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Flux Observer

计算转子的电气位置、磁通量和电转矩

自 R2020a 起

库:
Motor Control Blockset HDL Support / Sensorless Estimators
Motor Control Blockset / Sensorless Estimators

描述

Flux Observer 模块使用静止 αβ 参考系中沿 α- 轴和 β 轴的标幺单位电压和电流值,计算表贴式永磁同步电机 (SPMSM) 或感应电机的电气位置、磁通量和电转矩。

该模块还接受 16 位定点数据类型输入。为了对 16 位定点数据类型信号执行数学运算,该模块使用优化的方程实现来保持最佳精度。

此外,您还可以使用高级选项来启用 ParameterBus 输入端口,该端口可与 Compute Parameter 模块结合使用,以便在运行时以最佳方式更新模块参数。当电机参数可能随时间变化时(例如,构建可能需要在运行时更换电机的应用时),您可以使用此功能。

方程

以下方程描述模块如何在 αβ 参考系中计算 SPMSM 的电气位置、磁通量和电转矩。

ψα= (VαIαR)dt (LsIα)

ψβ= (VβIβR)dt (LsIβ)

如果 (VαIαR)=v1(t)(VβIβR)=v2(t)

则以下拉普拉斯变换表示在 Ψα 和 Ψβ 中可用的积分项:

L(v1(t)dt)=1sL(v1(t))=1sv1(s)L(v2(t)dt)=1sL(v2(t))=1sv2(s)

该模块使用基于低通滤波器 (LPF) 的积分器来计算这些积分项。

如果电机的输入电角速度 (ωe) 远大于对应于基于 LPF 的积分器的截止频率的速度 (ωc),则

L(v1(t)dt)=1(s+ωc)v1(s)L(v2(t)dt)=1(s+ωc)v2(s)

基于 LPF 的积分器不允许任何 DC 偏移(在模块输入中)使模块输出逐渐增加。例如,假设有一个与阶跃输入 x(t) = k*u(t) 对应的输入函数 X(s)=k/s。使用基于 LPF 的积分器的前述传递函数 G(s)=1(s+ωc),我们得到:

Y(s)=G(s)X(s)=ks(s+ωc)=kωc(1s)kωc(1s+ωc)Y(t)=kωcu(t)kωcexp(ωct)u(t)

根据上一方程,LPF 积分器的阶跃响应会渐近稳定于 DC 值(取决于阶跃输入的幅值)。而纯积分器的阶跃响应是斜坡函数。在 LPF 积分器输出端使用高通滤波器可以完全消除输入中的 DC 偏移。

ψ= ψα2+ψβ2

Te=32P(ψαIβψβIα)

θe= tan1ψβψα

下列方程描述该模块如何计算感应电机的转子电气位置、转子磁通量和电转矩。

ψα=LrLm ((VαIαR)dt σLsIα)

ψβ=LrLm ((VβIβR)dt σLsIβ)

σ=1Lm2LrLs

ψ= ψα2+ψβ2

Te=32PLmLr(ψαIβψβIα)

θe= tan1ψβψα

其中:

  • VαVβ 是 α 轴和 β 轴电压(伏特)。

  • IαIβ 是 α 轴和 β 轴电流(安培)。

  • R 是电机的定子电阻(欧姆)。

  • Ls 是电机的定子电感(亨)。

  • Lr 是电机的转子电感(亨)。

  • Lm 是电机的磁化电感(亨)。

  • σ 是感应电机的总漏磁因子。

  • P 是电机极对数。

  • ψ 是转子磁通量(韦伯)。

  • ψαψβ 是沿 α 轴和 β 轴的转子磁通量(韦伯)。

  • Te 是转子的电转矩 (Nm)。

  • θe 是转子的电气位置(弧度)。

端口

输入

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静止 αβ 参考系中沿 α 轴的电压分量。

数据类型: single | double | fixed point

静止 αβ 参考系中沿 β 轴的电压分量。

数据类型: single | double | fixed point

静止 αβ 参考系中沿 α 轴的电流。

数据类型: single | double | fixed point

静止 αβ 参考系中沿 β 轴的电流。

数据类型: single | double | fixed point

重置模块算法的脉冲(true 值)。

数据类型: single | double | fixed point

Flux Observer 模块的计算参数。您可以在此端口指定以下参数:

  • 极对

  • 定子电阻(ohm)

  • 定子 d 轴电感(H)

  • 定子泄漏电感(H)

  • 转子泄漏电感(H)

  • 磁化电感(H)

  • 截止频率(Hz)

将此端口与 Compute Parameter 模块结合使用,以便在运行时以最佳方式更新前述模块参数。

依存关系

要启用此端口,请选择高级选项部分中提供的使用输入端口提供计算参数(运行时电机更换) 参数。

数据类型: single | double

输出

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由模块估计的转子的电气位置。

依存关系

要启用此端口,请在模块输出参数中选择位置选项。

数据类型: single | double | fixed point

由模块估计的转子磁通量。

依存关系

要启用此端口,请在模块输出参数中选择磁通选项。

数据类型: single | double | fixed point

由模块估计的电机的电转矩。

依存关系

要启用此端口,请在模块输出参数中选择转矩选项。

数据类型: single | double | fixed point

参数

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参数

从模块支持的类型中选择电机类型。

要处理 16 位定点输入并使用 16 位定点数据类型执行计算,请选择此参数。要使用 16 位定点以外的数据类型,请不要选择此参数。

如果选择此参数:

  • 该模块会将输入单位参数设置为标幺

  • 该模块选择模块输出参数中的位置选项,因为在使用 16 位数据类型时它不支持磁通和转矩计算。

选择 α 轴和 β 轴电压和电流输入值的单位。

施加于电机上的最大相电压。有关详细信息,请参阅标幺制

依存关系

要启用此参数,请将输入单位设置为标幺

施加于电机上的最大可测量电流。有关详细信息,请参阅标幺制

依存关系

要启用此参数,请将输入单位设置为标幺

选择希望模块计算并显示在模块输出中的一个或多个量。

注意

您必须至少选择一个值。如果您在没有选择值的情况下点击确定应用,该模块会显示一条错误消息。

电机中可用的极对数。

依存关系

要启用此参数,请进行如下设置:

  • 模块输出参数中选择转矩选项。

  • 清除高级选项部分中提供的使用输入端口提供计算参数(运行时电机更换) 参数。

电机的定子相绕组电阻,以欧姆为单位。

依存关系

要启用此参数,请清除高级选项部分中提供的使用输入端口提供计算参数(运行时电机更换) 参数。

电机沿 d 轴的定子绕组电感,以亨为单位。

依存关系

要启用此参数,请进行如下设置:

  • 电机选择设置为 PMSM

  • 清除高级选项部分中提供的使用输入端口提供计算参数(运行时电机更换) 参数。

感应电机定子绕组的泄漏电感,以亨为单位。

依存关系

要启用此参数,请进行如下设置:

  • 电机选择设置为 ACIM

  • 清除高级选项部分中提供的使用输入端口提供计算参数(运行时电机更换) 参数。

感应电机转子绕组的泄漏电感,以亨为单位。

依存关系

要启用此参数,请进行如下设置:

  • 电机选择设置为 ACIM

  • 清除高级选项部分中提供的使用输入端口提供计算参数(运行时电机更换) 参数。

感应电机的磁化电感,以亨为单位。

依存关系

要启用此参数,请进行如下设置:

  • 电机选择设置为 ACIM

  • 清除高级选项部分中提供的使用输入端口提供计算参数(运行时电机更换) 参数。

内部高通滤波器(用于对噪声进行滤波)的截止频率,以赫兹为单位。

Flux Observer 模块使用内部一阶 IIR 高通滤波器。将该滤波器的截止频率(Hz) 设置为低于与电机最低转速对应的电频率的值。例如,您输入的值可以是电机电流的最小频率的十分之一。不过,您可以调整该值,以确定生成所需模块输出的更精确的截止频率。

依存关系

要启用此参数,请清除高级选项部分中提供的使用输入端口提供计算参数(运行时电机更换) 参数。

两个连续的模块执行实例之间的固定时间间隔(以秒为单位)。

高级选项
<argumentlist xml:id="mw_84ef2c43-db0f-460e-ad4c-833f72f50594">

选择此参数可启用 ParameterBus 输入端口并禁用以下参数:

  • 极对

  • 定子电阻(ohm)

  • 定子 d 轴电感(H)

  • 定子泄漏电感(H)

  • 转子泄漏电感(H)

  • 磁化电感(H)

  • 截止频率(Hz)

此参数使您能够将输入端口与 Compute Parameter 模块结合使用,以便在运行时以最佳方式更新模块参数。

</argumentlist>

数据类型

电气位置输出的单位。

依存关系

要启用此参数,请在模块输出参数中选择位置选项。

电气位置输出的数据类型。

依存关系

要启用此参数,请在模块输出参数中选择位置选项。

磁通量输出的单位。

依存关系

要启用此参数,请在模块输出参数中选择磁通选项。

对应于一个标幺的通量值(以韦伯为单位)。有关标幺制的详细信息,请参阅标幺制

依存关系

要启用此参数,请进行如下设置:

  • 模块输出参数中选择磁通选项。

  • 通量单位参数设置为标幺

磁通量输出的数据类型。

依存关系

要启用此参数,请在模块输出参数中选择磁通选项。

电转矩输出的单位。

依存关系

要启用此参数,请在模块输出参数中选择转矩选项。

对应于一个标幺的转矩值(以 Nm 为单位)。有关标幺制的详细信息,请参阅标幺制

依存关系

要启用此参数,请进行如下设置:

  • 模块输出参数中选择转矩选项。

  • 转矩单位参数设置为标幺

电转矩输出的数据类型。

依存关系

要启用此参数,请在模块输出参数中选择转矩选项。

参考

[1] A. Podder and D. Pandit, "Study of Sensorless Field-Oriented Control of SPMSM Using Rotor Flux Observer & Disturbance Observer Based Discrete Sliding Mode Observer," 2021 IEEE 22nd Workshop on Control and Modelling of Power Electronics (COMPEL), 2021, pp. 1-8. (doi: 10.1109/COMPEL52922.2021.9645939)

[2] O. Sandre-Hernandez, J. J. Rangel-Magdaleno and R. Morales-Caporal, "Simulink-HDL cosimulation of direct torque control of a PM synchronous machine based FPGA," 2014 11th International Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control (CCE), Campeche, 2014, pp. 1-6. (doi: 10.1109/ICEEE.2014.6978298)

[3] Y. Inoue, S. Morimoto and M. Sanada, "Control method suitable for direct torque control based motor drive system satisfying voltage and current limitations," The 2010 International Power Electronics Conference - ECCE ASIA -, Sapporo, 2010, pp. 3000-3006. (doi: 10.1109/IPEC.2010.5543698)

扩展功能

C/C++ 代码生成
使用 Simulink® Coder™ 生成 C 代码和 C++ 代码。

定点转换
使用 Fixed-Point Designer™ 设计和仿真定点系统。

版本历史记录

在 R2020a 中推出