MatlabSimulink 同步磁阻电机驱动器的快速控制原型，第二部分实验仿真

在离线原型设计中，受控电子驱动器(电机、转换器和传感器)的模型被添加到我们的方案中，并在 Simulink 中对生成的模型进行仿真。值得指出的是： 1 st，e-drive 模型被放置在中断驱动控制 ISR 块之外，因此它将根据固定或可变步长求解器的设置计算为时间连续系统。模型; 第二，为了完全符合控制 ISR 的目标微依赖实现，也必须从信号开始模拟其驱动 I/O 信号的外围设备(ADC、QEP、PWM...)的特性属性。

实现电子驱动器仿真的 Simulink 模型部分如图 6 所示。还包括对目标微 I/O 外设的硬件特性进行建模的模块。功率转换器被建模为理想电压源逆变器，提供两种操作模式：“理想开关”或“理想平均”，具体取决于是否模拟 PWM 单元的操作。这种选择也与在实时仿真中使用相同模型的电动驱动器的可能性相关，并将在本节后面讨论。

在实时原型设计中，受控电子驱动器的模型嵌入实时控制代码中，并直接在微控制器硬件上进行计算。

可以使用的模型，但它必须放在控制 ISR 块内。这种约束涉及到 1 st，需要选择和实现非线性微分方程系统的求解器，至少对于电机模型计算而言;第二，为这个求解器设置一个合适的时间步长。

对于第一项，本文选择了 4阶固定步长 Runge-Kutta 算法，在计算时间和解的准确性之间做出了很好的折衷。关于时间步长，首要的选择是利用PWM周期本身，即在每个控制步长积分微分模型。后者，尽管求解器的自定义实现允许构思更准确的解决方案。有了这个选择，看图 6 中的方案，微控制器的 PWM 单元的模拟就没有必要了。逆变器以其理想的“周期平均”行为进行模拟。

值得指出的是，在 Simulink 中可以为模型子系统使用自定义求解器算法。因此： 1 st，嵌入求解器算法的相同电动机块可用于离线和实时仿真。因此，第二，离线和实时响应之间的直接比较可以评估积分时间步长的准确性。主机-用户界面的实时通信设施仍可实时使用模拟。

SynRel 电机建模和控制方案

要建立实时仿真方法，需要考虑受控电子驱动器的仿真模型，该模型适用于目标处理器中的计算。

这种模型的基本要求必须是低计算负担和高可靠性，同时保持足够的精度。在上概述的驱动组件中，必须重点关注电动机，其模型本质上是一组微分、非线性分析方程。此外，当给定电机类型的电磁非线性不可忽略时，不能使用通常众所周知的集总参数模型，如 SynRel 电机。

基于此推理，SynRel 电机已通过布置在转子固定dq参考中的等效两相模型进行仿真，输入电压的 Park 变换嵌套在 RK 求解器算法中以提高精度。此外，为了考虑 SynRel 的非线性和交叉耦合，使用了反向磁通与电流图，由电机的有限元模型计算，这意味着磁通作为微分模型中的状态变量。

这样的模型既可用于实时仿真，也可用于离线仿真。在第一种情况下，逆变器被建模为“PWM 周期的理想平均值”。

当然，在第二种情况下，求解器步长必须尽可能小，以符合目标微控制器上 PWM 计数器的分辨率。

然而，为原型设计提供了不同的操作设施和测试模式，例如用于编码器初始化、速度、扭矩或电流控制模式的转子校准和估计程序;d/q轴上的阶跃电流响应;通量观察者等。

该控制方案大部分在浮点运算中实现，利用 32 位 TI Delfino F28379S微控制器的特性。软件可靠性、易用性和实施灵活性是快速原型设计的基本要求。控制方案的每个功能块被安排为具有适当设置和启用标志的参数库模块。此后，开发人员必须注意链接模块，以使它们的输入/输出变量与控制方案和操作模式的结构相匹配。

原型平台

用于对所提出的 RCP 技术进行实验验证的原型平台。SynRel 电机是为工业应用而设计的原型，转子上有两个极对和四个磁通屏障。表 I 恢复了主要电机数据。

功率转换器是一款商用 IGBT 逆变器(2 个 CBI 模块)，带有散热器、光耦合驱动器、输出相电流和 DC-Link 电压传感器以及内部 NTC 模块温度。开发板包括集成到定制接口板中的 TI Delfino F28379S 微控制器：后者承载输入/输出控制和调试信号的调节电路。

主机PC通过标准的RS-232串口与开发板通信。此链接实现了在独立 Simulink 模型中运行的自定义主机控制台的实时功能。用户面板允许选择测试模式、发送设定点和参数，以及选择目标发送到主机 PC 的控制变量，以便使用 Simulink Scopes进行实时可视化。

本文介绍的所有实验都是在 10 kHz PWM 频率、0.5 us 逆变器死区时间和 300 V 直流母线电压 (V dc ) 下实现的。

实验验证

下面说明了一些使用建议的快速原型制作技术和相关实验测试的例子。

A. 初始化程序

此过程涉及 ADC 测量中的偏移补偿和转子对齐。这最后是通过施加与参考相位“ a ”的磁轴对齐的固定 FMM 来完成的，随后将该位置作为编码器测量的零位施加。

初始转子位置固定在 60 elec。度，对准电流为0.3 pu。在更改为 0.05 pu(即 MTPA 控制的最小电流)之前，该值保持足够长的时间以进行对齐。实验中的位置测量已预先初始化，以便更好地了解其瞬态。即使对机械参数进行了近似估计，模拟也允许正确设置程序，即其时间和对准电流的水平。

B. 电流控制响应

已经分析了各种级别的d电流阶跃响应，以研究 SynRel 电机的饱和特性的影响。已在锁定转子上进行了测试，q电流控制为零。还显示了d电压参考瞬变。PI 调节器的相同增益已用于模拟和实验中的不同阶跃响应。

正如文献中报道的那样，电流响应斜率的增加是饱和的明显影响。它将阶跃响应的性质从纯阻尼变为阻尼振荡。

通过在 Simulink 中选择 RK ode4 求解器进行离线仿真，其固定步长等于 1 us。

尽管逆变器的建模很理想，但与实验趋势有很好的对应关系。“理想平均值”和“理想转换”建模之间没有发现显着差异。在配备英特尔酷睿 i7-7 代处理器的 PC 上，模拟速率为 335(计算时间/模拟时间)。

对于实时仿真，RK 算法是通过 Simulink 中的 S-Function builder 构建的自定义程序。它在 TI Delfino F28379S(以 200 MHz 运行)上执行大约需要 20 us，而完全控制 ISR 需要 84 us。请注意，RK 算法仅计算第 V 节中描述的 SynRel 电机模型。

与离线模拟相比，在实时模拟中获得的当前阶跃响应显示出更多的振荡趋势，这种趋势随着当前水平的增加而增加。等于 PWM 周期 (100 us) 的积分步长似乎太大而无法模拟所检查电机的瞬态，此时由于饱和差动电感的减少，电流的动态增加超过了某个限制。最大电流下的振荡量可能会引发算法不稳定的情况。

显然，有必要将 PWM 周期增加到 120 us (8.33 kHz) 以允许计算整个控制 ISR，并相应地修改 PI 调节器的积分增益。

结论

本文介绍了在 Matlab/Simulink 中为电子驱动器的快速控制原型设计的离线和实时仿真的相同目标。这两种方法共享目标微控制器的相同控制算法，但它们运行在不同的平台(PC 或 micro)上。验证测试是在带有 SynRel 电机的驱动器上进行的，目前在文献中还没有发现。他们证实了离线仿真的有效性，在快速瞬变期间也提供非常接近实验结果的结果，前提是假设对工厂进行了准确的建模。实时仿真可以达到类似的精度，具有实时运行的巨大优势，但电机模型积分步长的选择对响应的准确性有显着影响。当发生快速电流瞬变时，等于 PWM 周期的固定步长可能会引入寄生振荡。相反，拆分这样的步长值仍然会显着影响最新一代微控制器的计算时间。然而，实时模拟对于小市场生产来说是一个有吸引力的选择，同时仍然考虑到这些限制。