磁场定向控制

通过仿真来开发磁场定向控制算法

机、永磁同步电机 (PMSM) 和无刷直流 (BLDC) 电机。

下面的框图展示了一个包含下列内容的磁场定向控制架构:

  • 由两个比例积分控制器组成的电流控制器
  • 可选的外环速率控制器和基准电流发生器
  • 克拉克变换、帕克变换和逆帕克变换,用于在静止坐标系和旋转同步坐标系之间进行转换
  • 空间矢量调制器算法,用于将 vα 和 vβ 命令转换为应用到定子线圈的脉宽调制信号
  • 保护功能和辅助功能,包括启动和关闭逻辑
  • 如果使用无传感器控制,则需要通过观测器来估算转子位置角

磁场定向控制的模块图。

要设计磁场定向控制,电机控制工程师需要执行下列任务:

  • 为电流环开发一个使用双 PI 控制器的控制器架构
  • 为外部速度环或位置环开发 PI 控制器
  • 调节所有 PI 控制器的增益以满足性能要求
  • 为控制 PWM 设计空间矢量调制器
  • 如果使用无传感器控制,则需要设计一个观测器算法来估算转子位置和速率
  • 设计每安培最大扭矩或弱磁控制算法来生成最优 id_ref 和 iq_ref
  • 实现高效运算的帕克变换、克拉克变换和反向帕克变换
  • 设计故障检测和保护逻辑
  • 验证和确认不同工况下的控制器性能
  • 在微处理器或 FPGA 上实现定点或浮点控制器

通过使用 Simulink® 进行磁场定向控制设计,您可以在硬件测试之前使用多速率仿真来设计、调节和验证控制算法,以及检测和修正在电机的整个工作范围内出现的错误。通过 Simulink 使用仿真,您可以减少原型测试工作量,并针对一些故障条件(在硬件上测试这些故障条件不可行)来验证控制算法的稳健性。您可以:

  • 对各种类型的电机进行建模,包括同步和异步三相电机。您可以创建不同保真度的模型并在它们之间进行切换,从简单的第一性原理的一次性 (lumped-sum) 模型到通过从 FEA 工具(例如 ANSYS® Maxwell® 和 JMAG®)导入的方式创建的高保真、基于磁通的非线性模型。
  • 对电流控制器、速度控制器和调制器进行建模。
  • 对逆变器电力电子器件进行建模。
  • 使用线性控制设计技术(例如波特图和根轨迹图)和 PID 自动调优等技术来调节控制系统增益。
  • 对模型启动、关闭和错误模式进行建模,并设计降额和保护逻辑来确保安全运转。
  • 设计用于估算转子位置和速度的观测器算法。
  • 优化 id_ref 和 iq_ref 以确保功耗最小、在超出转子额定速度时能够运行,并且在参数不确定条件下可正确运行。
  • 设计 I/O 信道的信号调节和处理算法。
  • 运行电机和控制器的闭环仿真以测试正常和不正常工况下的系统性能。
  • 自动生成 ANSI、ISO 或针对处理器优化过的 C 代码和 HDL,以实现快速原型、硬件在环测试和生产。

使用 Simulink 实现磁场定向控制

通过浏览交互式示例和教程,从基本任务向更高级演练进阶。

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