使用模型预测控制进行 PMSM 的磁场定向控制

此示例使用:

打开模型

此示例采用模型预测控制 (MPC) 技术来控制三相永磁同步电机 (PMSM) 的转速。

MPC 涉及求解被控对象方程，以找到在有限滚动时域内最小化代价函数的输入序列。应用该序列的第一个控制动作，然后在每个时间步重复该过程。

优化器基于在特定边界和约束条件下求解目标函数，为模型提供最优输入。在预测阶段，利用动态离散时间模型对被控对象的未来响应进行预测，预测时长可达 $Np$ 个采样间隔，该时长称为预测时限。在优化步骤中，通过求解目标函数以获得最佳控制输入，该过程持续至 $Nc$ 个采样间隔，该区间被称为预测响应的控制时域。控制时限仍小于或等于预测时限。

该示例使用 MPC 控制器作为（磁场定向控制或 FOC 算法中的）转速控制器，其中 $I_{q,ref}$ 作为操作的变量，$Speed$ 作为测量的输出，负载转矩 $T_{load}$（使用观测器估计）作为测量的扰动。

目标函数被推导为以下项的线性和：

[W1 * (error in output)] + [W2 * (rate of change of input)]

其中，W1 和 W2 是权重。

该示例使用模型初始化脚本定义以下三个参数的权重。

1.输入变化率：${I_{q,ref}} = 0.1$

2.测得的输出：${Speed} = 10000$

因此，在默认情况下，该示例在计算预测输出误差时，将最大权重赋予输出变量参数（对应于 $Speed$）。您可以通过示例中提供的模型初始化脚本，修改用于错误计算的权重值。

此示例还在以下所示的下界和上界范围内操作 MPC 输入 $I_{q,ref}$ 和输出 $Speed$：

  • 输入

$$ - I_{rated} \le {I_{q,ref}} \le I_{rated}$$

  • 输入变化率

$$ - 0.2 \le {I_{q,ref,rate}} \le 0.2$$

  • 测得的输出

$ - N_{base} \le {Speed} \le N_{base} $（弧度/秒）

此外，此示例中的 MPC 控制器配置为使用的信号预览（前瞻预览）。通过向 MPC 提供将来转速参考值的预览而不是单个值，您可以进一步改进跟踪性能。此示例使用一个由即将到来的参考点组成的矢量（总共 3 个采样），并使控制器能够预期参考值的变化；与假设参考值在预测时域内保持恒定相比，这会导致更平滑的转矩命令、在斜坡期间更好的跟踪以及改进的动态响应。这适用于预定义路径或转速参考轨迹的应用。

有关 MPC 的详细信息，请参阅What Is Model Predictive Control? (Model Predictive Control Toolbox)。

模型

该示例包含模型 SpeedControlofPMSMusingMPC。

您可以将这些模型用于仿真和代码生成。

对于可用于不同硬件配置的模型名称，请参阅“生成代码并将模型部署到目标硬件”一节中的“必需的硬件”主题。

必需的 MathWorks 产品

要对模型进行仿真，您需要：

  • Motor Control Blockset™

  • Model Predictive Control Toolbox™

要生成代码并部署模型，您需要：

  • Motor Control Blockset

  • Model Predictive Control Toolbox

  • Embedded Coder®

  • C2000™ Microcontroller Blockset

前提条件

1.获取电机参数。我们对 Simulink® 模型提供了默认电机参数，您可以用电机数据表或其他来源的值替换这些默认值。

不过，如果您有电机控制硬件，则可以通过使用 Motor Control Blockset 参数估计工具来估计要使用的电机的参数。有关说明，请参阅使用 Motor Control Blockset 参数估计工具估计电机参数。

参数估计工具使用估计的电机参数更新 motorParam 变量（在 MATLAB® 工作区中）。

2.如果您从数据表或其他来源获得电机参数，请在与 Simulink® 模型相关联的模型初始化脚本中更新电机参数和逆变器参数。有关说明，请参阅估计控制增益并调节控制参数。

如果您使用参数估计工具，则可以在模型初始化脚本中更新逆变器参数，但不能更新电机参数。该脚本会自动从更新后的 motorParam 工作区变量中提取电机参数。

仿真模型

此示例支持仿真。请按照以下步骤仿真模型。

1.打开此示例附带的一个模型。

2.点击仿真选项卡上的运行来仿真该模型。

3.点击仿真选项卡上的数据检查器来查看和分析仿真结果。

生成代码并将模型部署到目标硬件

本节将指导您生成代码并在目标硬件上运行 FOC 算法。

此示例使用一个主机模型和一个目标模型。主机模型是控制器硬件板的一个用户界面。您可以在主机上运行主机模型。使用主机模型的前提条件是将目标模型部署到控制器硬件板上。主机模型使用串行通信对目标 Simulink® 模型发出指令，并以闭环控制方式运行电机。

必需的硬件

此示例支持此硬件配置。您还可以在 MATLAB® 命令提示符下使用目标模型名称打开对应硬件配置的模型。

  • LAUNCHXL-F28379D 控制器 + BOOSTXL-DRV8305 逆变器：SpeedControlofPMSMusingMPC

有关与前述硬件配置相关的连接，请参阅 LAUNCHXL-F28069M 和 LAUNCHXL-F28379D 配置。

生成代码并在目标硬件上运行模型

1.仿真目标模型并观测仿真结果。

2.完成硬件连接。

3.该模型自动计算 ADC（或电流）偏移值。要禁用此功能（默认启用），请在模型初始化脚本中将变量 inverter.ADCOffsetCalibEnable 的值更新为 0。

您也可以计算 ADC 偏移值，并在模型初始化脚本中手动更新它。有关说明，请参阅以开环控制方式运行三相 AC 电机并校准 ADC 偏移量。

4.计算正交编码器索引偏移值，并在与目标模型相关联的模型初始化脚本中更新它。有关说明，请参阅 PMSM 的正交编码器偏移量校准。

注意：验证连接到电机的正交编码器中可用的刻线数量。检查并更新模型初始化脚本中可用的变量 pmsm.QEPSlits。此变量对应于正交编码器模块的 Encoder slits 参数。有关 Encoder slits 和 Encoder counts per slit 参数的更多详细信息，请参阅Quadrature Decoder。

5.按所需的硬件配置打开目标模型。如果您要更改该模型的默认硬件配置设置，请参阅模型配置参数。

6.将一个示例程序加载到 LAUNCHXL-F28379D 的 CPU2（例如使用 GPIO31 操作 CPU2 蓝色 LED 的程序 c28379D_cpu2_blink.slx），以确保 CPU2 没有错误地配置为使用预留给 CPU1 的板载外设。有关示例程序或模型的详细信息，请参阅 Texas Instruments入门指南 C2000 Microcontroller Blockset (C2000 Microcontroller Blockset) 中的“任务 2 - 为 TI Delfino F28379D LaunchPad（双核）创建、配置和运行模型”部分。

7.点击硬件选项卡上的编译、部署和启动以将目标模型部署到硬件上。

8.点击目标模型中的 SpeedControlofPMSMusingMPCHost.slx 主机模型超链接以打开关联的主机模型。

有关主机模型和目标模型之间串行通信的详细信息，请参阅Host-Target Communication。

9.在与目标模型关联的模型初始化脚本中，使用变量 target.comport 指定通信端口。该示例使用此变量来更新主机模型中可用的 Host Serial Setup、Host Serial Receive 和 Host Serial Transmit 模块的端口参数。

10.更新主机模型中的 Reference Speed 值。

11.点击仿真选项卡上的运行以运行主机模型。

12.将 Start / Stop Motor 开关的位置切换到 On 以开始运行电机。

13.使用调试信号部分选择您要监控的调试信号。在主机模型的 Time Scope 中，观测来自 RX 子系统的调试信号。

仿真结果

转速参考曲线如下图所示。

下图显示转速参考值发生变化的过渡区域（局部放大）的 PID 输出和 MPC 输出的比较。具有将来参考值预览的 MPC 控制器提供比 PID 更好的跟踪性能，PID 仅在参考信号发生变化后才会反应。

硬件结果

以上模型在 Teknik 电机上测试，使用 F28379d Launchpad 以 20kHz 运行。转速控制器（MPC + 观测器 + 抢占）的执行时间为 5e-4 秒。与仿真结果类似，MPC 能够前瞻性地预计参考信号的变化，并提供更好的跟踪性能。