[发明专利]一种基于FPGA的扩展卡尔曼滤波器电路结构设计方法

说明书

一种基于FPGA的扩展卡尔曼滤波器电路结构设计方法，涉及扩展卡尔曼滤波器电路设计领域。为了实现无传感器时永磁同步直流电机转动时速度与位置的估计。根据PMSM当前时刻电流、电压、转子位置和角速度，通过扩展卡尔曼滤波算法预测下一时刻的PMSM转子位置和角速度；包括用于计数的Counter模块，用于按规定顺序顺序使能SIN、COS、DIV、ADD、MUL模块以用于完成EKF的计算的State_Machine模块，RAM_Controller模块，Calucate_Controller模块、SIN模块、COS模块、DIV模块、ADD模块和MUL模块；SIN模块、COS模块用于计算角度的三角正弦、余弦数值，DIV、ADD、MUL模块分别用于计算带符号定点数的除法、加法、乘法。RAM_Controller用于存储上一时刻扩展卡尔曼滤波算法产生的数据。

技术领域

本发明涉及一种扩展卡尔曼滤波器电路结构设计方法，涉及扩展卡尔曼滤波器电路设计领域。

背景技术

常规PMSM电机采用速度、电流、位置三环控制，其中的位置环控制需要使用当前位置、角速度作为PI调节器的参数。由于普通传感器易受到磁场干扰，永磁直流电机周围磁场较强，所以观测到的数据噪声大，稳定性差。且传感器设备臃肿成本高等原因。工业上也会采取各种转子位置速度估算方法(即无传感器法)来估计当前时刻的速度位置，常规估算方法有直接计算，滑膜观测法，模型参考自适应算法，高频信号注入法，人工智能法和在扩展卡尔曼滤波方法，考虑到各种方法的优劣以及其在FPGA上的可实现性，本发明以扩展卡尔曼滤波法进行设计。

以往的应用中,大多采用DSP(数字信号处理器)实现卡尔曼滤波,其优点是灵活、编程简单、可直接采用C语言矩阵运算，缺点是这种灵活性有时是以牺牲效率为代价的,当要求精度很高时,程序复杂度就会增大，因而很难保证实时的要求。针对通用处理器实现卡尔曼滤波算法执行速度较慢的问题，为了追求更好的电机控制效果，需要做到在短时间内完成更多次对速度位置的估算，所以应尽可能提高算法计算速度。用FPGA实现此结构，主要由于FPGA是靠控制每个时钟来驱动信号和寄存器传输，而且FPGA是并行执行的，与通用处理器相比，FPGA是通过较慢的时钟频率，同时并行执行数据流，而通用处理器虽然主频高，但是并行执行能力差，综合起来对于同样的代码，应用程序在FPGA上的运行速度可能比在传统CPU上运行要快100倍。考虑到现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)具有的高度并行性、执行速度快的特点，近些年来对在FPGA中设计卡尔曼滤波算法的硬件实现展开了初步的研究。但现有技术中,没有人提出在FPGA上实现扩展卡尔曼滤波算法的低功耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FPGA的扩展卡尔曼滤波器(EKF)电路结构设计方法，主要针对永磁同步电机(PMSM)转动时速度与位置的估计，即为了实现无传感器时永磁同步直流电机(PMSM)转动时速度与位置的估计。

本发明解决上述技术问题所采用的技术手段为：

一种基于FPGA的扩展卡尔曼滤波器电路结构设计方法，所述方法设计的基于FPGA的扩展卡尔曼滤波器电路结构用于实现传统PMSM电机矢量控制系统中的位置和速度估算器模块，其输出量为角速度(ω)与角度(θ)的估计；所述方法为：

EKF滤波实现步骤：

(1)设置Q_d，R，P₀初始值，将Q_d和R初始值设置为0，将P₀设置为四阶单位矩阵；

(2)从PMSM系统中测量到i_α(n)，i_β(n)，v_α(n)，v_β(n)

(3)根据下列公式计算：