基於卡爾曼濾波器和CAN智能從站技術實現開關磁阻電機調速系統設計

2021-01-10 電子發燒友
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基於卡爾曼濾波器和CAN智能從站技術實現開關磁阻電機調速系統設計

方旭東，孫劍 發表於 2020-05-12 09:50:19

引 言

由於應用環境的複雜，地域的廣闊等不利工作條件，給開關磁阻電機的調速控制與相關參數監控帶來了很多影響。因此，設計研製一種基於開關磁阻電機的遠程控制系統（SRD）具有十分重要的現實意義。

Controller Area Network（簡稱CAN），與一般的總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。本文主要探討基於RS-485與CAN總線的開關磁阻電機遠程監控系統的構成。SRD調速系統通常採用傳統PID控制策略，系統很難保守良好性能。目前，神經網絡控制與模糊控制技術應用於SRD取得了一定的成績。

卡爾曼濾算法是一種遞推算法，對於系統存在過程及測量噪聲，狀態變量受到汙染，可以利用卡爾曼濾波技術進行處理。本文將卡爾曼濾波器與傳統的PID控制相結合，使SRD控制效果得到明顯改善。

1、系統設計方案

基於CAN總線的開關磁阻電機遠程控制系統如圖1所示。系統主要包括PC（上位機）、RS-485與CAN結合的通信網絡、CAN智能節點與開關組電機四大部分。串行接口標準的選擇上位機與CAN智能節點間的距離通常較遠，上位機的Rs-232C接口的最大傳輸距離為15m，不能滿足要求。而RS-485串行數據通信標準可傳送1200m以上，因此宜選用後者。上位機本身具有RS-232C接口，可配備一塊RS232-RS485轉換板STD5630，實現RS-232電平到RS-485電平的轉換。

在該遠程監控系統中，採用RS-485與CAN結合通信網絡，節省了CAN適配卡與專門的驅動程序，因此可靠性與性價比得到了較大的提高。

CAN總線智能節點在分布式控制系統中起著承上啟下的作用。它位於執行機構所在的現場，一方面和上位機進行通信，以完成數據交換；另一方面又可根據系統的需要對現場的執行機構進行控制和數據採集。典型的CAN總線控制節點是由微處理器、CAN控制器、CAN接口構成，如圖2所示。

2、硬體電路設計

2．1 RS-485接口電路設計

RS-485接口電路見圖3所示。該電路主要由光耦和RS-485晶片組成，光耦能排除由於共地而可能串入的幹擾。RS-485晶片採用MAX 491，其作用是實現RS-485串口傳輸的電氣標準。圖中MAX491的2個有效電平相反的引腳——接收、驅動器允許腳接在了一起，即使得RS-485工作在半雙工方式。

2．2 CAN節點電路設計

系統各節點採用89C51單片機作為微處理器，選用SJA1000作為CAN控制器，並使用CAN控制器接口晶片82C250。為進一步提高抗幹擾能力，在兩個CAN器件之間使用了由高速隔離器件6N137構成的隔離電路。CAN器件與微處理器的硬體連接圖如圖4所示。硬體電路中使用82C250的目的是為了增大通信距離，提高系統的瞬時抗幹擾能力，保護總線。

3、CAN總線通信軟體設計

遠程控制系統軟體設計包括初始化程序與通信主程序設計。CAN初始化只能在復位模式下進行，初始化主要包括工作方式的設置，波特率參數設置和中斷允許寄存器IER的設置。作為軟體設計核心部分的是RS-485CAN接口通信編程，其程序流程圖如圖5所示。

4、基於卡爾曼濾波器的SRD控制器設計

在SRD控制策略上，主要以線性模型為基礎，結合傳統PI或PID控制器。但是普通PID控制器的參數難以自動調整，由此構建的SRD系統難以獲得理想的輸出特性。對於SRD系統中存在過程及測量噪聲，狀態變量受到汙染，可以利用卡爾曼濾波技術進行濾波，將卡爾曼濾波器與傳統的PID相結合，可以使SRD系統控制效果得到明顯改善。

4．1 卡爾曼濾波器原理

卡爾曼濾波是以最小均方差為準則的最佳線性估計，它根據前一個估計值xk-1和最近一個觀測數據yk來估計信號的當前值，利用狀態方程和遞推方法進行估計。設向量非平穩狀態序列xk和yk用下面的動態方程描述：

4．2 基於卡爾曼濾波器的PID控制結構與仿真

基於卡爾曼濾波器的PID控制系統的結構圖如圖6所示。

採用常規PID控制+卡爾曼濾波器控制，令過程噪聲ωk、νk協方差為1，幅度為0．02，輸入信號為階躍信號。在MATLAB中用隨機函數rand（）來模擬白噪聲。沒有加卡爾曼濾波器的常規PID控制仿真結果如圖7所示，加入濾波器後PID控制階躍響應如圖8所示。

5、結束語

本文在開關磁阻電機調速系統中引入了CAN智能從站技術，並且將RS-485和CAN總線相結合，使開關磁阻電機擺脫舊的控制模式，為電機實現智能化、網絡化、遠程化控制提供一種新的思路。在開關磁阻電機調速系統中，將常規PID控制與卡爾曼濾波器相結合，仿真結果表明，基於卡爾曼濾波器的PID控制方法超調量小、控制效果好。

責任編輯：gt

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