MatlabSimulink 同步磁阻電機驅(qū)動器的快速控制原型，第二部分實驗仿真

在離線原型設計中，受控電子驅(qū)動器(電機、轉(zhuǎn)換器和傳感器)的模型被添加到我們的方案中，并在 Simulink 中對生成的模型進行仿真。值得指出的是： 1 st，e-drive 模型被放置在中斷驅(qū)動控制 ISR 塊之外，因此它將根據(jù)固定或可變步長求解器的設置計算為時間連續(xù)系統(tǒng)。模型; 第二，為了完全符合控制 ISR 的目標微依賴實現(xiàn)，也必須從信號開始模擬其驅(qū)動 I/O 信號的外圍設備(ADC、QEP、PWM...)的特性屬性。

實現(xiàn)電子驅(qū)動器仿真的 Simulink 模型部分如圖 6 所示。還包括對目標微 I/O 外設的硬件特性進行建模的模塊。功率轉(zhuǎn)換器被建模為理想電壓源逆變器，提供兩種操作模式：“理想開關(guān)”或“理想平均”，具體取決于是否模擬 PWM 單元的操作。這種選擇也與在實時仿真中使用相同模型的電動驅(qū)動器的可能性相關(guān)，并將在本節(jié)后面討論。

在實時原型設計中，受控電子驅(qū)動器的模型嵌入實時控制代碼中，并直接在微控制器硬件上進行計算。

可以使用的模型，但它必須放在控制 ISR 塊內(nèi)。這種約束涉及到 1 st，需要選擇和實現(xiàn)非線性微分方程系統(tǒng)的求解器，至少對于電機模型計算而言;第二，為這個求解器設置一個合適的時間步長。

對于第一項，本文選擇了 4階固定步長 Runge-Kutta 算法，在計算時間和解的準確性之間做出了很好的折衷。關(guān)于時間步長，首要的選擇是利用PWM周期本身，即在每個控制步長積分微分模型。后者，盡管求解器的自定義實現(xiàn)允許構(gòu)思更準確的解決方案。有了這個選擇，看圖 6 中的方案，微控制器的 PWM 單元的模擬就沒有必要了。逆變器以其理想的“周期平均”行為進行模擬。

值得指出的是，在 Simulink 中可以為模型子系統(tǒng)使用自定義求解器算法。因此： 1 st，嵌入求解器算法的相同電動機塊可用于離線和實時仿真。因此，第二，離線和實時響應之間的直接比較可以評估積分時間步長的準確性。主機-用戶界面的實時通信設施仍可實時使用模擬。

SynRel 電機建模和控制方案

要建立實時仿真方法，需要考慮受控電子驅(qū)動器的仿真模型，該模型適用于目標處理器中的計算。

這種模型的基本要求必須是低計算負擔和高可靠性，同時保持足夠的精度。在上概述的驅(qū)動組件中，必須重點關(guān)注電動機，其模型本質(zhì)上是一組微分、非線性分析方程。此外，當給定電機類型的電磁非線性不可忽略時，不能使用通常眾所周知的集總參數(shù)模型，如 SynRel 電機。

基于此推理，SynRel 電機已通過布置在轉(zhuǎn)子固定dq參考中的等效兩相模型進行仿真，輸入電壓的 Park 變換嵌套在 RK 求解器算法中以提高精度。此外，為了考慮 SynRel 的非線性和交叉耦合，使用了反向磁通與電流圖，由電機的有限元模型計算，這意味著磁通作為微分模型中的狀態(tài)變量。

這樣的模型既可用于實時仿真，也可用于離線仿真。在第一種情況下，逆變器被建模為“PWM 周期的理想平均值”。

當然，在第二種情況下，求解器步長必須盡可能小，以符合目標微控制器上 PWM 計數(shù)器的分辨率。

然而，為原型設計提供了不同的操作設施和測試模式，例如用于編碼器初始化、速度、扭矩或電流控制模式的轉(zhuǎn)子校準和估計程序;d/q軸上的階躍電流響應;通量觀察者等。

該控制方案大部分在浮點運算中實現(xiàn)，利用 32 位 TI Delfino F28379S微控制器的特性。軟件可靠性、易用性和實施靈活性是快速原型設計的基本要求?？刂品桨傅拿總€功能塊被安排為具有適當設置和啟用標志的參數(shù)庫模塊。此后，開發(fā)人員必須注意鏈接模塊，以使它們的輸入/輸出變量與控制方案和操作模式的結(jié)構(gòu)相匹配。

原型平臺

用于對所提出的 RCP 技術(shù)進行實驗驗證的原型平臺。SynRel 電機是為工業(yè)應用而設計的原型，轉(zhuǎn)子上有兩個極對和四個磁通屏障。表 I 恢復了主要電機數(shù)據(jù)。

功率轉(zhuǎn)換器是一款商用 IGBT 逆變器(2 個 CBI 模塊)，帶有散熱器、光耦合驅(qū)動器、輸出相電流和 DC-Link 電壓傳感器以及內(nèi)部 NTC 模塊溫度。開發(fā)板包括集成到定制接口板中的 TI Delfino F28379S 微控制器：后者承載輸入/輸出控制和調(diào)試信號的調(diào)節(jié)電路。

主機PC通過標準的RS-232串口與開發(fā)板通信。此鏈接實現(xiàn)了在獨立 Simulink 模型中運行的自定義主機控制臺的實時功能。用戶面板允許選擇測試模式、發(fā)送設定點和參數(shù)，以及選擇目標發(fā)送到主機 PC 的控制變量，以便使用 Simulink Scopes進行實時可視化。

本文介紹的所有實驗都是在 10 kHz PWM 頻率、0.5 us 逆變器死區(qū)時間和 300 V 直流母線電壓 (V dc ) 下實現(xiàn)的。

實驗驗證

下面說明了一些使用建議的快速原型制作技術(shù)和相關(guān)實驗測試的例子。

A. 初始化程序

此過程涉及 ADC 測量中的偏移補償和轉(zhuǎn)子對齊。這最后是通過施加與參考相位“ a ”的磁軸對齊的固定 FMM 來完成的，隨后將該位置作為編碼器測量的零位施加。

初始轉(zhuǎn)子位置固定在 60 elec。度，對準電流為0.3 pu。在更改為 0.05 pu(即 MTPA 控制的最小電流)之前，該值保持足夠長的時間以進行對齊。實驗中的位置測量已預先初始化，以便更好地了解其瞬態(tài)。即使對機械參數(shù)進行了近似估計，模擬也允許正確設置程序，即其時間和對準電流的水平。

B. 電流控制響應

已經(jīng)分析了各種級別的d電流階躍響應，以研究 SynRel 電機的飽和特性的影響。已在鎖定轉(zhuǎn)子上進行了測試，q電流控制為零。還顯示了d電壓參考瞬變。PI 調(diào)節(jié)器的相同增益已用于模擬和實驗中的不同階躍響應。

正如文獻中報道的那樣，電流響應斜率的增加是飽和的明顯影響。它將階躍響應的性質(zhì)從純阻尼變?yōu)樽枘嵴袷帯?

通過在 Simulink 中選擇 RK ode4 求解器進行離線仿真，其固定步長等于 1 us。

盡管逆變器的建模很理想，但與實驗趨勢有很好的對應關(guān)系?！袄硐肫骄怠焙汀袄硐朕D(zhuǎn)換”建模之間沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異。在配備英特爾酷睿 i7-7 代處理器的 PC 上，模擬速率為 335(計算時間/模擬時間)。

對于實時仿真，RK 算法是通過 Simulink 中的 S-Function builder 構(gòu)建的自定義程序。它在 TI Delfino F28379S(以 200 MHz 運行)上執(zhí)行大約需要 20 us，而完全控制 ISR 需要 84 us。請注意，RK 算法僅計算第 V 節(jié)中描述的 SynRel 電機模型。

與離線模擬相比，在實時模擬中獲得的當前階躍響應顯示出更多的振蕩趨勢，這種趨勢隨著當前水平的增加而增加。等于 PWM 周期 (100 us) 的積分步長似乎太大而無法模擬所檢查電機的瞬態(tài)，此時由于飽和差動電感的減少，電流的動態(tài)增加超過了某個限制。最大電流下的振蕩量可能會引發(fā)算法不穩(wěn)定的情況。

顯然，有必要將 PWM 周期增加到 120 us (8.33 kHz) 以允許計算整個控制 ISR，并相應地修改 PI 調(diào)節(jié)器的積分增益。

結(jié)論

本文介紹了在 Matlab/Simulink 中為電子驅(qū)動器的快速控制原型設計的離線和實時仿真的相同目標。這兩種方法共享目標微控制器的相同控制算法，但它們運行在不同的平臺(PC 或 micro)上。驗證測試是在帶有 SynRel 電機的驅(qū)動器上進行的，目前在文獻中還沒有發(fā)現(xiàn)。他們證實了離線仿真的有效性，在快速瞬變期間也提供非常接近實驗結(jié)果的結(jié)果，前提是假設對工廠進行了準確的建模。實時仿真可以達到類似的精度，具有實時運行的巨大優(yōu)勢，但電機模型積分步長的選擇對響應的準確性有顯著影響。當發(fā)生快速電流瞬變時，等于 PWM 周期的固定步長可能會引入寄生振蕩。相反，拆分這樣的步長值仍然會顯著影響最新一代微控制器的計算時間。然而，實時模擬對于小市場生產(chǎn)來說是一個有吸引力的選擇，同時仍然考慮到這些限制。