且進(jìn)一步對設(shè)計(jì)的軟啟動器控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，文章所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的轉(zhuǎn)矩控制性能，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)平滑啟動，降低了對電網(wǎng)的沖擊，具有較高的使用價(jià)值。

1 擴(kuò)展卡爾曼轉(zhuǎn)矩控制軟啟動器算法設(shè)計(jì)

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(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型通用方程式為：

式中，p為異步電機(jī)極對數(shù)。

通常采用定子磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制方式運(yùn)行系統(tǒng)，定子磁鏈的估算是否準(zhǔn)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(jī)能否高性能運(yùn)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(gè)易測得的定子電阻rs參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中低速時(shí)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(kuò)展卡爾曼算法對定子磁鏈觀測器進(jìn)行改進(jìn)。擴(kuò)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(jì)錯(cuò)誤時(shí)亦被當(dāng)作干擾一樣處理。擴(kuò)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(jì)能力，亦可用于對未知參數(shù)的估計(jì)[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(shí)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(jī)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(shí)間Tk，由連續(xù)的最佳估計(jì)狀態(tài)濾波值和它的濾波誤差方差陣構(gòu)成了一個(gè)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(jìn)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(shí)間，的協(xié)方差矩陣。

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

式中，擴(kuò)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(kuò)展卡爾曼濾波器獲得電機(jī)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(jī)軟啟動擴(kuò)展卡爾曼轉(zhuǎn)矩觀測控制框圖如圖2所示。

圖2 擴(kuò)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(jì)

設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)控制功能（MCU）、數(shù)字信號處理功能（DSP）、內(nèi)嵌FPU指令、實(shí)時(shí)時(shí)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(jī)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(jì)

軟啟動器硬件系統(tǒng)主要包括電機(jī)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(hù)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(jì)思路，實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的工作電壓、電流、功率等參數(shù)；采用簡潔、清晰的人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)系統(tǒng)的通信；并設(shè)置系統(tǒng)故障報(bào)警、立即停止等保護(hù)功能。保證了控制系統(tǒng)的準(zhǔn)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(cuò)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(hù)、維修提供技術(shù)參數(shù)。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用Keil uVision4進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，程序中，每100us進(jìn)行一次輸出電壓和輸出電流的采樣，以保證RMS計(jì)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(jì)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(jì)算得到的定時(shí)器初始值，送入相應(yīng)比較寄存器中，觸發(fā)定時(shí)器中斷，中斷產(chǎn)生后觸發(fā)晶閘管，電動機(jī)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(jī)額定電流倍數(shù)內(nèi)，則完成軟啟動。當(dāng)接到停機(jī)指令時(shí)，則根據(jù)設(shè)定的軟停車時(shí)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(jì)流程圖

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

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對文中設(shè)計(jì)的擴(kuò)展卡爾曼濾波器磁鏈改進(jìn)和轉(zhuǎn)矩估算的STM32F407控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jī)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(jī)極對數(shù)np=2。實(shí)驗(yàn)得到的電機(jī)觸發(fā)脈沖波形；起動電流波形以及電機(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)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(jī)試驗(yàn)平臺裝置圖

4 結(jié)論

文章采用的擴(kuò)展卡爾曼磁鏈觀測優(yōu)化及轉(zhuǎn)矩估算方法對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)整，可以實(shí)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(jì)系統(tǒng)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的控制。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jī)軟啟動控制要求，具有較高的使用價(jià)值。

[1]陳伯時(shí).電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2]謝麗蓉,王智勇,吳萬祿.三相籠型異步電動機(jī)啟動特性的研究[J].2011,32(9):12-13,17.

[3]姬志艷,李永東,司保軍,鄭逢時(shí).無速度傳感器異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究[J].北京:電工技術(shù)學(xué)報(bào),1997,12(4):15-19.

[4]程啟明,王映斐,程尹曼,等.改進(jìn)的MRAS無速度傳感器VC控制系統(tǒng)仿真研究[J].自動化儀表,2012,33(7):1-4,8.

[5]Ademir Nied, Jose de Oliveira, Rafael de Farias Campos, etal.Soft Starting of Induction Motor With Torque Control[J].IEEE Trans Ind Appl.2010,46(3)1002-1010.

[6]Güurkan Zenginobuz，I??k ?ad?rc?，Muammer Ermi?.Soft Starting of Large Induction Motors at Constant Current With Minimized Starting Torque Pulsations[J].IEEE Trans Ind Appl.2001,37(5)1334-1346.

[7]許崢,王輝,譚健.基于新型磁鏈觀測模型的矢量控制系統(tǒng)研究[J].電氣傳動,2008,38(5)11-14.

[8]張敏燕,陳治川.無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[J].電氣傳動自動化,2008,30(2)16-19.

[9]劉國海,蔣彥.擴(kuò)展卡爾曼濾波器在永磁同步電機(jī)控制中的應(yīng)用[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,27(3)249-253.

[10]劉思華,張樹春.用擴(kuò)展卡爾曼濾波器估計(jì)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速[J].微電機(jī),2006,39(6)8-10.

[11]張慧娟.STM32F4系列搶占Cortex-M4內(nèi)核先機(jī)[J].EDNCHINA電子設(shè)計(jì)技術(shù),2011,18(11):16-18.