PMSM 的无传感器磁场定向控制

从开环控制到闭环控制的转换

使用闭环转速控制运行电机需要准确估计电机的实时位置。该示例使用无传感器观测器进行位置估计。然而，无传感器位置观测器，如磁通观测器、滑动模式观测器和扩展电动势观测器，需要可测量的电机电流和电压值才能成功估计转子位置。为了生成无传感器位置估计所需的电流和电压，应采用开环控制运行电机。在无传感器观测器成功估计了转子位置后，可以从开环控制转换为闭环控制。

然而，成功完成这种转换可能充满挑战，因为电机的动态特性可能会使得确定准确的 PI 控制增益以及其他参数变得困难。此示例说明一种实现这种平稳转换的简化方法。该方法包括以下三个阶段：

阶段 1：使用开环控制启动并运行电机

该示例使用开环控制启动并运行电机。使用开环控制运行电机取决于 d 轴电压 (Vd) 和最大开环转速限值参数。对于具有高惯量或高摩擦的电机，该示例中使用的默认值 Vd 可能不满足它们的要求。因此，建议您增大 Vd 的最小限值。由于增大 Vd 的最低限值会使电机电流和电机温度增加，我们建议您小幅增大 Vd 的最低限值。请使用变量 MIN_OL_VD_LIMIT（在与该示例相关的模型初始化脚本 mcb_pmsm_foc_sensorless_f28069MLaunchPad_datascript 或 mcb_pmsm_foc_sensorless_f28379d_datascript 中提供）更改 Vd 的最小限值。

在无传感器观测器开始跟踪转子位置后，该示例会移至阶段 2。

阶段 2：使用最大开环转速限值切换到闭环

在此阶段，您可以验证无传感器观测器是否使用与 Vd 对应的最小电流值 (Id) 来成功估计转子位置。

注意：您可以调整 MAX_OL_POS_SPD 和 MAX_OL_NEG_SPD 的值，以确保在该示例中生成足够的电流 (Id)，从而成功估计转子位置。

此示例使用子系统 State Machine Handler/Compute Control-loop Initial Values 来计算 Iq、Vd 和 Vq 的默认初始值。它还利用 PI 控制环中的计算初始值。

该示例确保在第一次启用 Id、Iq 和转速 PI 控制器时，控制器的初始值保持不变。这三个 PI 控制环中的积分器使用初始值 （其中， 是上一个值， 是控制器增益）。

注意：在转换为闭环后，您可以直接使用转子位置（由无传感器观测器估计）、参考 Id 电流（设置为零）和参考 Iq 电流（从转速控制环获得）。不过，使用这种方法会导致电流瞬变，从而使无传感器位置估计器的输出失真。为了实现平滑的电流转换，该示例将电流 Id 减至零。您可以使用模型初始化脚本中提供的变量 RAMP_STEP_SIZE 来设置 Id 电流的减速，该操作由 Stateflow 执行。

阶段 3：使用闭环控制遵循给定的参考转速

在该示例中，当 Id 减至零后，将进入以下阶段：使用 FOC 算法通过遵循给定的闭环参考转速来运行电机。

注意：要更改电机转向，Stateflow 会将电机转速从当前闭环转速更改为最大开环转速限值，以转换到开环模式。接着，它会在开环运行期间更改电机转向，然后转换回闭环控制并遵循参考转速。您可以利用电机动力学过程中所需的额外时间进行调整，以适应 Stateflow 中的延迟。

模型

该示例包括以下模型：

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

要仿真模型，您需要：

1.对于模型：mcb_pmsm_foc_sensorless_f28069MLaunchPad

2.对于模型：mcb_pmsm_foc_sensorless_f28379d

要生成代码并部署模型，您需要：

1.对于模型：mcb_pmsm_foc_sensorless_f28069MLaunchPad

2.对于模型：mcb_pmsm_foc_sensorless_f28379d

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，请参阅使用推荐的硬件估计 PMSM 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和使用工具函数。

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。

如果使用的是 Sliding Mode Observer，且电机参数通过参数估计工具进行估计，则 Sliding Mode Observer 参数需要调节。

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目标模型。

2.使用 Position Estimator 按钮选择以下无传感器位置估计方法之一：

3.要仿真模型，请点击仿真选项卡上的运行。

4.要查看和分析仿真结果，请点击仿真选项卡上的数据检查器。

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

此示例支持以下硬件配置。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。

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.模型会自动计算模数转换器 (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交流电机并校准 ADC 偏移量。

4.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。

5.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 Getting Started with Texas Instruments 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。

6.使用 Position Estimator 按钮选择一个无传感器位置估计方法。

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.在目标模型中，点击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。

注意：

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，以开始在开环条件下运行电机（默认情况下，电机以 10% 的基转速旋转）。

注意：请勿长时间在开环条件下运行电机（使用此示例）。电机可能会消耗大量电流并产生过多热量。

我们设计了开环控制，使电机以小于或等于基转速 10% 的参考转速运行。

当您在硬件上以低参考转速运行此示例时，因为已知问题，PMSM 可能不会按照低参考转速运行。

13.将电机的参考转速增至高于基转速的 10% 的值，以从开环控制切换到闭环控制。

注意：要更改电机的旋转方向，请将电机的参考转速降至低于基转速 10% 的值。这会使电机回到开环条件。更改旋转方向，但保持参考转速的大小不变。然后转换到闭环状态。

14.在主机模型的 Time Scope 中，观测来自 RX 子系统的调试信号。

注意：

其他可尝试的操作

您可以使用 SoC Blockset™ 来实现无传感器闭环电机控制应用，以应对与 ADC-PWM 同步、控制器响应和研究不同 PWM 设置相关的挑战。有关详细信息，请参阅Integrate MCU Scheduling and Peripherals in Motor Control Application。

您还可以使用 SoC Blockset™ 开发无传感器实时电机控制应用，以利用多个处理器核实现设计模块化、更高的控制器性能和其他设计目标。有关详细信息，请参阅Partition Motor Control for Multiprocessor MCUs。