在離線原型設(shè)計(jì)中，受控電子驅(qū)動(dòng)器(電機(jī)、轉(zhuǎn)換器和傳感器)的模型被添加到我們的方案中，并在 Simulink 中對(duì)生成的模型進(jìn)行仿真。值得指出的是： 1 st，e-drive 模型被放置在中斷驅(qū)動(dòng)控制 ISR 塊之外，因此它將根據(jù)固定或可變步長(zhǎng)求解器的設(shè)置計(jì)算為時(shí)間連續(xù)系統(tǒng)。模型; 第二，為了完全符合控制 ISR 的目標(biāo)微依賴實(shí)現(xiàn)，也必須從信號(hào)開始模擬其驅(qū)動(dòng) I/O 信號(hào)的外圍設(shè)備(ADC、QEP、PWM...)的特性屬性。

實(shí)現(xiàn)電子驅(qū)動(dòng)器仿真的 Simulink 模型部分如圖 6 所示。還包括對(duì)目標(biāo)微 I/O 外設(shè)的硬件特性進(jìn)行建模的模塊。功率轉(zhuǎn)換器被建模為理想電壓源逆變器，提供兩種操作模式：“理想開關(guān)”或“理想平均”，具體取決于是否模擬 PWM 單元的操作。這種選擇也與在實(shí)時(shí)仿真中使用相同模型的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的可能性相關(guān)，并將在本節(jié)后面討論。

在實(shí)時(shí)原型設(shè)計(jì)中，受控電子驅(qū)動(dòng)器的模型嵌入實(shí)時(shí)控制代碼中，并直接在微控制器硬件上進(jìn)行計(jì)算。

可以使用的模型，但它必須放在控制 ISR 塊內(nèi)。這種約束涉及到 1 st，需要選擇和實(shí)現(xiàn)非線性微分方程系統(tǒng)的求解器，至少對(duì)于電機(jī)模型計(jì)算而言;第二，為這個(gè)求解器設(shè)置一個(gè)合適的時(shí)間步長(zhǎng)。

對(duì)于第一項(xiàng)，本文選擇了 4階固定步長(zhǎng) Runge-Kutta 算法，在計(jì)算時(shí)間和解的準(zhǔn)確性之間做出了很好的折衷。關(guān)于時(shí)間步長(zhǎng)，首要的選擇是利用PWM周期本身，即在每個(gè)控制步長(zhǎng)積分微分模型。后者，盡管求解器的自定義實(shí)現(xiàn)允許構(gòu)思更準(zhǔn)確的解決方案。有了這個(gè)選擇，看圖 6 中的方案，微控制器的 PWM 單元的模擬就沒有必要了。逆變器以其理想的“周期平均”行為進(jìn)行模擬。

值得指出的是，在 Simulink 中可以為模型子系統(tǒng)使用自定義求解器算法。因此： 1 st，嵌入求解器算法的相同電動(dòng)機(jī)塊可用于離線和實(shí)時(shí)仿真。因此，第二，離線和實(shí)時(shí)響應(yīng)之間的直接比較可以評(píng)估積分時(shí)間步長(zhǎng)的準(zhǔn)確性。主機(jī)-用戶界面的實(shí)時(shí)通信設(shè)施仍可實(shí)時(shí)使用模擬。

SynRel 電機(jī)建模和控制方案

要建立實(shí)時(shí)仿真方法，需要考慮受控電子驅(qū)動(dòng)器的仿真模型，該模型適用于目標(biāo)處理器中的計(jì)算。

這種模型的基本要求必須是低計(jì)算負(fù)擔(dān)和高可靠性，同時(shí)保持足夠的精度。在上概述的驅(qū)動(dòng)組件中，必須重點(diǎn)關(guān)注電動(dòng)機(jī)，其模型本質(zhì)上是一組微分、非線性分析方程。此外，當(dāng)給定電機(jī)類型的電磁非線性不可忽略時(shí)，不能使用通常眾所周知的集總參數(shù)模型，如 SynRel 電機(jī)。

基于此推理，SynRel 電機(jī)已通過布置在轉(zhuǎn)子固定dq參考中的等效兩相模型進(jìn)行仿真，輸入電壓的 Park 變換嵌套在 RK 求解器算法中以提高精度。此外，為了考慮 SynRel 的非線性和交叉耦合，使用了反向磁通與電流圖，由電機(jī)的有限元模型計(jì)算，這意味著磁通作為微分模型中的狀態(tài)變量。

這樣的模型既可用于實(shí)時(shí)仿真，也可用于離線仿真。在第一種情況下，逆變器被建模為“PWM 周期的理想平均值”。

當(dāng)然，在第二種情況下，求解器步長(zhǎng)必須盡可能小，以符合目標(biāo)微控制器上 PWM 計(jì)數(shù)器的分辨率。

然而，為原型設(shè)計(jì)提供了不同的操作設(shè)施和測(cè)試模式，例如用于編碼器初始化、速度、扭矩或電流控制模式的轉(zhuǎn)子校準(zhǔn)和估計(jì)程序;d/q軸上的階躍電流響應(yīng);通量觀察者等。

該控制方案大部分在浮點(diǎn)運(yùn)算中實(shí)現(xiàn)，利用 32 位 TI Delfino F28379S微控制器的特性。軟件可靠性、易用性和實(shí)施靈活性是快速原型設(shè)計(jì)的基本要求?？刂品桨傅拿總€(gè)功能塊被安排為具有適當(dāng)設(shè)置和啟用標(biāo)志的參數(shù)庫(kù)模塊。此后，開發(fā)人員必須注意鏈接模塊，以使它們的輸入/輸出變量與控制方案和操作模式的結(jié)構(gòu)相匹配。

原型平臺(tái)

用于對(duì)所提出的 RCP 技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的原型平臺(tái)。SynRel 電機(jī)是為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的原型，轉(zhuǎn)子上有兩個(gè)極對(duì)和四個(gè)磁通屏障。表 I 恢復(fù)了主要電機(jī)數(shù)據(jù)。

功率轉(zhuǎn)換器是一款商用 IGBT 逆變器(2 個(gè) CBI 模塊)，帶有散熱器、光耦合驅(qū)動(dòng)器、輸出相電流和 DC-Link 電壓傳感器以及內(nèi)部 NTC 模塊溫度。開發(fā)板包括集成到定制接口板中的 TI Delfino F28379S 微控制器：后者承載輸入/輸出控制和調(diào)試信號(hào)的調(diào)節(jié)電路。

主機(jī)PC通過標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串口與開發(fā)板通信。此鏈接實(shí)現(xiàn)了在獨(dú)立 Simulink 模型中運(yùn)行的自定義主機(jī)控制臺(tái)的實(shí)時(shí)功能。用戶面板允許選擇測(cè)試模式、發(fā)送設(shè)定點(diǎn)和參數(shù)，以及選擇目標(biāo)發(fā)送到主機(jī) PC 的控制變量，以便使用 Simulink Scopes進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化。

本文介紹的所有實(shí)驗(yàn)都是在 10 kHz PWM 頻率、0.5 us 逆變器死區(qū)時(shí)間和 300 V 直流母線電壓 (V dc ) 下實(shí)現(xiàn)的。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

下面說明了一些使用建議的快速原型制作技術(shù)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的例子。

A. 初始化程序

此過程涉及 ADC 測(cè)量中的偏移補(bǔ)償和轉(zhuǎn)子對(duì)齊。這最后是通過施加與參考相位“ a ”的磁軸對(duì)齊的固定 FMM 來完成的，隨后將該位置作為編碼器測(cè)量的零位施加。

初始轉(zhuǎn)子位置固定在 60 elec。度，對(duì)準(zhǔn)電流為0.3 pu。在更改為 0.05 pu(即 MTPA 控制的最小電流)之前，該值保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間以進(jìn)行對(duì)齊。實(shí)驗(yàn)中的位置測(cè)量已預(yù)先初始化，以便更好地了解其瞬態(tài)。即使對(duì)機(jī)械參數(shù)進(jìn)行了近似估計(jì)，模擬也允許正確設(shè)置程序，即其時(shí)間和對(duì)準(zhǔn)電流的水平。

B. 電流控制響應(yīng)

已經(jīng)分析了各種級(jí)別的d電流階躍響應(yīng)，以研究 SynRel 電機(jī)的飽和特性的影響。已在鎖定轉(zhuǎn)子上進(jìn)行了測(cè)試，q電流控制為零。還顯示了d電壓參考瞬變。PI 調(diào)節(jié)器的相同增益已用于模擬和實(shí)驗(yàn)中的不同階躍響應(yīng)。

正如文獻(xiàn)中報(bào)道的那樣，電流響應(yīng)斜率的增加是飽和的明顯影響。它將階躍響應(yīng)的性質(zhì)從純阻尼變?yōu)樽枘嵴袷帯?

通過在 Simulink 中選擇 RK ode4 求解器進(jìn)行離線仿真，其固定步長(zhǎng)等于 1 us。

盡管逆變器的建模很理想，但與實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系?！袄硐肫骄怠焙汀袄硐朕D(zhuǎn)換”建模之間沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異。在配備英特爾酷睿 i7-7 代處理器的 PC 上，模擬速率為 335(計(jì)算時(shí)間/模擬時(shí)間)。

對(duì)于實(shí)時(shí)仿真，RK 算法是通過 Simulink 中的 S-Function builder 構(gòu)建的自定義程序。它在 TI Delfino F28379S(以 200 MHz 運(yùn)行)上執(zhí)行大約需要 20 us，而完全控制 ISR 需要 84 us。請(qǐng)注意，RK 算法僅計(jì)算第 V 節(jié)中描述的 SynRel 電機(jī)模型。

與離線模擬相比，在實(shí)時(shí)模擬中獲得的當(dāng)前階躍響應(yīng)顯示出更多的振蕩趨勢(shì)，這種趨勢(shì)隨著當(dāng)前水平的增加而增加。等于 PWM 周期 (100 us) 的積分步長(zhǎng)似乎太大而無法模擬所檢查電機(jī)的瞬態(tài)，此時(shí)由于飽和差動(dòng)電感的減少，電流的動(dòng)態(tài)增加超過了某個(gè)限制。最大電流下的振蕩量可能會(huì)引發(fā)算法不穩(wěn)定的情況。

顯然，有必要將 PWM 周期增加到 120 us (8.33 kHz) 以允許計(jì)算整個(gè)控制 ISR，并相應(yīng)地修改 PI 調(diào)節(jié)器的積分增益。

結(jié)論

本文介紹了在 Matlab/Simulink 中為電子驅(qū)動(dòng)器的快速控制原型設(shè)計(jì)的離線和實(shí)時(shí)仿真的相同目標(biāo)。這兩種方法共享目標(biāo)微控制器的相同控制算法，但它們運(yùn)行在不同的平臺(tái)(PC 或 micro)上。驗(yàn)證測(cè)試是在帶有 SynRel 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器上進(jìn)行的，目前在文獻(xiàn)中還沒有發(fā)現(xiàn)。他們證實(shí)了離線仿真的有效性，在快速瞬變期間也提供非常接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果的結(jié)果，前提是假設(shè)對(duì)工廠進(jìn)行了準(zhǔn)確的建模。實(shí)時(shí)仿真可以達(dá)到類似的精度，具有實(shí)時(shí)運(yùn)行的巨大優(yōu)勢(shì)，但電機(jī)模型積分步長(zhǎng)的選擇對(duì)響應(yīng)的準(zhǔn)確性有顯著影響。當(dāng)發(fā)生快速電流瞬變時(shí)，等于 PWM 周期的固定步長(zhǎng)可能會(huì)引入寄生振蕩。相反，拆分這樣的步長(zhǎng)值仍然會(huì)顯著影響最新一代微控制器的計(jì)算時(shí)間。然而，實(shí)時(shí)模擬對(duì)于小市場(chǎng)生產(chǎn)來說是一個(gè)有吸引力的選擇，同時(shí)仍然考慮到這些限制。