PMSM Field-Oriented Control

永磁同步电机磁场定向控制

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描述

PMSM Field-Oriented Control 模块实现永磁同步电机 (PMSM) 的磁场定向控制结构。磁场定向控制 (FOC) 是一种高性能的 AC 电机控制策略，它通过将静止相电流转换到旋转参考系来解耦转矩和磁通。当转子转速和位置已知，且应用需要以下特性时，请使用 FOC：

  • 启动时具有高扭矩和低电流。

  • 高效率。

方程

PMSM FOC 结构利用转子 d-q 参考系来解耦转矩和磁通。下图显示了模块的整体架构。

在图中：

  • ω 和 ωref 分别是测得角速度和参考角速度。

  • Tref 是参考电磁转矩。

  • i 和 v 是定子电流和电压，下标 d 和 q 分别表示 d 轴和 q 轴，下标 a、b 和 c 表示三个定子绕组。

  • θe 是转子电角。

  • G 是栅极脉冲，下标 H 和 L 分别表示高和低，下标 a、b 和 c 表示三个定子绕组。

您可以使用控制模式参数来选择实现速度控制或转矩控制。模块按照与图中完全相同的方式实现速度控制。模块通过删除 Velocity Controller 模块并直接接受参考转矩来实现转矩控制。

假设

电机参数已知。

限制

控制结构使用单一采样率实现。

示例

三相 PMSM 驱动建模

三相 PMSM 驱动建模

此示例展示了一个采用星型绕组和三角型绕组配置的永磁同步电机 (PMSM)，以及一个适用于典型混合动力车辆的逆变器。该逆变器直接连接到车辆电池，但您也可以在两者之间实现一个 DC-DC 转换器阶段。使用该模型，通过选择架构和增益来设计 PMSM 控制器，从而实现期望的性能。为了检查 IGBT 开通和关断时序，请使用更详细的 N-Channel IGBT 模块替换 IGBT 器件。对于整车建模，请使用 Motor & Drive (System Level) 模块，以基于能量的模型来抽象 PMSM、逆变器和控制器。

包含热模型的三相 PMSM 驱动

包含热模型的三相 PMSM 驱动

此示例展示了一个永磁同步电机 (PMSM) 以及一个适用于典型混合动力车辆的逆变器。该 PMSM 包含热模型和经验铁损。该逆变器直接连接到车辆电池，但您也可以在两者之间实现一个 DC-DC 转换器阶段。您可以使用此模型设计 PMSM 控制器，通过选择架构和增益来实现期望的性能。定子绕组和转子的初始温度设置为 25 摄氏度。环境温度为 27 摄氏度。Scopes 子系统包含示波器，可用于查看仿真结果。

控制带开放端绕组的三相 PMSM 的速度

控制带开放端绕组的三相 PMSM 的速度

此示例展示了如何控制带开放端绕组的内置式永磁同步电机 (IPMSM) 中的转子角转速。高压电池通过两个受控三相转换器为 IPMSM 供电。IPMSM 根据负载以电机模式和发电模式运行。理想转矩源提供负载。Scopes 子系统包含示波器，可用于查看仿真结果。Control 子系统包含一个基于 PI 的磁场定向控制结构。在时长一秒的仿真过程中，角速度需求为 0 rpm、500 rpm、2000 rpm，然后是 3000 rpm。

端口

输入

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系统参考值，根据所选控制模式，指定为转矩参考值（以 N*m 为单位）或速度参考值（以弧度/秒为单位）。

数据类型: single | double

测得的定子相电流，以 A 为单位。

数据类型: single | double

测得的转子机械角速度，以弧度/秒为单位。

数据类型: single | double

测得的转子机械角度，以弧度为单位。

数据类型: single | double

测得的 DC 链路电压，以 V 为单位。

数据类型: single | double

输出

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六个脉冲波形，用于确定所连接功率转换器的开关行为。

数据类型: single | double

包含各类可视化信号的母线，其中包括：

  • Reference

  • wElectrical

  • iabc

  • theta

  • Vdc

  • PwmEnable

  • TqRef

  • TqLim

  • idqRef

  • idq

  • vdqRef

  • modWave

数据类型: single | double

参数

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常规

为控制器参考值指定星型绕组或三角型绕组参数化。

指定转矩控制策略或速度控制策略。

电源的标称 DC 链路电压，以 V 为单位。

最大电机功率，以 W 为单位。

最大电机转矩，以 N*m 为单位。

转子上的永磁极对数。

激活功率逆变器的电压阈值，以 V 为单位。

模块的基础采样时间，以秒为单位。

控制系统的采样时间，以秒为单位。

外环

指定控制策略的类型。

PI 控制器的比例增益。

PI 控制器的积分增益。

P 控制器的比例增益。

PI 控制器的抗积分饱和增益。

选择参考电流策略。

转速向量，以 rpm 为单位，用于在查找表中确定参考电流。

转矩向量，以 N*m 为单位，用于在查找表中确定参考电流。

DC 链路电压向量，以 V 为单位，用于在查找表中确定参考电流。

直轴参考电流查找数据，以 A 为单位。

交轴参考电流查找数据，以 A 为单位。

用于计算参考电流生成允许的最大相电压的安全因子。

依赖关系

只有当参考电流设置为自动生成的查找表时，此参数才可见。

峰值永磁磁链，以 Wb 为单位。

直轴电感，以 H 为单位。

交轴电感，以 H 为单位。

每相定子电阻，以 Ohm 为单位。

内环

用于直轴电流控制的 PI 控制器比例增益。

用于直轴电流控制的 PI 控制器积分增益。

用于直轴电流控制的 PI 控制器抗积分饱和增益。

用于交轴电流控制的 PI 控制器比例增益。

用于交轴电流控制的 PI 控制器积分增益。

用于交轴电流控制的 PI 控制器抗积分饱和增益。

当模块限制电压时，确定 d 轴和 q 轴的优先级，或维持它们之间的比率。

在前馈路径上启用或禁用零点相消。

启用或禁用预控制电压。

说明如何对电机进行参数化。

  • 常数参数 - 指定在整个仿真过程中保持恒定的电机参数。

  • 基于查找表的参数 - 将电机参数指定为依赖于电流的查找表。

用于前馈预控制的直轴电感，以 H 为单位。

用于前馈预控制的交轴电感，以 H 为单位。

用于前馈预控制的永磁磁链，以 H 为单位。

直轴电流向量，以 A 为单位，用于在查找表中确定参数。对于常数电机参数，请勿更改默认值。

交轴电流向量，以 A 为单位，用于在查找表中确定参数。对于常数电机参数，请勿更改默认值。

Ld 矩阵，用作查找表数据，以 H 为单位。对于常数电机参数，只需更改常数因子，例如，Ld * ones(3, 3)。

Lq 矩阵，用作查找表数据，以 H 为单位。对于常数电机参数，只需更改常数因子，例如，Lq * ones(3, 3)。

查找表中使用的永磁磁链矩阵，以 Wb 为单位。对于常数电机参数，只需更改常数因子，例如，psim * ones(3, 3)。

PWM

指定波形生成方法。

指定模块是在波形交点处对调制波形进行采样，还是在载波处于其一个或两个边界条件时进行采样。

指定您希望功率转换器中开关进行导通关断切换的速率。

参考

[1] Bernardes, T., V. F. Montagner, H. A. Gründling, and H. Pinheiro. "Discrete-time sliding mode observer for sensorless vector control of permanent magnet synchronous machine." IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 61, Number 4, 2014, pp. 1679–1691.

[2] Carpiuc, S., and C. Lazar. "Fast real-time constrained predictive current control in permanent magnet synchronous machine-based automotive traction drives." IEEE Transactions on Transportation Electrification. Vol.1, Number 4, 2015, pp. 326–335.

[3] Haque, M. E., L. Zhong, and M. F. Rahman. "Improved trajectory control for an interior permanent magnet synchronous motor drive with extended operating limit." Journal of Electrical & Electronics Engineering. Vol. 22, Number 1, 2003, p. 49.

[4] Yang, N., G. Luo, W. Liu, and K. Wang. "Interior permanent magnet synchronous motor control for electric vehicle using look-up table." In 7th International Power Electronics and Motion Control Conference. Vol. 2, 2012, pp. 1015–1019.

扩展功能

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

版本历史记录

在 R2017b 中推出

另请参阅

模块