Induction Motor HDL

三相感应电机

自 R2022b 起

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库:
Motor Control Blockset HDL Support / Electrical Systems / Motors

描述

Induction Motor HDL 模块实现三相感应电机。该模块使用三相输入电压来调节各相电流，从而控制电机转矩或转速。

该模块使用采样时间(秒) 参数为定步长双精度和单精度目标生成代码。它支持 FPGA 部署的代码生成并能生成 HDL 兼容代码。

您可以使用配置输入端口指定感应电机参数和工作模式。您还可以使用 Induction Motor Configuration 模块生成所需的配置信号，以在配置输入端口指定该信号。

三相正弦模型电气系统

该模块可实现在静止转子参考 (dq) 系中表示的方程。d 轴与 a 轴对齐。转子参考系中的所有量都是相对于定子来描述的。

该模块使用以下方程来计算电角速度 (ω_em) 和转差速度 (ω_slip)。

$\begin{array}{l} ω_{e m} = P ω_{m} \\ ω_{s l i p} = ω_{s y n} - ω_{e m} \end{array}$

为了计算相对于转子 A 轴 (dA) 的 dq 转子电角速度，该模块使用定子 a 轴 (da) 转速和转差速度之间的差值：

$ω_{d A} = ω_{d a} - ω_{e m}$

为了简化磁通、电压和电流变换的方程，该模块使用静止参考系：

$\begin{array}{l} ω_{d a} = 0 \\ ω_{d A} = - ω_{e m} \end{array}$

计算	方程
磁通	$\begin{array}{l} \frac{d}{d t} [\begin{matrix} λ_{s d} \\ λ_{s q} \end{matrix}] = [\begin{matrix} v_{s d} \\ v_{s q} \end{matrix}] - R_{s} [\begin{matrix} i_{s d} \\ i_{s q} \end{matrix}] - ω_{d a} [\begin{matrix} 0 & - 1 \\ 1 & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} λ_{s d} \\ λ_{s q} \end{matrix}] \\ \frac{d}{d t} [\begin{matrix} λ_{r d} \\ λ_{r q} \end{matrix}] = [\begin{matrix} v_{r d} \\ v_{r q} \end{matrix}] - R_{r} [\begin{matrix} i_{r d} \\ i_{r q} \end{matrix}] - ω_{d A} [\begin{matrix} 0 & - 1 \\ 1 & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} λ_{r d} \\ λ_{r q} \end{matrix}] \end{array}$ $[\begin{matrix} \begin{matrix} λ_{s d} \\ λ_{s q} \end{matrix} \\ \begin{matrix} λ_{r d} \\ λ_{r q} \end{matrix} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \begin{matrix} L_{s} & 0 \\ 0 & L_{s} \end{matrix} & \begin{matrix} L_{m} & 0 \\ 0 & L_{m} \end{matrix} \\ \begin{matrix} L_{m} & 0 \\ 0 & L_{m} \end{matrix} & \begin{matrix} L_{r} & 0 \\ 0 & L_{r} \end{matrix} \end{matrix}] [\begin{matrix} \begin{matrix} i_{s d} \\ i_{s q} \end{matrix} \\ \begin{matrix} i_{r d} \\ i_{r q} \end{matrix} \end{matrix}]$
电流	$[\begin{matrix} \begin{matrix} i_{s d} \\ i_{s q} \end{matrix} \\ \begin{matrix} i_{r d} \\ i_{r q} \end{matrix} \end{matrix}] = (\frac{1}{L_{m}^{2} - L_{r} L_{s}}) [\begin{matrix} \begin{matrix} - L_{r} & 0 \\ 0 & - L_{r} \end{matrix} & \begin{matrix} L_{m} & 0 \\ 0 & L_{m} \end{matrix} \\ \begin{matrix} L_{m} & 0 \\ 0 & L_{m} \end{matrix} & \begin{matrix} - L_{s} & 0 \\ 0 & - L_{s} \end{matrix} \end{matrix}] [\begin{matrix} \begin{matrix} λ_{s d} \\ λ_{s q} \end{matrix} \\ \begin{matrix} λ_{r d} \\ λ_{r q} \end{matrix} \end{matrix}]$
电感	$\begin{array}{l} L_{s} = L_{l s} + L_{m} \\ L_{r} = L_{l r} + L_{m} \end{array}$
电磁转矩	$T_{e} = P L_{m} (i_{s q} i_{r d} - i_{s d} i_{r q})$
功率不变的 dq 变换，以确保 dq 和三相功率相等	$[\begin{matrix} v_{s d} \\ v_{s q} \end{matrix}] = \sqrt{\frac{2}{3}} [\begin{matrix} cos (Θ_{d a}) & cos (Θ_{d a} - \frac{2 π}{3}) & cos (Θ_{d a} + \frac{2 π}{3}) \\ - sin (Θ_{d a}) & - sin (Θ_{d a} - \frac{2 π}{3}) & - sin (Θ_{d a} + \frac{2 π}{3}) \end{matrix}] [\begin{matrix} v_{a} \\ v_{b} \\ v_{c} \end{matrix}]$ $[\begin{matrix} i_{a} \\ i_{b} \\ i_{c} \end{matrix}] = \sqrt{\frac{2}{3}} [\begin{matrix} cos (Θ_{d a}) & - sin (Θ_{d a}) \\ \begin{matrix} cos (Θ_{d a} - \frac{2 π}{3}) \\ cos (Θ_{d a} + \frac{2 π}{3}) \end{matrix} & \begin{matrix} - sin (Θ_{d a} - \frac{2 π}{3}) \\ - sin (Θ_{d a} + \frac{2 π}{3}) \end{matrix} \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{s d} \\ i_{s q} \end{matrix}]$

上述方程用到了以下变量。

ω_m	转子的角速度（弧度/秒）
ω_em	电气转子转速（弧度/秒）
ω_slip	电气转子转差速度（弧度/秒）
ω_syn	同步转子转速（弧度/秒）
ω_da	dq 定子相对于转子 a 轴的电角速度（弧度/秒）
ω_dA	dq 定子相对于转子 A 轴的电角速度（弧度/秒）
Θ_da	dq 定子相对于转子 a 轴的电角（弧度）
Θ_dA	dq 定子相对于转子 A 轴的电角（弧度）
L_q, L_d	q 轴和 d 轴电感 (H)
L_s	定子电感(H)
L_r	转子电感 (H)
L_m	磁化电感(H)
L_ls	定子泄漏电感(H)
L_lr	转子泄漏电感(H)
v_sq, v_sd	定子 q 轴和 d 轴电压 (V)
i_sq, i_sd	定子 q 轴和 d 轴电流 (A)
λ_sq, λ_sd	定子 q 轴和 d 轴磁通 (Wb)
i_rq, i_rd	转子 q 轴和 d 轴电流 (A)
λ_rq, λ_rd	转子 q 轴和 d 轴磁通 (Wb)
v_a, v_b, v_c	定子电压相位 a、b、c (V)
i_a, i_b, i_c	定子电流相位 a、b、c (A)
R_s	定子绕组的电阻（欧姆）
R_r	转子绕组的电阻（欧姆）
P	极对数
T_e	电磁转矩 (Nm)

机械系统

电机角速度由下式给出：

$\begin{matrix} \frac{d}{d t} ω_{m} = \frac{1}{J} (T_{e} - T_{f} - F ω_{m} - T_{m}) \\ \frac{d θ_{m}}{d t} = ω_{m} \end{matrix}$

上述方程用到了以下变量。

J	电机和负载的组合惯量 (kgm^2)
F	电机和负载的组合粘性摩擦（N·m/（弧度/秒））
θ_m	电机机械角位置（弧度）
T_m	电机轴转矩 (Nm)
T_e	电磁转矩 (Nm)
T_f	电机轴静态摩擦转矩 (Nm)
ω_m	电机的机械角速度（弧度/秒）

功率计算

对于电机功率计算，该模块实现下列方程。

总线信号		描述	变量	方程
`PwrInfo`	`PwrMtr`	机械功率	P_mot	$P_{m o t} = - ω_{m} T_{e}$
	`PwrBus`	电功率	P_bus	$P_{b u s} = v_{a n} i_{a} + v_{b n} i_{b} + v_{c n} i_{c}$
	`PwrElecLoss`	电阻功率损失	P_elec	$P_{e l e c} = - (R_{s} i_{s d}^{2} + R_{s} i_{s q}^{2} + - R_{r} i_{r d}^{2} + R_{r} i_{r q}^{2})$
	`PwrMechLoss`	机械功率损失	P_mech	当端口配置设置为转矩时： $P_{m e c h} = - (ω_{m}^{2} F + \| ω_{m} \| T_{f})$ 当端口配置设置为转速时： $P_{m e c h} = 0$
	`PwrMtrStored`	储存的电机功率	P_str	$P_{s t r} = P_{b u s} + P_{m o t} + P_{e l e c} + P_{m e c h}$

上述方程用到了以下变量。

R_s	定子电阻(Ohm)
R_r	转子电阻(Ohm)
i_a, i_b, i_c	定子相 a、b 和 c 电流 (A)
i_sq, i_sd	定子 q 轴和 d 轴电流 (A)
v_an, v_bn, v_cn	定子相 a、b 和 c 电压 (V)
ω_m	转子的机械角速度（弧度/秒）
F	电机和负载的组合粘性阻尼（N·m/（弧度/秒））
T_e	电磁转矩 (Nm)
T_f	电机和负载的组合摩擦转矩 (Nm)

示例

Field-Oriented Control (FOC) of PMSM Using Hardware-In-The-Loop (HIL) Simulation

Uses hardware-in-the-loop (HIL) simulation to implement the field-oriented control (FOC) algorithm to control the speed of a three-phase permanent magnet synchronous motor (PMSM). The FOC algorithm requires rotor position feedback, which is obtained by a quadrature encoder sensor. For more information on FOC, see 磁场定向控制 (FOC).

打开示例

端口

输入

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Config — 模块配置信号
矢量

包含模块配置参数的感应电机 HDL 模块的配置信号。

数据类型: single

PhaseVolt — 定子端电压
`1`×`3` 数组

定子端电压 V_a、V_b 和 V_c，以 V 为单位。

数据类型: single

LdTrq/Spd — 电机上的负载转矩或电机轴的转速
标量

该端口支持以下输入之一：

T_m - 电机轴上的负载转矩，以 N·m 为单位。
ω_m - 电机的角速度，以弧度/秒为单位。

数据类型: single

Reset — 重置总线信号
标量

重置总线信号，模块用它来重置内部积分器。

数据类型: Boolean

输出

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Info — 总线信号
总线

总线信号包含以下模块计算。

信号			描述	变量	单位
`IaStator`			定子相电流 A	i_a	A
`IbStator`			定子相电流 B	i_b	A
`IcStator`			定子相电流 C	i_c	A
`IdSync`			直轴电流	i_d	A
`IqSync`			交轴电流	i_q	A
`VdSync`			直轴电压	v_d	V
`VqSync`			交轴电压	v_q	V
`MtrSpd`			转子的机械角速度	ω_m	弧度/秒
`MtrMechPos`			转子机械角位置	θ_m	弧度
`MtrPos`			转子电角位置	θ_e	弧度
`MtrTrq`			电磁转矩	T_e	N·m
`PwrInfo`	`PwrTrnsfrd`	`PwrMtr`	机械功率	P_mot	W
	`PwrTrnsfrd`	`PwrBus`	电功率	P_bus	W
	`PwrNotTrnsfrd`	`PwrElecLoss`	电阻功率损失	P_elec	W
	`PwrNotTrnsfrd`	`PwrMechLoss`	机械功率损失	P_mech	W
	`PwrStored`	`PwrMtrStored`	储存的电机功率	P_str	W

PhaseCurr — 相位 a、b 和 c 的电流
`1`×`3` 数组

相位 a、b 和 c 各自的电流 i_a、i_b 和 i_c，以 A 为单位。

Torque — 电机转矩
`scalar`

电机转矩 T_mtr，以 N·m 为单位。

Speed — 电机转速
`scalar`

电机的角速度 ω_mtr，以弧度/秒为单位。

MtrElecAngle — 电机电角
标量

电机的电气位置 θ_dq，以弧度为单位。

数据类型: single

参数

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采样时间(秒) — 采样时间，在此采样时间过后模块将再次执行
`1e-6` (默认) | 标量

连续的模块执行实例之间的固定时间间隔（以秒为单位）。您也可以使用 -1 从输入信号继承采样时间。

扩展功能

HDL 代码生成
使用 HDL Coder™ 为 FPGA 和 ASIC 设计生成 VHDL、Verilog 和 SystemVerilog 代码。

HDL Coder™ 提供了影响 HDL 实现和综合逻辑的额外配置选项。

HDL 架构

此模块具有一个默认 HDL 架构。

HDL 模块属性


ConstrainedOutputPipeline	要通过移动设计中的现有延迟来放置在输出端的寄存器的数量。分布式流水线不会重新分布这些寄存器。默认值为 `0`。有关更多详细信息，请参阅 ConstrainedOutputPipeline (HDL Coder)。
InputPipeline	要在生成的代码中插入的输入流水线阶段数。分布式流水线和受限输出流水线可以移动这些寄存器。默认值为 `0`。有关更多详细信息，请参阅 InputPipeline (HDL Coder)。
OutputPipeline	要在生成的代码中插入的输出流水线阶段数。分布式流水线和受限输出流水线可以移动这些寄存器。默认值为 `0`。有关更多详细信息，请参阅 OutputPipeline (HDL Coder)。

Induction Motor HDL