主要内容

永磁同步电机的磁场减弱控制(带MTPA)

开放的例子

本例实现了磁场定向控制(FOC)技术来控制三相永磁同步电机(PMSM)的转矩和速度。FOC算法需要转子位置反馈，由正交编码器传感器获得。关于FOC的详细信息，请参见磁场定向控制(FOC)．

场强减弱控制

当使用FOC算法以额定磁链运行电机时，最大速度受定子电压、额定电流和反电动势的限制。这个速度称为基本速度。超过这个速度，机器的操作是复杂的，因为反电动势大于电源电压。但是，如果您设置d-轴定子电流(Id)为负值时，转子磁链减小，从而允许电机在高于基准速度的情况下运行。这种操作被称为电动机的弱磁场控制。

根据所连接的负载和机器的额定电流，参考d轴电流($ {I_d} $)在弱场控制中也限制了参考问轴电流($ {I_q} $)，因此，限制扭矩输出。因此，电机在恒转矩区域运行，直到基本转速。如上图所示，它在恒定功率区域以高于基本速度的有限扭矩运行。

参考电流的计算$ {I_d} $取决于电机和逆变器参数。

注意:

  • 对于某些表面永磁同步电动机，(取决于参数)可能不可能在额定电流下实现更高的速度。为了达到更高的速度，您需要用高于额定电流的最大电流使电机过载(如果机器的热条件在允许的范围内)。

  • 当您操作电机超过基本转速时，我们建议您监测电机的温度。在电机运行过程中，如果电机温度升高超过制造商建议的温度，出于安全考虑，应关闭电机。

  • 当您操作电机高于基本速度时，我们建议您以小步骤增加速度参考，以避免磁场削弱的动态，从而使一些系统不稳定。

每安培最大扭矩(MTPA)

对于内部永磁同步电动机，转子磁路的显著性较高${{{L_q}} \over {{L_d}} $这将在转子中产生磁阻转矩(除了现有的电磁转矩)。有关更多信息，请参见MTPA控制参考．

因此，您可以操作机器在一个最佳的组合$ {I_d} $而且$ {I_q} $，在相同定子电流的情况下，获得较大的转矩，${I_{\max}} = \√{I_d^2 + I_q^2}$．

这增加了机器的效率，因为定子电流损失是最小的。用于生成引用的算法$ {I_d} $而且$ {I_q} $在机器中产生最大转矩的电流，称为每安培最大转矩(MTPA)。

对于一个内部PMSM (IPMSM)，这个例子计算引用$ {I_d} $而且$ {I_q} $电流使用MTPA方法，直到基本速度。对于表面PMSM (SPMSM)，示例通过使用零来实现MTPA操作d-轴参考电流，直到基准速度。

要操作高于基本速度的电机，本例计算参考$ {I_d} $而且$ {I_q} $MTPA和磁场减弱控制，取决于电机类型。对于表面永磁同步电动机，采用恒压恒功率(CVCP)控制方法。对于内置式永磁同步电动机，采用限压限流最大转矩(VCLMT)控制方法。

有关MTPA控制参考块的信息，请参见MTPA控制参考．

目标的沟通

对于硬件实现，本例使用一个主机和一个目标模型。主机模型运行在主机计算机上，与部署到与电机相连的硬件上的目标模型通信。主机模型使用串行通信命令目标模型，并在闭环控制中运行电机。

场弱控制和MTPA都需要产生参考电流，其限制涉及:

  • 限流圈

  • 限压椭圆

  • 电机的温度

要确定遵循这些极限的工作点，请参阅由函数生成的图获取电机特性．

在弱磁场区域，一些永磁同步电动机可能需要高于电动机额定电流的定子电流。具体请参见函数生成的图形获取电机特性．

模型

这个例子为这些硬件配置使用了多个模型:

速度控制带磁场减弱和MTPA的PMSM:

速度控制带磁场减弱和MTPA的内部PMSM (IPMSM):

注意:该模型使用在模型初始化脚本中定义的ADLEE-BM-180E IPMSM参数。ADLEE-BM-180E IPMSM的显著性约为10% ($ {L_q} $大约比?高10%$ {L_d} $)．由于显着性低，这个马达要求更高$ {I_d} $电流进入弱磁场区域并以高于额定速度运行。然而，电机的额定电流只有9A。因此，当您在弱磁场区域运行电机时，低显著性使电机拉高$ {I_d} $电流迅速(并迅速达到额定电流限制)，同时只获得有限的速度增加高于基本速度。您可以使用该模型通过使用具有更高显著性的IPMSM来实现高于基本速度的更高速度。

转矩控制MTPA永磁同步电动机:

您可以将这些模型用于模拟和代码生成。您还可以使用open_system命令打开Simulink®模型。金宝app以F28069M控制器为例:

open_system (“mcb_pmsm_fwc_qep_f28069LaunchPad.slx”）;

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模拟模型:

1.对于模型:mcb_pmsm_fwc_qep_f28069LaunchPad而且mcb_pmsm_mtpa_qep_f28069LaunchPad

  • 电机控制块集™

  • 定点设计师™

2.对于模型:mcb_pmsm_fwc_qep_f28379d而且mcb_pmsm_mtpa_qep_f28379d

  • 电机控制块集™

生成代码并部署模型:

1.对于模型:mcb_pmsm_fwc_qep_f28069LaunchPad而且mcb_pmsm_mtpa_qep_f28069LaunchPad

  • 电机控制块集™

  • 嵌入式编码器®

  • 德州仪器C2000处理器的嵌入式金宝appCoder®支持包

  • 定点设计师™

2.对于模型:mcb_pmsm_fwc_qep_f28379d而且mcb_pmsm_mtpa_qep_f28379d

  • 电机控制块集™

  • 嵌入式编码器®

  • 德州仪器C2000处理器的嵌入式金宝appCoder®支持包

  • 定点设计器™(仅用于优化代码生成)

先决条件

1.获取电机参数。我们提供Simulink®模型的默认电机参数，您可以用电机数据表或其他来源的值替换。金宝app

但是，如果您有电机控制硬件，您可以通过使用motor control Blockset参数估计工具来估计要使用的电机的参数。有关说明，请参见使用推荐硬件估算PMSM参数．

参数估计工具更新motorParam变量(在MATLAB®工作空间)与估计电机参数。

2.如果您从数据表或其他来源获得电机参数，请更新与Simulink®模型相关的模型初始化脚本中的电机、逆变器和位置传感器校准参数。金宝app有关说明，请参见估计控制增益并使用效用函数．

如果使用参数估计工具，可以更新逆变器和位置传感器校准参数，但不能更新模型初始化脚本中的电机参数。脚本自动从更新的文件中提取电机参数motorParam工作空间变量。

模拟(速度控制和转矩控制)模型

本例支持模拟。金宝app按照以下步骤模拟模型。

1.打开本示例中包含的模型。

2.点击运行在模拟TAB来模拟模型。

3.点击数据检查在模拟选项卡查看和分析仿真结果。

分析速度控制模型的仿真结果

该模型使用单位系统来表示速度、电流、电压、转矩和功率。在工作空间中输入PU System，查看这些数量的每个单位值转换为SI单位。

观察速度和电流控制器的系统动态。此外，注意负Id电流以上的电机运行的基本速度。

注意:

  • 对于某些表面永磁同步电动机，(取决于参数)可能不可能在额定电流下实现更高的速度。为了达到更高的速度，您需要用高于额定电流的最大电流使电机过载(如果机器的热条件在允许的范围内)。

  • 当您操作电机超过基本转速时，我们建议您监测电机的温度。在电机运行过程中，如果电机温度升高超过制造商建议的温度，出于安全考虑，应关闭电机。

  • 当您操作电机高于基本速度时，我们建议您以小步骤增加速度参考，以避免磁场削弱的动态，从而使一些系统不稳定。

  • 在开始时，本例以开环控制方式运行电机。在检测到正交编码器传感器的指数脉冲后，电机开始使用闭环控制运行。启动算法大约需要0.5秒来执行这个转换。忽略在初始期间速度和位置反馈信号中观察到的任何瞬态。

分析转矩控制模型的仿真结果

使用以下三种方法生成的Id和Iq参考电流运行仿真:

1.使用MTPA控制参考块生成参考电流。

2.使用矢量控制参考块手动生成MTPA参考电流。

3.生成没有MTPA的控制引用。

第一种方法在假设线性电感后，使用数学计算来确定参考电流Id和Iq。

使用第二种方法手动生成具有非线性电感的电机的MTPA查找表。你可以用在+(π/2)到-(π/2)之间扫转矩角生成的Id和Iq参考来说明这一点。

使用最后一种方法获得参考电流而不使用MTPA算法。

您可以在数据检查器中比较这三种方法产生的扭矩和功率。

在上面的例子中，您可以注意到使用MTPA产生的电扭矩是0.34PU，而不使用MTPA产生的电扭矩是0.27PU。您还可以注意到，随着扭矩角度的变化，最大产生的扭矩与MTPA产生的扭矩相匹配。消极的d-轴电流表明MTPA利用磁阻转矩用于内部永磁同步电机。

注意:如果您正在使用表面PMSM，将电机参数的类型从内部PMSM更改为表面PMSM，在位于位置的MTPA控制参考块中:“转矩控制\ mtpa_参考\MTPA控制参考”。

生成代码并将模型部署到目标硬件

本节指导您在目标硬件上生成代码并运行FOC算法。

本例使用一个主机和一个目标模型。主机模型是控制器硬件板的用户界面。您可以在主机计算机上运行主机模型。使用该主机型号的前提是将目标型号部署到控制器硬件板上。主机模型使用串行通信来命令目标Simulink®模型，并在闭环控制中运行电机。金宝app

所需的硬件

本例支持这些硬件配置。金宝app还可以使用目标模型名称从MATLAB®命令提示符打开相应硬件配置的模型。

上述硬件配置的相关连接请参见LAUNCHXL-F28069M和LAUNCHXL-F28379D配置．

运行模型，实现速度和扭矩控制与磁场削弱和MTPA

1.利用前一节对模型进行仿真，并对仿真结果进行分析。

2.完成硬件连接。

3.转矩控制模型需要一个内部PMSM与QEP传感器，由一个外部测功机与速度控制(使用速度控制模型)驱动。

4.该模型自动计算ADC(或电流)偏移值。若要禁用此功能(默认启用)，请将值0更新为可变逆变器。模型初始化脚本中的ADCOffsetCalibEnable。

或者，您可以计算ADC偏移值，并在模型初始化脚本中手动更新它。有关说明，请参见在开环控制下运行三相交流电机并校准ADC偏移．

5.计算正交编码器索引偏移值，并在与目标模型相关的模型初始化脚本中更新它。有关说明，请参见永磁同步电机正交编码器偏置校准．

6.打开要使用的硬件配置的目标模型。如果要更改目标型号的默认硬件配置设置，请参见型号配置参数．

7.在LAUNCHXL-F28379D的CPU2上加载一个示例程序，例如，使用GPIO31 (c28379D_cpu2_blink.slx)操作CPU2蓝色LED的程序，以确保CPU2不会被错误地配置为使用CPU1的板外设。

8.点击构建、部署和启动在硬件选项卡将目标模型部署到硬件。

9.单击主机模式在目标模型中使用超链接打开关联的主机模型。您还可以使用open_system命令打开主机模型。例如，使用此命令实现速度控制:

open_system (“mcb_pmsm_fwc_host_model.slx”）;

主机与目标机型的串口通信请参见Host-Target沟通．

10.在主机模型中，打开“主机串行设置”、“主机串行接收”和“主机串行传输”块，并选择a港口．

11.在速度控制模型中，更新参考速度(RPM)块值。在转矩控制模型中，使用Imag参考块更新当前请求。

12.点击运行在模拟TAB来运行主机模型。

13.将电机启动/停止开关位置调到On，启动和停止电机运行。

14.输入不同的参考速度(或电流)，并观察来自RX子系统的调试信号，在主机模型的时间范围内。

请注意

  • 如果位置偏移不正确，这个例子会导致电机电流过大。要避免这种情况，请确保在工作空间变量pmsm.PositionOffset中正确计算和更新位置偏移量。

  • 当您操作电机超过基本转速时，我们建议您监测电机的温度。在电机运行过程中，如果电机温度升高超过制造商建议的温度，出于安全考虑，应关闭电机。

  • 当您操作电机高于基本速度时，我们建议您以小步骤增加速度参考，以避免磁场削弱的动态，从而使一些系统不稳定。

参考文献

[1] B. Bose，现代电力电子和交流驱动器。普伦蒂斯·霍尔，2001年出版。isbn - 0 - 13 - 016743 - 6。

洛伦兹，罗伯特·D，托马斯·利波和唐纳德·w·诺沃特尼。“感应电机的运动控制。”IEEE论文集，第82卷，第8期，1994年8月，第1215-1240页。

[3]森本，茂雄，真田雅祐，武田洋次。带高性能电流调节器的内置永磁同步电机的高速运行IEEE工业应用汇刊，第30卷，第4期，1994年7月/ 8月，第920-926页。

[4]李，沐阳。基于z源逆变器的永磁同步电机弱磁控制。硕士论文，马凯特大学，e-Publications@Marquette, 2014年秋季。

[5]布里兹、费尔南多、迈克尔·w·德格纳和罗伯特·d·洛伦兹。“利用复杂向量分析和设计当前的监管机构。”IEEE工业应用汇刊，第36卷，第3期，2000年5月/ 6月，第817-825页。

[6]布里兹，费尔南多，等。[感应电动机]弱磁场操作中的电流和磁通调节。IEEE工业应用汇刊，第37卷，第1期，2001年1月/ 2月，第42-50页。

[7] TI应用说明，“用于IPMSM电机驱动器的无传感器foc与磁通削弱和MTPA。”