基于交流馈入闭合电机控制系统之嵌入式电机控
分类:人生感悟 热度:

  本文描述了围绕基于ARM?的嵌入式电机控制处理器构建的基于模型设计(MBD)平台的详细情况。 随后,本文提供最初部署的基本永磁同步电机(PMSM)控制算法示例,并介绍了方便的功能扩展,以包含自动化系统的多轴位置控制。

  长期以来,系统和电路建模一直是电机控制系统设计的重要方面。 采用MBD方法后,电气、机械和系统级模型用于在构建和测试物理硬件前评估设计概念。 MathWorks最新的仿真工具可以对完整的嵌入式控制系统进行建模,包括电气电路和机械系统领域。 同时,嵌入式编码工具从控制系统模型生成C语言代码,将控制算法部署在嵌入式控制平台上。

  这些工具实现了基于模型的设计过程,人们可以在最终硬件测试前先在仿真平台上进行设计并完全测试。 成功构建MBD平台的关键是分隔系统模型和嵌入式软件代码。 一旦MBD平台使用已知算法和系统进行测试后,便可开发新算法,并在仿真平台上以系统工作极限安全地测试。

  完整的设计流程

  MBD经过数十年的探讨,直到最近几年才发展为从模型创建到完整实现的完整设计流程。 MBD是解决设计复杂嵌入式控制系统相关问题的数学和可视化方法。

  设计师无需使用复杂的结构和大量软件代码,通过连续时间和离散时间构建模块,就可以使用MBD定义具有高级功能特性的各种模型。 这些与仿真工具一同使用的模型能够缩短原型设计、软件测试和硬件在环(HIL)仿真的时间。

  通过仿真,我们能够立即发现各种规范差异和模型误差,不会等到设计周期的后续环节才发现。 为了优化整体代码生成过程,可以加入自动代码生成来减少任何手动部署步骤,并进一步有助于缩短整体产品上市时间。 总而言之,MBD方法使设计师能够从更多经典设计方案开始扩展,以可控方式直接从模型创建转到仿真、代码生成和HIL测试,无需重新设计整个系统就可对系统行为作出递增改变。

  本文中的实验性设置基于交流馈入闭合电机控制系统,如图1所示。该系统表示一个功能完整的PMSM市电输入电机驱动,具有功率因数校正、完全控制、通信信号隔离和光学编码器反馈功能。 该系统的核心是一个ARM Cortex?-M4混合信号控制处理器,即ADI的ADSP-CM408。 它通过搭配IAR和MathWorks公司的工具,实现完整的MBD平台部署。

  交流电机驱动系统建模

  目标驱动系统是带有编码器位置反馈的PMSM,连接三相交流电源逆变器,带有隔离式相位电流反馈。 驱动控制算法部署在混合信号专用信号处理器(ASSP),包含外设,可捕获电机反馈信号并控制电源逆变器。

图1. 驱动系统平台 (a)交流馈入闭合电机控制系统框图 (b)系统原型制作

  系统有三个主要组件可用于建模: 电源逆变器和电机(对象)、控制反馈电路和数字控制器。 对象模型使用Simulink Simscape组件来仿真连续时间域内的电源逆变器电气电路和电机机电元素。 反馈电路模型处理控制器和电机驱动模型之间的增益和数据类型。

  Simulink嵌入式编码器工具创建的C语言代码可以在仿真平台和嵌入式控制处理器上精确反映算法的执行。 基于模型设计的成功执行有赖于精确的系统和电路模型,以及正确分隔系统模型和嵌入式控制软件。 由于系统中混合了离散和连续时间函数,因此该仿真求解器采用了固定步长离散求解器。

  驱动系统硬件包括电源板、控制板、以及带编码器反馈的PMSM。 电源板包含输入整流器、三相逆变器模块、电流和电压传感器、数字和模拟信号隔离电路,以及编码器信号缓冲器。 控制板包含电机控制ASSP(集成240 MHz ARM Cortex-M4F内核)以及专用电机控制外设(包括PWM定时器、正交编码计数器、Sinc滤波器和嵌入式模数转换器(ADC))。 硬件包含电机电流反馈选项,采用隔离电流传感器(集成嵌入式ADC)或分流器(集成隔离式ADC -?型转换器),以及嵌入式Sinc滤波器。

  反馈信号采集和控制算法执行通过处理器中断机制与PWM开关频率同步。由于对象中被关注的时间常数远长于PWM开关周期,系统仿真采用相同的时间步长。由于全开关信号仿真无法提供有用的控制信息,电源逆变器使用平均值模型。

  PMSM电机模型来源于MathWorks SimPower系统库,受配置菜单(甚至预设模型参数)的支持。 用户可以在自定义电机或逆变器模型之间切换,具体取决于设计开发的要求。

  电机控制(MC)算法模型是一组离散时间函数,每一个时间步进均在仿真和嵌入式平台上执行。 通常,MC算法函数包含在单个子系统模块内,简化代码产生过程。 代码生成器创建C语言代码,来执行算法输入、输出和状态变量的控制算法和数据结构。算法本身是常用的磁场定向控制,具有外部速度环路、内部d轴和q轴电流环路,如图2所示。

  逆变器接口和反馈路径分为传感器信号调理和嵌入式接口模块。电流传感器和信号调理模型是简单的增益元素,因为它们的带宽超出了控制反馈所关心的范围。位置传感器模型更为复杂,因为它提供高分辨率增量位置信号和低分辨率绝对位置信号。

  嵌入式信号接口模型包括类型转换函数,因为ADC、Sinc滤波器、计数器和定时器外设具有16位或32位定点输出数据寄存器。 每个嵌入式接口的增益都是外设系统时钟速率、采样速率和接口外设寄存器设置的函数。 模型参数必须匹配嵌入式系统配置,确保仿真结果的精确性。

上一篇:卧龙电气-高效电机推广加速 卧龙受益先发优势 下一篇:没有了
猜你喜欢
热门排行
精彩图文