创建一个桌面电动机测功机系统以TI的C2000支持包和基于模型的设计金宝app

与世界上近50%的电力由电动机消耗,越来越多的公司和大学正在研究和开发节能解决方案如变频驱动器(vfd)。金宝搏官方网站

调节变频电机通过改变电动机转速和转矩输入频率,电压,电流。通常包含一个嵌入式控制器,逆变器将直流电压转换为三相交流电压、三相电机。汽车通常是一个永磁同步电机(永磁同步电动机)或一个感应电机(IM)。研究和控制律的发展,变频系统必须在测功器进行测试。一个满负荷运作的测功器是一个昂贵的解决方案。因此,需要使用一个低成本的测功机系统能够运行在较低的直流总线电压使用电流供应有限,减少安全系统损坏问题。

本文描述了工作流与MATLAB使用基于模型的设计^®和仿真软金宝app件^®开发一个桌面或实验室测功器。我们首先概述的硬件和软件配置用于创建这个闭环系统,物理方程来约束我,和底层控制原则。然后我们描述工作流的主要步骤:开发和模拟模型,将控制律嵌入式目标代码,测试电机控制器软件速度或转矩模式,在测功器试验系统和部署代码。

设计要求和系统组件

我们的测功器系统的基本目标是提供一个安全、低成本的测试环境。需求包括:

• 能够提供一个低压(42 V或更少)的直流电源逆变器以减少直流总线的能源潜力,以及冲击的危险
• 机械安全住房和IM和直流马达的固定装置,保护操作者免受耦合故障时,意想不到的转矩命令,或其他系统故障
• 远程控制和校准功能

图1显示了系统的最终配置,包括软件和硬件组件。

我们使用一个索伦森XPH-10直流电源给逆变器。这个设置,允许能量再循环,使我们能够使用一个较小的电源。当我运行时电机,直流电机作为发电机;实际上,直流电源只有占系统损失。两个逆变器和TI F28335控制器数字DMC1500频谱。DMC1500 AC输入直接连接到直流电源,使逆变器直流母线电压目前有限的索伦森电源。使用向量CANcaseXL CAN-based控制实现。提供的封闭式电机Motorsolver绝妙的工具包和转矩传感器。

感应电动机的物理方程

对于这个应用程序,我们将使用磁场定向控制(FOC)。在船中,绕组电流可以调节,这样转矩正比于转矩常数乘以绕组电流。

\ [T_ {em} = k_T识别\ cdot i_a \]

调节FOC IM,我们需要将三相流转换为一个两阶段等效和两阶段相当于直流转换模型。我们首先将三相ABC直接和交轴电流。这是使用克拉克和公园的同步卷绕速度变换\ (\ omega_ {syn} \)。提升速度是电机转子速度的总和\ (\ omega_m \)和转差频率\ (\ omega_{滑}\)。的下标\ \)和\ r \)代表了定子和转子,分别。

方程如下:

克拉克变换:

\ [i_d = \压裂{2}{3}i_a \压裂{1},{3}i_b \压裂{1},{3}i_c \] \ [i_q = \压裂{\ sqrt {3}} {3} (i_a-i_c) \]

同步的速度和角度:

\ [\ omega_ {syn} = \ omega_m + \ omega_{滑}\]\ [\ theta_ {syn} = \ int \ omega_ {syn} \, dt \]

公园变换:

\ [i_ {sd} = i_dcos (\ theta_ {syn}) + i_qsin (\ theta_ {syn}) \] \ [i_{平方}= -i_dsin (\ theta_ {syn}) + i_qcos (\ theta_ {syn}) \]

注意电机转子频率\ (\ omega_m \)是电子测量领域,这意味着它是机械转子频率和机器的产品极对。此外,用向量形式,感应电机的控制方程与定子和转子电压\ \ν\,通量联系\λ(\ \),电流\(我\),和电磁转矩\ (T_ {em} \识别),遵循下面的方程。最后,注意,每台机器参数\ (p \)对应于机器波兰人的数量。\ (L_m \)对应于磁化电感,\ (L_s \)对应于定子漏和磁化电感,\ (L_r \)对应于转子漏和磁化电感,\ (R_s \)转子电阻,和\ (R_r \)定子电阻。

\[开始\ {bmatrix} \ nu_ {sd} \ \ \ nu_{平方}\ {bmatrix} = R_s结束\ {bmatrix}开始i_ {sd} \ \ i_{平方}\ {bmatrix} +结束\压裂{d} {dt} \开始{bmatrix} \ lambda_ {sd} \ \ \ lambda_{平方}\ {bmatrix} +结束\ omega_ {syn} \ {bmatrix}开始0 &-1 \ \ 1四维\ {bmatrix} {bmatrix} \ \开始结束lambda_ {sd} \ \ \ lambda_{平方}\ {bmatrix}结束\]

\[开始\ {bmatrix} \ nu_ {rd} \ \ \ nu_ {rq} \ {bmatrix} = R_r结束\ {bmatrix}开始i_ {rd} \ \ i_ {rq} \ {bmatrix} +结束\压裂{d} {dt} \开始{bmatrix} \ lambda_ {rd} \ \ \ lambda_ {rq} \ {bmatrix} +结束\ omega_{滑}\ {bmatrix}开始0 &-1 \ \ 1四维\ {bmatrix} {bmatrix} \ \开始结束lambda_ {rd} \ \ \ lambda_ {rq} \ {bmatrix}结束\]

\[开始\ {bmatrix} \ lambda_ {sd} \ \ \ lambda_{平方}\ \ \ lambda_ {rd} \ \ \ lambda_ {rq} \ {bmatrix} = {bmatrix} \开始结束L_s&0&L_m&0 \ \ 0 &l_s&0&l_m \ \ L_m&0&L_r&0 \ \ 0 &l_m&0&l_r \ {bmatrix}结束\ {bmatrix}开始i_ {sd} \ \ i_{平方}\ \ i_ {rd} \ \ i_ {rq} \ {bmatrix}结束\]

\ [T_ {em}识别= \压裂{p} {2} (\ lambda_ {rq} i_ {rd} - \ lambda_ {rd} i_ {rq}) \]

我们可以进一步简化上面的方程。当IM转子的绕组短路,两\ (\ nu_ {rd} \)和\ (\ nu_ {rq} \)等于零。船控制,我们将调整机器的d-axis通量这样\ (\ lambda_ {rq} \)和\ (d / dt (\ lambda_ {rq}) \)都等于\ (0 \)。知道了这一点,我们可以计算机器滑动\ (\ omega_{滑}\)和简化电磁转矩方程。

\ [\ omega_{滑}= \压裂{L_m} {\ tau_r \ lambda_ {rd}} i_{平方}\]

\ [\ tau_r = \压裂{L_r} {R_r} \]

最后,在稳态操作(\ (i_ {rd} = 0 \))在额定流量,我们推导出直流电机转矩方程。

\ [T_ {em} = \识别裂缝分析p{}{2} \; \压裂{L_m ^ 2} {L_r} \; i_ {sd} \; i_{平方}\]

\ [T_ {em} = k_T识别\ cdot i_{平方}\]

控制感应电机

IM的方程,我们知道如果我们独立控制flux-producing电流\ (i_ {sd} \)和torque-producing电流\ (i_{平方}\),我们将产生电磁转矩(图2)。我们可以权衡在选择理想的通量,torque-producing当前组件。例如,在轻负载可能期望减少flux-producing电流减少系统损失,或控制两个电流获得torque-per-machine安培峰值。

我们将机器运行在其额定流量,直到发生磁场减弱。输入字段的额定速度减弱后,我们将会减少当前\ (i_ {sd} \)反向作为转子速度的函数。

控制机我们需要改变定子电流反馈他们同步直流等效变换使用机械速度和克拉克和公园。调节感应电机的定子电流要求使用电动机模型来估计机器通量。使用比例积分(PI)控制,我们将两个电流转换为定子DQ电压\ (\ nu_ {sd} \)和\ (\ nu_{平方}\)。我们然后使用\ \ nu_ {sd} \)和\ (\ nu_{平方}\)来计算工作周期命令的三相逆变器使用空间矢量调制技术。

建立和实施闭环IM和直流测功机系统

实现测功器系统,我们做以下:

1. 提取IM参数使用有限元分析(FEA)
2. 模拟一个即时通讯控制器组成的闭环系统模型和植物
3. 生成代码部署TI F28335 IM和直流电机控制器
4. 控制、校准和向量CANalyzer监控系统

确定电机参数

通常,创建测功器设置的第一步是最困难的。这一步需要计算或测量以下内部电机参数:磁化电感\ (L_m \),定子漏和磁化电感\ (L_s \),转子漏和磁化电感\ (L_r \),转子电阻\ (R_s \),定子电阻\ (R_r \),额定机械转速,额定电压,额定速度。

有两种常见的电动机参数的确定方法:从有限元分析计算模型,并采用物理测量负载和空载测试。我们将使用有限元分析的方法,使我们能够获得转子和定子额定电压,电流,和通量,分解到直接和交轴。一旦我们知道磁通和电流之间的关系,我们可以计算的额定定子d-axis电流方程。

建立了电机参数时,我们将其转换为数据对象模型。金宝app我们可以指定数值,有效范围,数据类型,和其他重要属性,不操纵模型和优化模型获文件。

建立系统模型

下一步涉及创建一个闭环IM控制器和植物系统使用一节中描述的拓扑控制感应电机。This step is illustrated in Figure 3. Note that the core control law is a reusable Simulink library component, easing the transition from a closed-loop system model to an embedded controller target model. We recommend abstracting the core controller model from its inputs and outputs so that when we translate from the system model to the controller model, the internal control law remains unchanged. We analyze system performance using Simulink signal logging and a MATLAB script, since simulating down to the switching frequency produces a large data set.

连接硬件的IM和直流控制器模型

一旦我和直流控制器完成系统级仿真模型,我们的模型合并到一个框架,用于生产代码生成。这涉及到替换输入和输出处理层与物理F28335目标块。我们接口IM和直流控制器外部电流测量(ADC块),直流电压测量(ADC块),速度测量(eQEP块),和PWM输出(ePWM块)。

IM和直流控制器执行速度10 kHz,同步的PWM周期和结束ADC转换(图4和5)。ePWM输出必须使用同步输出选择一致(图6)。两种模型现在准备生产代码生成嵌入式编码器^®。

描述最终的设计和控制系统

我们使用向量CANalyzer测功机系统控制数据采集为IM和直流电机(图7)。

直流电机控制包含两种操作模式:模式和工作周期控制速度。责任周期控制使我们能够测试和集成的脉宽调制直流电机控制的方式。直流电机系统集成后,直流电机运行速度模式,允许我在转矩模式下运行。直流电机和逆变器监控包括阶段电流\ (i_a \) \ (i_b \),转子转速\ (\ omega_ mech{} \),和直流总线电压\ (v_{巴士}\)。

像直流电机,IM电动机控制使用两种操作模式:扭矩和电压/频率(V / F)模式。V / F模式允许集成商测试逆变器和IM电机运行速度常数。整合完成后,电机将主要在转矩模式下运行。IM电机和逆变器监控包括阶段电流\ (i_a \) \ (i_b \),转子转速\ (\ omega_ mech{} \),和直流总线电压\ (v_{巴士}\)。它还包括估计转矩\ (tq_ {est} \)和同步d阶段和q轴电流\ (i_ {sd_fb} \)和\ (i_ {sq_fb} \)。

图8显示了最终的部署系统。

总结和下一步

本文描述了一个工作流开发一种低成本的桌面测功机系统,让一个工程师开发电机控制算法在一个安全的环境。基于模型的设计使控制器对一个IM植物模型的发展。这些控制器模型部署到TI F28335需求方光谱数字DMC1500逆变器接口。直流和IM汽车都是由Motorsolver提供。最后,使用向量CANcaseXL得到控制和校准。

这个工作的范围可以扩展通过引入附加如永磁同步电动机和开关磁阻电动机技术由Motorsolver支持。金宝app

该系统中使用的方法可以通过整合提炼可以为仪器标定协议,这消除了需要物理路由信号和参数。此外,一个详细的PWM开关算法的发展,如死时间补偿,将提供一个更低的正弦波失真电动机阶段电流。