PMSM HDL

具有正弦反电动势的三相永磁同步电机

自 R2022b 起

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

描述

PMSM HDL 模块实现具有正弦反电动势的三相永磁同步电机 (PMSM)。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 PMSM 参数和工作模式。您还可以使用 PMSM 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。

电机构造

下列各图显示内置式和表贴式 PMSM 构造，且电机上有一个单极点对。

永磁体产生的电机磁场会随着电机角度的变化而产生正弦磁通变化率。

对于轴约定，当电机角度 θ_r 为零时，相位 a 与 d 轴对齐。

三相正弦模型电气系统

该模块实现在电机磁通参考系（dq 系）中表达的下列方程。电机参考系中的所有量都以定子为参考。

$\begin{array}{l} ω_{e} = P ω_{m} \\ \frac{d}{d t} i_{d} = \frac{1}{L_{d}} v_{d} - \frac{R}{L_{d}} i_{d} + \frac{L_{q}}{L_{d}} P ω_{m} i_{q} \end{array}$

$\frac{d}{d t} i_{q} = \frac{1}{L_{q}} v_{q} - \frac{R}{L_{q}} i_{q} - \frac{L_{d}}{L_{q}} P ω_{m} i_{d} - \frac{λ_{p m} P ω_{m}}{L_{q}}$

$T_{e} = 1.5 P [λ_{p m} i_{q} + (L_{d} - L_{q}) i_{d} i_{q}]$

由于电机电磁的凸极率，L_q 和 L_d 电感表示相电感和电机位置之间的关系。对于表贴式 PMSM， $L_{d} = L_{q}$ 。

上述方程用到了以下变量。

L_q, L_d	q 轴和 d 轴电感 (H)
R	定子绕组的电阻（欧姆）
i_q, i_d	q 轴和 d 轴电流 (A)
v_q, v_d	q 轴和 d 轴电压 (V)
ω_m	电机的机械角速度（弧度/秒）
ω_e	电机的电气角速度（弧度/秒）
λ_pm	永磁磁链(Wb)
K_e	反电动势 (EMF)（Vpk_LL/krpm，其中 Vpk_LL 是线电压峰值）
K_t	转矩常量 (N·m/A)
P	极对数
T_e	电磁转矩 (Nm)
Θ_e	电气角（弧度）

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`	`PwrTrnsfrd` - 模块之间传输的功率正信号表示流入模块负信号表示流出模块	`PwrMtr`	机械功率	P_mot	$P_{m o t} = - ω_{m} T_{e}$
	`PwrTrnsfrd` - 模块之间传输的功率正信号表示流入模块负信号表示流出模块	`PwrBus`	电功率	P_bus	$P_{b u s} = v_{a n} i_{a} + v_{b n} i_{b} + v_{c n} i_{c}$
	`PwrNotTrnsfrd` - 功率越过模块边界，但未传输正信号表示输入负信号表示损失	`PwrElecLoss`	电阻功率损失	P_elec	$P_{e l e c} = - \frac{3}{2} (R_{s} i_{s d}^{2} + R_{s} i_{s q}^{2})$
	`PwrNotTrnsfrd` - 功率越过模块边界，但未传输正信号表示输入负信号表示损失	`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： $P_{m e c h} = 0$
	`PwrStored` - 储存的能量变化率正信号表示增加负信号表示减少	`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)
i_a, i_b, i_c	定子相位 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	定子相位 a、b 和 c 电压 (V)
ω_m	电机的机械角速度（弧度/秒）
F	电机和负载组合粘性阻尼 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 PMSM HDL 模块的配置信号。有关组成参数的详细信息，请参阅 PMSM Configuration 模块的配置输出。

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

根据多路复用配置输入中可用的端口配置参数定义的工作模式，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`			电机的机械角速度	ω_m	弧度/秒
`MtrPos`			电机的机械角位置	θ_m	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_e，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)。

PMSM HDL

描述