基于Simulink+DSP代碼生成的永磁電機(jī)控制 課件全套 汪遠(yuǎn)林 第1-7章 DSP各模塊介紹-永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)

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代碼生成的永磁電機(jī)控制汪遠(yuǎn)林吳旋趙冬冬華志廣編著1734562DSP各模塊介紹Simulink代碼生成模塊配置無刷直流電機(jī)控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的磁場定向控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的模型預(yù)測控制技術(shù)永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)01DSP各模塊介紹TMS320F2833532位元浮點(diǎn)數(shù)字控制器150MHz高速處理能力哈佛結(jié)構(gòu)高速處理能力適用于實(shí)時處理系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力?？梢允箶?shù)據(jù)和指令儲存操作同時進(jìn)行，提高了運(yùn)行效率擁有多種外設(shè)，功能豐富，在電機(jī)控制，并網(wǎng)逆變器，航空航天，通信等領(lǐng)域被廣泛使用1.1時鐘與中斷模塊圖

1?1

時鐘與鎖相環(huán)電路原理圖時鐘控制信號是F28335各個部分運(yùn)行的“基準(zhǔn)”，時鐘頻率直接影響了控制器的運(yùn)行速度和控制器的穩(wěn)定性。F28335時鐘信號原理如圖1?1所示。通過外部振蕩器或者外接晶振、外部引腳XCLKIN產(chǎn)生時鐘源，之后通過鎖相環(huán)電路將時鐘倍頻至150MHz，即F28335工作的主頻時鐘。1.1時鐘與中斷模塊供給低速外設(shè)模塊如SPI、MCBSP這些串口通信協(xié)議，圖1?2系統(tǒng)與外設(shè)時鐘鎖相環(huán)電路可以根據(jù)需要的時鐘頻率將時鐘源配置成所需要的時鐘信號。鎖相環(huán)電路低速時鐘信號高速時鐘信號供給高速外設(shè)模塊如A\D模塊、DMA模塊、ePWM模塊、eCAP模塊、eQEP模塊圖1?3GPIO原理框圖F28335共有88個GPIO口每個GPIO口都有多個功能，但是同一時刻，每個GPIO口都只能使用一個功能A組GPIO0~GPIO31B組GPIO32~GPIO63C組GPIO64~GPIO871.2GPIO介紹F28335是一款數(shù)字處理器，只能對數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算處理，無法對模擬信號進(jìn)行處理。F28335想要對電壓、電流、速度等模擬信號進(jìn)行處理的話只能通過ADC將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

1.3AD/DA采集與轉(zhuǎn)換圖1?4模塊結(jié)構(gòu)框圖F28335片上有1個12位的16通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是由2個8選1多路切換器和2路采樣保持器構(gòu)成的。1.3AD/DA采集與轉(zhuǎn)換

使用ADC模塊時，需要注意的是ADC的輸入電壓范圍為0~3V輸入電壓超過3V就會燒壞ADC模塊采集超出3V的信號可以在前級經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)行處理之后再輸入。轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字量為：ADC模塊有兩種工作模式注意順序采樣模式CONVxx的全部4位元都用來決定當(dāng)前的采樣通道，最高位決定了輸入輸出通道的采樣保持器，其余3位用來確定偏移量。同步采樣模式CONVxx寄存器的最高位不起作用，每個采樣和保持緩沖器對CONVxx寄存器低3位確定的引腳進(jìn)行采樣。

1.4ePWM調(diào)制及子模塊介紹用戶可以通過配置ePWM模塊中的各種寄存器來產(chǎn)生任意頻率、占空比、死區(qū)時間的PWM信號。圖1?5PWM組成單元每個ePWM模塊由兩路ePWM輸出組成，分別為ePWMxA和ePWMxB。F28335中每個ePWM模塊都有獨(dú)立的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。每一組ePWM都包括以下7個模塊：時間基準(zhǔn)模塊TB比較功能模塊CC動作限定模塊AQ死區(qū)產(chǎn)生模塊DB斬波控制模塊PC事件觸發(fā)模塊ET故障捕獲模塊TZ1.5eQEP編碼介紹圖1?6eQEP整體結(jié)構(gòu)圖通過ePWM模塊產(chǎn)生PWM信號來控制電機(jī)，通過eQEP模塊可以獲得電機(jī)的速度信息、轉(zhuǎn)子位置信息和方向信息，能對電機(jī)進(jìn)行更高要求的控制。位置計(jì)數(shù)器及控制單元(PCCU)正交譯碼單元(QDU)定時器基準(zhǔn)單元(UTIME)邊沿捕獲單元(QCAP)看門狗電路(QWDOG)F28335兩路eQEP模塊1.5eQEP編碼介紹正交譯碼單元可以設(shè)置位置計(jì)數(shù)器的輸入模式、輸入極性和位置比較同步輸出。位置計(jì)數(shù)器及控制單元用來配置位置計(jì)數(shù)器操作模式、位置計(jì)數(shù)器初始化/鎖存模式和產(chǎn)生同步信號的位置比較邏輯。邊沿捕獲單元主要功能是用于測量單位位置事件之間的時間信息。定時器基準(zhǔn)單元，該單元中包含1個32位的定時器，由SYSCLOUKOUT提供時鐘信號，用來為速度計(jì)算產(chǎn)生中斷?？撮T狗電路中包含1個16位的定時器，用來監(jiān)控正交編碼脈沖的狀態(tài)。位置計(jì)數(shù)器的4種輸入模式1.5eQEP編碼介紹在正交計(jì)數(shù)模式下，正交譯碼器為位置計(jì)數(shù)器提供方向信號和時鐘信號。在方向計(jì)數(shù)模式下，QEPB輸入將提供方向信息。當(dāng)方向輸入為高電平時，位置計(jì)數(shù)器在QEPA的上升沿增計(jì)數(shù)。在增計(jì)數(shù)模式下，計(jì)數(shù)器方向?yàn)樵鲇?jì)數(shù)，此時位置計(jì)數(shù)器課用來測量QEPA輸入信號的頻率。在減計(jì)數(shù)模式下，計(jì)數(shù)器方向?yàn)闇p計(jì)數(shù)，此時位置計(jì)數(shù)器課用來測量QEPA輸入信號的頻率。位置計(jì)數(shù)器的4種輸入模式1.6eCAP捕獲功能介紹F28335中設(shè)置了eCAP模塊來處理脈沖量，通過捕獲脈沖量的上升沿與下降沿來計(jì)算脈沖的寬度和占空比。所以捕獲單元可以用于電機(jī)轉(zhuǎn)速測量、位置傳感器脈沖時間測量、脈沖周期和占空比測量的場合。圖1?7eCAP工作模式捕獲外部脈沖模式可以捕獲外部輸入信號獲得其各種信息脈沖發(fā)生器模式可以用該模塊輸出PWM信號F28335共有6組eCAP模塊，每個eCAP模塊都可以工作在捕獲外部脈沖模式和脈沖發(fā)生器模式(APWM)兩種工作模式下。傳輸方式硬件開銷小傳輸成本低傳輸速度慢適合遠(yuǎn)距離傳輸將信息逐位按順序在數(shù)據(jù)在線傳輸串行通訊特點(diǎn)傳輸方式傳輸速度快傳輸線路多硬件開銷大不適合遠(yuǎn)距離傳輸將信息同時在多位數(shù)據(jù)在線傳輸并行通訊特點(diǎn)1.7通信接口通訊包含兩大類：串行通訊和并行通訊串行通訊的方式全雙工兩根資料線，發(fā)送和接收可以同時進(jìn)行半雙工一根數(shù)據(jù)線，可發(fā)送和接收，但不能同時進(jìn)行單工一根數(shù)據(jù)線，發(fā)送和接受是固定的串行通訊分為兩大類：同步通訊和異步通訊同步通訊常常使用同一時鐘而異步通訊使用各自的時鐘1.7通信接口F28335共有3個SCI接口，為了減小串口通信時CPU的使用，F(xiàn)28335串口支持16級深度的FIFO圖1?8SCI與CPU界面圖同時SCI接收器和發(fā)送器具有獨(dú)立的中斷位和使能位，可以獨(dú)立工作在半雙工模式或者全雙工模式下。SCI—串行通訊接口F28335CAN模塊CAN協(xié)議內(nèi)核消息控制器內(nèi)存管理單元+郵箱RAM+控制和狀態(tài)寄存器1.7通信接口全稱為“ControllerAreaNetwork”是一種多主方式的串行通訊總線，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線是一種分布式的控制總線，它的網(wǎng)絡(luò)由很多CAN節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個節(jié)點(diǎn)均由MCU、CAN控制器和CAN收發(fā)器構(gòu)成，使用雙絞線連接到CAN網(wǎng)絡(luò)中。圖1?9CAN結(jié)構(gòu)圖CAN--控制器局域網(wǎng)1734562DSP各模塊介紹Simulink代碼生成模塊配置無刷直流電機(jī)控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的磁場定向控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的模型預(yù)測控制技術(shù)永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)02Simulink代碼生成模塊配置本章首先介紹了Matlab/Simulink代碼生成所需要的開發(fā)環(huán)境，其次對代碼生成中所需要用到的各種模塊進(jìn)行詳細(xì)描述以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)開展，包括時鐘配置、中斷配置、GPIO配置、AD/DA配置、eQEP配置、eCAP配置和通訊模塊配置。2.1代碼生成開發(fā)環(huán)境本節(jié)主要介紹利用Simulink代碼生成的開發(fā)環(huán)境配置，包括軟件下載和硬件支持包。需要的下載文件有：Matlab2018bCodeComposerStudio10.1.0ControlSUITE3.4.9C2000Ware_1_00_05硬件支持包

EmbeddedCoderSupportPackageforTexasInstrumentsC2000Processors點(diǎn)擊主頁→附加功能→管理附加功能，點(diǎn)擊安裝；選擇TI全部文件包；檢查TIcontrolSUITE、TICodeComposerStudio和TIC2000Ware三個文件是否存在;選擇三個安裝包的配置路徑，該路徑必須選擇正確;最終安裝和配置成功界面如右下圖所示。具體方法步驟見附錄Ⅰ硬件支持包安裝及Matlab與CCS相關(guān)聯(lián)方法驟2.1代碼生成開發(fā)環(huán)境Matlab/Simulink中還需要進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，因?yàn)楸緯械乃玫膶?shí)驗(yàn)芯片是TMS320F28335，所以所有設(shè)置都是基于該芯片完成的。讀者可根據(jù)不同系列芯片自行調(diào)整，但整體配置邏輯相同。具體方法步驟見附錄Ⅱ在模型設(shè)置中的硬件實(shí)現(xiàn)部分，附錄Ⅱ中所示圖片可供參考。根據(jù)所選用芯片和硬件電路不同，可做出適當(dāng)調(diào)整。2.2時鐘配置基于TMS320F28335的系統(tǒng)主頻是150MHz，在配置時鐘時，可以選擇系統(tǒng)自動設(shè)置各模塊時鐘頻率，也可以自行定義。具體步驟：在Simulink—Configuration-HardwareImplementation—Hardwareboard中選擇TIDelfinoF2833x，Hardwareboardsettings—Targethardwareresources—Group—Clocking中進(jìn)行時鐘配置。DesiredCPUClockinMHZ：DSP28335的主頻為150MHZ；Oscillatorclock（OSCCLK）frequencyinMHZ：振蕩器提供30MHZ時鐘信號；AUTOsetPLLbasedonOSCCLKandCPUclock：系統(tǒng)默認(rèn)勾選此框，勾選此框，下面的都默認(rèn)設(shè)置，即設(shè)置CPU時鐘為150MHZ，高速時鐘75MHZ，低速時鐘37.5MHZ；不勾選此框則可以進(jìn)行用戶自己配置。圖

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系統(tǒng)時鐘配置2.3中斷配置基于定時器中斷的執(zhí)行調(diào)度模型不能滿足某些實(shí)時應(yīng)用程序?qū)ν獠渴录憫?yīng)的要求。C28x硬件中斷塊通過允許異步處理由C280x/C2833xDSP芯片支持庫中其他塊管理的事件觸發(fā)的中斷來解決這個問題。當(dāng)C28x硬件中斷塊有一個外部中斷選擇時，該選擇啟用所選GPIO引腳上的中斷。如需配置這些引腳，如圖2?2所示。一個中斷由CPU中斷號、PIE中斷號、任務(wù)優(yōu)先級和搶占標(biāo)志來描述。CPU和PIE中斷號一起唯一地指定了單個外設(shè)或外設(shè)模塊的單個中斷。該模塊的輸出是一個函數(shù)調(diào)用。函數(shù)調(diào)用線的大小等于該模塊設(shè)置要處理的中斷數(shù)量。每個中斷由塊對話框中顯示的四個參數(shù)表示。圖

2?2

中斷配置2.4GPIO配置為指定的引腳配置GPIO輸入和限定類型設(shè)置，如圖2?3所示。GPIOGroup：選擇需要查看或配置的GPIO引腳組。Sampletime：指定輸出樣本之間的時間間隔。如果要從上游塊繼承采樣時間，該參數(shù)設(shè)置為-1。Datatype：指定輸入的數(shù)據(jù)類型。輸入被讀取為16位整數(shù)，然后強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為所選的數(shù)據(jù)類型。有效的數(shù)據(jù)類型是auto,double,single,int8,uint8,int16,uint16,int32,uint32或boolean。圖

2?3GPIO輸入配置2.4.1GPIO配置2.4GPIO配置在普通模式下，塊輸入處的True值將把GPIO引腳拉高。False值將使引腳接地。在Toggle模式下，模塊輸入的True值將轉(zhuǎn)換GPIO引腳的實(shí)際輸出電平。False值對GPIO引腳的輸出電平?jīng)]有影響。圖

2?4GPIO輸出配置2.4.2GPIO輸出配置GPIOGroup：選擇需要查看或配置的GPIO引腳組。ToggleGPIO：對于每個選擇輸出的引腳，您可以選擇切換該引腳的信號。

在Toggle模式下，模塊輸入處的True值切換GPIO引腳輸出級別。因此，如果GPIO引腳在Toggle模式下被驅(qū)動到高電平，輸入端的值為True，則引腳輸出電平被驅(qū)動到低電平。如果GPIO引腳在Toggle模式下被驅(qū)動到低電平，并且在塊的輸入端值為True，則同樣的引腳輸出電平被驅(qū)動到高電平。2.5AD/DA配置ADCControl（1）Module：指定使用哪個DSP模塊:（2）Conversionmode：用于信號的采樣類型:（3）Startofconversion：觸發(fā)轉(zhuǎn)換開始的信號（4）Sampletime：為選定ADC通道轉(zhuǎn)換的連續(xù)采樣組之間的時間。（5）Datatype：輸出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型。有效的數(shù)據(jù)類型為auto、double、single、int8、uint8、int16、uint16、int32或uint32。（6）Postinterruptattheendofconversion：勾選此框可在轉(zhuǎn)換集的末尾觸發(fā)一個異步中斷。圖

2?5ADC配置2.5.1ADCControl2.5AD/DA配置圖2?6InputChannels界面（1）Numberofconversions：用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC通道數(shù)量。（2）Conversionno.1/2/3：與每個轉(zhuǎn)換號關(guān)聯(lián)的特定ADC通道。在過采樣模式下，給定ADC信道上的信號可以在單個轉(zhuǎn)換序列中被采樣多次。若要過采樣，請為多個轉(zhuǎn)換指定同一通道。轉(zhuǎn)換后的樣本輸出為單個向量。（3）Usemultipleoutputports：如果使用多個ADC通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以為每個輸出使用單獨(dú)的端口，并在塊上顯示輸出端口。如果使用多個通道且不使用多個輸出端口，則數(shù)據(jù)將在單個向量中輸出。InputChannels2.5.2InputChannels2.6ePWM模塊配置PWM(脈寬調(diào)制)是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列的脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形。F28335的每個ePWM模塊相互獨(dú)立，并由ePWMxA和ePWMxB組成?？梢耘渲脼閮陕藩?dú)立的單邊沿PWM輸出，或者兩路獨(dú)立的但相互對稱的雙邊沿PWM輸出以及一對雙邊沿非對稱的PWM輸出，共有6對這樣的ePWM模塊，因?yàn)槊繉WM模塊中的兩個PWM輸出均可以單獨(dú)使用，所以也可以認(rèn)為有12路單路ePWM。圖2?7

ePWM2.6.1General2.6ePWM模塊配置EnableePWMA：使能ePWMA。CMPAunits：確定CMPA單位，時鐘周期——“Clockcycle”或是百分比——“Percentages”。SpecifyCMPAvia：指定脈寬來源。根據(jù)對話框填寫——“Specifyviadialog”或者輸入端口——“Inputport”。圖

2?9ePWM配置2.6.2ePWM2.6ePWM模塊配置死區(qū)Deadbandunit接口可以為死區(qū)生成器(DB)子模塊指定參數(shù)UsedeadbandforePWM1A：使能ePWM1A死區(qū)。UsedeadbandforePWM1B：使能ePWM1B死區(qū)。Deadbandpolarity：死區(qū)極性。圖2?10

死區(qū)Deadbandunit2.6.3Deadbandunit2.6ePWM模塊配置AH：高電平有效AL：低電平有效AHC：高電平有效互補(bǔ)ALC：低電平有效互補(bǔ)Signalsourceforrisingedge(RED)：上升信號源，選擇參考信號上升沿。Signalsourceforfallingedge(FED)：下降信號源，選擇參考信號下降沿。Deadbandperiodsource：死區(qū)時間確定方式，可以選擇通過對話框填寫——“Specifyviadialog”或者輸入端口——“Inputport”確定。Risingedge(RED)deadbandperiod(0~1023)：確定上升沿死區(qū)時間。Fallingedge(FED)deadbandperiod(0~1023)：確定下降沿死區(qū)時間。圖2-11死區(qū)類型2.6.3Deadbandunit死區(qū)類型2.7eQEP模塊配置（1）Module（默認(rèn)eQEP1）：eQEP外圍模塊，用于獲取位置、方向和速度信息。有eQEP1、eQEP2和eQEP3三個模塊。（2）Positioncountermode：eQEP外圍輸入有QEPA、QEPB、QEPI和QEPS。（3）Positiverotation：設(shè)置旋轉(zhuǎn)方向。（4）Quadraturedirectionflagoutputport（默認(rèn)off）：在模塊上創(chuàng)建一個輸出端口(qdf)，該端口提供正交模塊的方向標(biāo)志。（5）InvertinputQEPxApolarity（默認(rèn)off）、InvertinputQEPxBpolarity（默認(rèn)off）、InvertinputQEPxIpolarity（默認(rèn)off）（6）Indexpulsegatingoption（默認(rèn)off）：啟用外圍輸入索引信號與外圍輸入提示事件信號的門控。（7）Sampletime：要異步執(zhí)行此塊，將此參數(shù)設(shè)置為-1。圖2?12eQEP-General界面2.7.1General2.8eCAP模塊配置Operatingmode：功能選擇——eCAP（默認(rèn)）或APWM。eCAPxpin：選擇使用的eCAP腳。Counterphaseoffsetvalue：在APWM模式下使用。Syncoutputselection：使一個eCAP計(jì)數(shù)器與其他eCAP計(jì)數(shù)器同步。圖2?13eCAP模塊General2.8.1General2.8eCAP模塊配置Eventprescaler：輸入信號的預(yù)分頻是該參數(shù)值的兩倍。Selectmodecontrol：將其設(shè)置為Continue模式。Stopvalueafter：捕獲該參數(shù)事件數(shù)后停止。Enableresetcounteraftercaptureevent1time-stamp：eCAP進(jìn)程在收到一個捕獲事件的時間戳后重置該計(jì)數(shù)器。Selectcaptureevent1polarity：捕獲上升沿或下降沿。圖2?14eCAP2.8.2eCAP2.9通信接口配置SCI模塊屬于異步串口通訊，可配置為全雙工，也可配置為半雙SCI發(fā)送模塊使用指定的SCI硬件模塊傳輸標(biāo)量或矢量數(shù)據(jù)。一個模型只能包含一個SCI發(fā)送模塊。C28x處理器有四個SCI模塊-A、B、C和D?？捎玫腟CI模塊數(shù)量因所選處理器而異。1）SCImodule：選擇用于通信的SCI模塊。2）Additionalpackageheader：位于發(fā)送的數(shù)據(jù)包的開頭的數(shù)據(jù)，不包含在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中，表示數(shù)據(jù)的開始。頭文件必須用ASCII字符表示。3）Additionalpackageterminator：位于發(fā)送的數(shù)據(jù)包的結(jié)尾的數(shù)據(jù)，不包含在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中，表示數(shù)據(jù)的結(jié)束。頭文件必須用ASCII字符表示。4）Waituntilpreviousdatatransmitted：選擇此參數(shù)時，傳輸操作將在阻塞模式下運(yùn)行。SCITransmit圖2?15SCITransmit2.9.1SCI配置2.9通信接口配置——SCI配置SCI接收模塊支持處理器和其他異步外圍設(shè)備之間的異步串行數(shù)字通信。該塊使用指定的SCI硬件模塊接收標(biāo)量或矢量數(shù)據(jù)。1）SCImodule：選擇用于通信的SCI模塊。2）Additionalpackageheader：位于發(fā)送的數(shù)據(jù)包的開頭的數(shù)據(jù)，不包含在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中，表示數(shù)據(jù)的開始。3）Numberofretriesforheaderreceivecheck：此參數(shù)確保將預(yù)期的標(biāo)頭作為接收數(shù)據(jù)的一部分進(jìn)行檢查。當(dāng)在FIFO中接收到數(shù)據(jù)時，模塊逐個驗(yàn)證接收到的數(shù)據(jù)中的標(biāo)頭。4）Additionalpackageterminator：位于發(fā)送的數(shù)據(jù)包的結(jié)尾的數(shù)據(jù)，不包含在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中，表示數(shù)據(jù)的結(jié)束5）Datalengthoption：選擇模塊的數(shù)據(jù)長度。SCIReceive圖2?16SCIReceive2.9.1SCI配置2.9通信接口配置圖2?17eCAN傳輸模塊eCAN傳輸模塊生成通過eCAN郵箱傳輸增強(qiáng)控制器局域網(wǎng)絡(luò)(eCAN)消息的源代碼。處理器上的eCAN模塊提供串行通信能力，并有32個可配置的郵箱用于接收或發(fā)送。Module：選擇使用的eCAN模塊，F(xiàn)28335有eCANA和eCANB。Mailboxnumber（0-31）：對于標(biāo)準(zhǔn)模式，從0到15，對于增強(qiáng)CAN模式，從0到31。該數(shù)字指的是RAM中的郵箱區(qū)域。Messageidentifier：消息標(biāo)識符對于標(biāo)準(zhǔn)幀大小為11位，對于擴(kuò)展幀大小(十進(jìn)制、二進(jìn)制或十六進(jìn)制)為29位。對于二進(jìn)制和十六進(jìn)制格式，分別使用bin2dec('')和hex2dec('')來轉(zhuǎn)換條目。Messagetype：消息標(biāo)識符的類型，為11位和29位元的消息標(biāo)識符。eCANTransmitCAN總線是一種分布式的控制總線，它的網(wǎng)絡(luò)由很多CAN節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。2.9.2CAN配置2.9通信接口配置——CAN配置圖2?18eCAN

接收模塊eCANReceive模塊生成通過eCAN郵箱接收增強(qiáng)的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(eCAN)消息的源代碼。處理器上的eCAN模塊提供串行通信能力，并有32個可配置的郵箱用于接收或發(fā)送。Module：選擇使用的eCAN模塊，F(xiàn)28335有eCANA和eCANB。Mailboxnumber（0-31）：對于標(biāo)準(zhǔn)模式，從0到15，對于增強(qiáng)CAN模式，從0到31。Messageidentifier：消息標(biāo)識符對于標(biāo)準(zhǔn)幀大小為11位，對于擴(kuò)展幀大小(十進(jìn)制、二進(jìn)制或十六進(jìn)制)為29位。Sampletime：新消息將導(dǎo)致從郵箱發(fā)送函數(shù)調(diào)用。如果希望僅在新消息到達(dá)時更新消息輸出，則需要異步執(zhí)行該塊。eCANReceive2.9.2CAN配置1734562DSP各模塊介紹Simulink代碼生成模塊配置無刷直流電機(jī)控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的磁場定向控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的模型預(yù)測控制技術(shù)永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)03無刷直流電機(jī)控制技術(shù)無刷直流電機(jī)擁有廣泛的發(fā)展前景，在航天航空系統(tǒng)、國防軍事裝備、科學(xué)儀器、工業(yè)自動化裝備、交通運(yùn)輸、醫(yī)療器械、計(jì)算機(jī)信息外圍設(shè)備、辦公自動化設(shè)備、家電民用消費(fèi)產(chǎn)品中有著越來越廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機(jī)無刷直流電機(jī)具有一系列優(yōu)點(diǎn)，以電子換向取代了機(jī)械換向，大大提高了可靠性，維護(hù)方便，特性優(yōu)異，調(diào)速方便，可四象限運(yùn)行控制性能好運(yùn)行效率高低速性能好調(diào)速范圍寬起動轉(zhuǎn)矩大調(diào)速性能穩(wěn)無刷直流電機(jī)的定子由堆疊的硅鋼片組成，并且其上帶有軸向切槽轉(zhuǎn)子主要由永磁體組成，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置不同BLDCM可分為內(nèi)置式和表貼式兩種3.1無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖3-2轉(zhuǎn)子位置不同的BLDCM圖3-1無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)無刷直流電機(jī)

由三個部分組成定子用永磁材料制造轉(zhuǎn)子帶有線圈繞組位置傳感器可有可無無刷直流永磁電動機(jī)的典型運(yùn)行方式是“二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)”.電動機(jī)運(yùn)行時，每相電樞繞組持續(xù)通電120°電角度．相鄰兩個磁狀態(tài)之間的空間夾角為60°電角度3.2無刷直流電機(jī)的工作原理圖3-3無刷直流電動機(jī)組成框圖無刷直流永磁電動機(jī)控制系統(tǒng)由電動機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器、直流電源和控制器四部分所構(gòu)成3.2無刷直流電機(jī)的工作原理圖3-4無刷直流電動機(jī)原理圖通過霍爾傳感器傳給控制器轉(zhuǎn)子的位置，從而給六個管子分配相應(yīng)的PWM信號控制這些開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，其控制方式采用二二導(dǎo)通方式。圖3-5正轉(zhuǎn)時繞組和各開關(guān)管導(dǎo)通順序假設(shè)電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動時，如（a）此時電機(jī)轉(zhuǎn)子處于1扇區(qū)，此時AC相導(dǎo)通，開關(guān)管V1和V2導(dǎo)通，定子磁場和轉(zhuǎn)子相對位置如（a）所示；當(dāng)轉(zhuǎn)子處于第二扇區(qū)時，相對位置如（b）所示。3.2無刷直流電機(jī)的工作原理圖3-7轉(zhuǎn)子位置與換向關(guān)系圖二二導(dǎo)通的理論的直觀闡述圖3-6三相定子繞組空間扇區(qū)圖每個扇區(qū)中，霍爾傳感器輸出的編碼不會改變，電機(jī)轉(zhuǎn)子離開扇區(qū)后，傳感器發(fā)送與電機(jī)轉(zhuǎn)子所在新扇區(qū)的新編碼。無刷直流電機(jī)的性能與氣隙磁場分布、繞組形式相關(guān)。本節(jié)以方波電動機(jī)為例，氣隙磁場波形為方波，如圖3-8所示。其寬度大于120°電角度，繞組為集中整距式繞組，感應(yīng)的電勢為梯形波，其平頂寬度大于120°電角度，采用方波電流驅(qū)動，提供三相對稱寬度為120°電角度的方波電流。圖3-9為反電勢與方波電流。3.3無刷直流電機(jī)的氣隙磁場和電樞反應(yīng)圖3-8方波氣隙磁場圖3-9反電勢與方波電流假設(shè)電動機(jī)工作在AB相繞組導(dǎo)通的磁狀態(tài)范圍，在空間的合成磁動勢如圖所示。電樞磁動勢在剛開始時為最大去磁，然后逐漸減小，在1/2磁狀態(tài)時不去磁不增磁，后半個磁狀態(tài)逐漸增磁并達(dá)到最大值。3.3無刷直流電機(jī)的氣隙磁場和電樞反應(yīng)圖3-10無刷直流電機(jī)的電樞反應(yīng)交軸電樞磁動勢對主磁場的作用是使氣隙磁場波形畸變。對于表貼式永磁體，永磁體本身的磁阻很大，引起氣隙磁場畸變較小。對于內(nèi)嵌式永磁體，轉(zhuǎn)子磁極磁阻小，導(dǎo)致氣隙磁場較大畸變，產(chǎn)生去磁作用?；魻杺鞲衅骶哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、安裝靈活、方便等優(yōu)點(diǎn)，因此一般需要采用霍爾傳感器對轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行檢測，從而為控制器提供換向時間的信息。3.4霍爾傳感器的工作原理圖3-11霍爾傳感器工作原理當(dāng)霍爾處于不同極性時的磁場就會產(chǎn)生兩個極性相反數(shù)值相同的，霍爾在不同極性的磁場時會輸出不同的數(shù)字量。在BLDCM控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子的安裝采用N、S兩種形式交替布置，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，霍爾傳感器在交替變化的磁場中會產(chǎn)生不同的數(shù)值。BLDCM系統(tǒng)霍爾傳感器的工作原理，如圖3-11所示。

(3.1)如圖3-12所示即為理想反電動勢即對應(yīng)三相繞組電流和霍爾信號示意圖。三相繞組的反電動勢和電流對應(yīng)，同時反電勢和霍爾信號對應(yīng)圖也可以直觀看出。 3.4霍爾傳感器的工作原理圖3-12理想反電勢、相電流和霍爾傳感器信號.表3-1霍爾信號電平狀態(tài)以及對應(yīng)導(dǎo)通情況開關(guān)區(qū)間0-6060-120120-180180-240240-300300-360開關(guān)順序123456HA111000HB001110HC100011A相OFF++OFF--B相--OFF++OFFC相+OFF--OFF+注：表3-1中三相電流A、B和C方向?yàn)椋篛FF表示沒有電流流過，“+”則代表輸入電流，“-”則代表輸出電流。無刷直流電機(jī)分析電路時，只用分析三相定子繞組的電路原理，如圖接法為星型時的電路等效圖3.5無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型圖3-13定子等效電路模型

依據(jù)等效電路模型可以得出無刷直流電機(jī)三相定子電壓平衡方程為

(3.2)(3.3)(3.4)電磁轉(zhuǎn)矩是電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場各極磁通與轉(zhuǎn)子電流相互作用而在轉(zhuǎn)子上形成的旋轉(zhuǎn)力矩，其大小等于通過氣隙傳到轉(zhuǎn)子上的功率比轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。3.6無刷直流電機(jī)在Simulink中仿真建模

電磁功率

可以表示為

因此

電磁轉(zhuǎn)矩

又可表示為

控制系統(tǒng)的

運(yùn)動方程

為

電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為電磁功率電磁轉(zhuǎn)矩運(yùn)動方程電磁轉(zhuǎn)矩(3.6)(3.5)(3.7)(3.8)仿真模型中所用電機(jī)參數(shù)如表3-2所示。仿真條件設(shè)置為：仿真步長1e-5s，解算方法為固定步長，ode4算法，仿真時長0.5s，初始時刻轉(zhuǎn)速給定100rpm，3.6無刷直流電機(jī)在Simulink中仿真建模符號參數(shù)單位數(shù)值額定電壓48額定電流10額定轉(zhuǎn)矩1電阻0.10.1永磁體磁鏈0.0175轉(zhuǎn)動慣量0.0005極對數(shù)-4表3-2電機(jī)參數(shù)圖3-14BLDC仿真模型電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線和霍爾傳感器信號如圖所示，3.6無刷直流電機(jī)在Simulink中仿真建模仿真結(jié)果(a)轉(zhuǎn)速變化曲線(b)轉(zhuǎn)矩變化曲線(c)霍爾傳感器信號在無刷直流電機(jī)控制中，霍爾換相是其關(guān)鍵部分，此處采用三個GPIO引腳分別獲取霍爾三路信號HALL_U，HALL_V和HALL_W，依據(jù)3.6節(jié)中的換相順序得到6路開關(guān)信號，可直接輸入給功率器件，如圖3-16所示。3.7無刷直流電機(jī)在Simulink中代碼生成圖3-16無刷直流電機(jī)霍爾換相程序無刷直流電機(jī)程序3.7.1無刷直流電機(jī)程序此處ADC采樣主要獲取三相電流值，如圖317所示。其中AD采集芯片采集到的信號值需要經(jīng)過“雙重矯正”——零飄消除和系數(shù)矯正來獲取正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值。3.7無刷直流電機(jī)在Simulink中代碼生成圖3-17ADC采集模塊3.7.2ADC采樣3.7無刷直流電機(jī)在Simulink中代碼生成圖3-18AD采集模塊配置MemoryCopy模塊設(shè)置如圖

（ADSampleResult0

為例）圖3-19ADSampleResult0設(shè)置根據(jù)AD采集模塊需要對該模塊進(jìn)行初始化配置，如圖3-18所示。DAC獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同ADC采樣模塊封裝相同，通過SPI總線將DSP28335中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量，分別由ModelHeader、ModelSource、SystemInitialize和SystemOutputs四個單元組成，如圖3-20所示。需要說明的是，在硬件設(shè)備上，我們并未使用DSP自帶DAC輸出，而是使用了外部芯片AD5734作為DAC輸出信號器。3.7無刷直流電機(jī)在Simulink中代碼生成圖3-20DAC數(shù)據(jù)采集3.7.3DAC獲取數(shù)據(jù)如果想要查看轉(zhuǎn)矩波形，可以根據(jù)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式進(jìn)行如下圖3-21所示設(shè)置，由于實(shí)際轉(zhuǎn)矩值比較小，可以將輸出波形放大。3.7無刷直流電機(jī)在Simulink中代碼生成圖3-21電磁轉(zhuǎn)矩的DA輸出名稱解釋備注Ad5734_Write采用Ad5734芯片進(jìn)行寫操作-0x0000數(shù)據(jù)地址-speedloop_MTPA_Y“文件名”_“輸出”如果不使用Outport模塊，而采用DataStoreWrite模塊，此處的“_Y”需要更改為“_WORK”。ua實(shí)驗(yàn)變量名稱-1--表3-3DAC輸出數(shù)據(jù)代碼描述需要說明的是此處共有四個數(shù)據(jù)輸出點(diǎn)：0x0000、0x1000、0x2000和0x3000，想要獲取相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只需要對SystemOutputs內(nèi)容加以修改即可。為了更好地保護(hù)電路及元器件安全，有必要設(shè)置直流電源使能保護(hù)功能和PWM使能保護(hù)功能，風(fēng)扇散熱保護(hù)功能可根據(jù)功率板實(shí)際電路自由選擇。具體在Simulink中搭建如圖3-22所示。3.7無刷直流電機(jī)在Simulink中代碼生成圖3-22其他模塊設(shè)置其他模塊3.7.4其他模塊實(shí)驗(yàn)使用永磁無刷直流電機(jī)，驗(yàn)證上述代碼生成方式可行。電機(jī)運(yùn)行在7000rpm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩10Nm，三相電流波形如圖3-23所示。3.7無刷直流電機(jī)在Simulink中代碼生成圖3-23電機(jī)A相電流波形實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.7.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果1734562DSP各模塊介紹Simulink代碼生成模塊配置無刷直流電機(jī)控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的磁場定向控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的模型預(yù)測控制技術(shù)永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)04永磁同步電機(jī)的

磁場定向控制技術(shù)磁場定向控制以類似直流電機(jī)的控制方式將轉(zhuǎn)矩和磁鏈解耦控制，其主要手段是利用坐標(biāo)變化理論將自然坐標(biāo)系下的電機(jī)方程變換成兩相旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系下的電機(jī)方程，再通過PI級聯(lián)控制器，逐級控制位置、轉(zhuǎn)速和電流等信號，擁有良好的控制性能。本章節(jié)主要對永磁同步電機(jī)的磁場定向控制技術(shù)進(jìn)行講解，并對其在Simulink中的代碼生成過程進(jìn)行介紹。4.1坐標(biāo)變換理論及仿真建模

根據(jù)PMSM在自然坐標(biāo)系下的電壓向量方程以及電磁轉(zhuǎn)矩方程可知，PMSM的數(shù)學(xué)模型是一個具有強(qiáng)耦合、高階且多變量的系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦控制，首先需要將電機(jī)的三相電壓方程從三相自然坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系，即Clark變換。Clark變換的變換矩陣如下：

4.1.1三相靜止到兩相靜止(4.1)因?yàn)檗D(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的，上一步變換是基于定子坐標(biāo)系，在分析電機(jī)動態(tài)方程時，需要站在轉(zhuǎn)子的角度去看，所以還需要一步將靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的步驟，即Park變換,如下：4.1坐標(biāo)變換理論及仿真建模

4.1.2兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)(4.2)(4.3)4.2SVPWM算法生成及仿真建模圖4-1電壓空間向量圖

以圖4-1中的扇區(qū)I為例。根據(jù)平衡等效原則可得：其中，T表示對應(yīng)下角標(biāo)U的作用時間。SVPWM技術(shù)繞組電流波形的諧波成分小，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動降低，旋轉(zhuǎn)磁場更逼近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高，且更易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。空間電壓向量脈寬調(diào)制（SVPWM）是由三相功率逆變器的六個功率開關(guān)組件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形。4.2.1SVPWM理論分析(4.4)

4.2SVPWM算法生成及仿真建模圖4-2電壓空間向量合成示意圖

如果復(fù)數(shù)向量M已知,則可以唯一解出xa,xb,xc，而在合成電壓空間向量時，需計(jì)算相關(guān)電壓的作用時間，由圖4?3可得：

4.2.1SVPWM理論分析(4.5)(4.6)(4.7)4.2SVPWM算法生成及仿真建模

4.2.1SVPWM理論分析(4.8)4.2SVPWM算法生成及仿真建模表4-1電壓向量對應(yīng)扇區(qū)令N=A+2B+4C，根據(jù)N的大小判斷參考電壓向量位于哪一個扇區(qū)，如表4?1所示：N123456扇區(qū)ⅡⅥⅠⅣⅢⅤ

4.2.1SVPWM理論分析(4.9)4.2SVPWM算法生成及仿真建模

根據(jù)圖4-2（書籍中出現(xiàn)錯誤）可以得出

同理，可以得到其他扇區(qū)各向量的作用時間。

則各扇區(qū)的作用時間如

表4?2所示（以第一扇區(qū)為例）4.2.1SVPWM理論分析(4.11)(4.10)(4.12)N1234564.2SVPWM算法生成及仿真建模表4-2各矢量在各扇區(qū)的作用時間N123456ZY-Z-XX-YY-XXZ-Y-Z同樣地，以第一扇區(qū)為例，定義如下

三相電壓開關(guān)切換時間點(diǎn)Tcm1、Tcm2和Tcm3與各扇區(qū)的關(guān)系如表4?3所示。表4-3各扇區(qū)開關(guān)切換時間點(diǎn)4.2.1SVPWM理論分析(4.13)在MATLAB/Simulink中自帶有SVPWM模塊，如圖4-3所示4.2SVPWM算法生成及仿真建模圖4-3SVPWM模塊功能圖首先是Datatypeofinputreferencevector(輸入?yún)⒖枷蛄康臄?shù)據(jù)類型)，該項(xiàng)功能中有三個選項(xiàng)。分別是alpha-betacomponents、Magnitude-Angle、Internallygenerated。在alpha-betacomponents模式下，輸入為靜止坐標(biāo)系下的α、β分量，而在Magnitude-Angle模式下，輸入為電壓的幅值與相角，Internallygenerated中不用外部變量輸入，只需要進(jìn)行調(diào)制系數(shù)、角度以及電壓頻率進(jìn)行設(shè)置即可。4.2.2SVPWM仿真模型4.2SVPWM算法生成及仿真建模圖4-4SVPWM仿真模型

(b)X、Y、Z計(jì)算(a)扇區(qū)判斷SVPWM各部分模型4.2.2SVPWM仿真模型圖4-5SVPWM各部分模型4.2SVPWM算法生成及仿真建模(c)電壓作用時間計(jì)算(e)開關(guān)切換時間(f)開關(guān)信號獲取

圖4-5SVPWM各部分模型（續(xù)）永磁同步電機(jī)的定子與普通電勵磁同步電機(jī)的定子一樣都是三相對稱繞組。因此，按照電機(jī)慣例規(guī)定各物理量的正方向，對永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型做以下假設(shè)：(1)忽略電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼繞組；(2)忽略電機(jī)運(yùn)行時磁路飽和，認(rèn)為磁路線性，電感參數(shù)不變；(3)忽略電機(jī)鐵心渦流與磁滯損耗；(4)假設(shè)電機(jī)三相定子電樞繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為正弦波；4.3PMSM的數(shù)學(xué)模型及仿真建模永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高,電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)。本身是一種強(qiáng)耦合、復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，4.3.1PMSM的數(shù)學(xué)模型4.3PMSM的數(shù)學(xué)模型及仿真建模首先對在自然坐標(biāo)系下，對永磁同步電機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，根據(jù)永磁同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可得在三相坐標(biāo)系中電壓向量方程如下：

PMSM的定子磁鏈表達(dá)式為：

4.3.1PMSM的數(shù)學(xué)模型(4.14)(4.15)4.3PMSM的數(shù)學(xué)模型及仿真建模

電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動方程為：

PMSM中常用的轉(zhuǎn)換關(guān)系有：

以上的式子則構(gòu)成了三相永磁同步電機(jī)在自然坐標(biāo)系下的基本數(shù)學(xué)模型和使用。在控制中常常會引入坐標(biāo)變換來解決復(fù)雜的表達(dá)式。4.3.1PMSM的數(shù)學(xué)模型(4.16)(4.17)(4.18)4.3PMSM的數(shù)學(xué)模型及仿真建模圖4-6PMSM輸入和輸出首先，需要明確電機(jī)的輸入和輸出，本節(jié)展示示例中，PMSM的輸入為負(fù)載扭矩TL和兩相靜止坐標(biāo)系下電壓uα和uβ、磁鏈ψa和ψβ；電機(jī)的輸出為三相電流iAiBiC、轉(zhuǎn)子電角度θe、電機(jī)轉(zhuǎn)速n和dq軸電流idiq，如圖4?6所示。電機(jī)內(nèi)部建模如圖4?7所示，分為六個部分：坐標(biāo)變換、dq軸模型、三相電流模型、轉(zhuǎn)矩模型、磁鏈模型和機(jī)械運(yùn)動模型。各部分對應(yīng)的具體模型如圖4?8所示。圖4-7PMSM內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.3.2PMSM的仿真建模4.3PMSM的數(shù)學(xué)模型及仿真建模(d)磁鏈模型(e)機(jī)械運(yùn)動模型(a)d軸模型(b)q軸模型(c)轉(zhuǎn)矩模型PMSM內(nèi)部各部分建模圖4-8PMSM內(nèi)部建模4.4PMSM磁場定向控制在Simulink中仿真建模圖4-9FOC控制框圖永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場定向控制通過分別控制定子電流的兩個分量，直軸電流id和交軸電流iq，達(dá)到控制電磁轉(zhuǎn)矩的目的，因?yàn)閐軸與轉(zhuǎn)子磁場ψf方向一致，因而叫做磁場定向控制(FieldOrientationControl,FOC)，同時也可以叫做矢量控制(VectorControl，VC)。FOC的核心思想是通過坐標(biāo)變換將三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PMSM轉(zhuǎn)矩和磁鏈兩變量的解耦控制，使交流電機(jī)等效為直流電機(jī)進(jìn)行控制，因而具有與直流電機(jī)類似的優(yōu)越性能。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4?9所示。4.4PMSM磁場定向控制在Simulink中仿真建模在Simulink中搭建仿真模型如圖4?10所示，其中，逆變器采用如圖4?11所示模型搭建。仿真中所用電機(jī)參數(shù)如表4?4所示。圖4-11逆變器模型圖4-10FOC仿真建模4.4PMSM磁場定向控制在Simulink中仿真建模表4-4電機(jī)參數(shù)符號參數(shù)單位數(shù)值額定電壓380額定電流19.7額定轉(zhuǎn)矩11.8額定轉(zhuǎn)速3000電阻0.361.5/1.5永磁體磁鏈0.117轉(zhuǎn)動慣量0.0012極對數(shù)-24.4PMSM磁場定向控制在Simulink中仿真建模

(a)轉(zhuǎn)速變化曲線(b)轉(zhuǎn)矩變化曲線(c)三相電流變化曲線圖4-12FOC仿真結(jié)果4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-13SVPWM代碼生成作為載波的三角波不能進(jìn)行代碼生成這一過程，在三相切換時間Tcm1、Tcm2和Tcm3之前的模塊不用改變，切換時間點(diǎn)之后需要根據(jù)PWM波設(shè)置進(jìn)行修改，如果開關(guān)管是低有效，則按照圖中需要加入反向操作——“1-占空比”，否則不用添加反向操作4.5.1SVPWM模塊4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-14ePWM模塊配置SVPWM波生成之后，輸入到三路ePWM中去即可給開關(guān)管輸入開關(guān)信號，如圖4?14所示。如果想要改變功率器件的開關(guān)頻率，那么只需要更改輸入到“WB”中的“3750”。例如：當(dāng)ePWM中設(shè)置General中TimerPeriod的值為7500，計(jì)數(shù)模式為增減計(jì)數(shù)時，寄存器周期為100μs，此時功率器件的開關(guān)頻率可以計(jì)算為

4.5.1SVPWM模塊為了更好的控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在進(jìn)行磁場定向控制之前，需要進(jìn)行 V/F啟動(恒壓頻比啟動)、轉(zhuǎn)子位置調(diào)零和開環(huán)運(yùn)行三個實(shí)驗(yàn)。4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成V/F啟動電機(jī)轉(zhuǎn)子位置調(diào)零開環(huán)運(yùn)行V/F控制是永磁同步電機(jī)最簡單的一種控制方法，易于實(shí)現(xiàn)、價格低廉，圖4-16所示為V/F啟動電機(jī)過程，需要輸入的參數(shù)如表4-5所示。Fset是輸入頻率，可以根據(jù)n=60f/p計(jì)算得出轉(zhuǎn)速大小，U_0是給定電機(jī)初始電壓，其值過小可能導(dǎo)致電機(jī)無法啟動。當(dāng)電機(jī)給定，可調(diào)節(jié)參數(shù)即為輸入頻率和給定初始電壓。其中V/F啟動曲線如圖4-17所示。4.5.2開環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-15V/F啟動電機(jī)過程表4-5V/F輸入?yún)?shù)符號參數(shù)備注Fset輸入頻率Ts周期-k階梯函數(shù)臺階高度每周期上升/下降大小UN電機(jī)給定電壓-U0給定初始電壓FN電機(jī)額定工作頻率圖4-16V/F曲線示意圖磁場定向控制需要明確轉(zhuǎn)子位置，因此實(shí)驗(yàn)開始前需要對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行準(zhǔn)確測試。測試結(jié)構(gòu)如圖4-17所示。給定某一個轉(zhuǎn)子位置角，變換成靜止坐標(biāo)系下電壓施加到電機(jī)上，使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到給定電機(jī)角度位置。4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-17轉(zhuǎn)子位置調(diào)零轉(zhuǎn)子位置調(diào)零此部分介紹編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器兩種轉(zhuǎn)子位置信號檢測模型。4.5.2開環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)在MATLAB/Simulink中使用編碼器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子角度測量需要借助C28x_eQEP模塊，根據(jù)使用的芯片系列，封裝在不同的芯片庫中。該模塊主要設(shè)置General和Positioncounter這兩個選項(xiàng)卡，根據(jù)2.7章節(jié)，該模塊可設(shè)置為圖4-18所示，4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-18C28x_eQEP一、編碼器4.5.2開環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)測量轉(zhuǎn)子位置信號可以借助Simulink自帶的位置計(jì)算模塊，如圖4-19所示，轉(zhuǎn)子機(jī)械位置信號捕獲如圖4-20(b)、(c)、(d)所示，其中圖4-20(c)中的CountsPerRevolution為4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-20eQEP_Decoder

圖4-20(b)中的PositionGain是為了將編碼器計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成實(shí)際弧度值，即

圖4-19轉(zhuǎn)子位置信號計(jì)算4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-21旋變獲取轉(zhuǎn)子電角度和轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號檢測方式在ADC采樣模塊，如圖4?21所示。此處選擇ADC采樣的第3和第9個輸出分別作為轉(zhuǎn)速測量通道和轉(zhuǎn)子電角度測量通道。二、旋轉(zhuǎn)變壓器4.5.2開環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-22電壓開環(huán)實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行電流閉環(huán)實(shí)驗(yàn)之前，可以對電機(jī)進(jìn)行電壓開環(huán)實(shí)驗(yàn)，向電機(jī)q軸注入啟動電壓，d軸電壓為零，如圖4?22所示，此時電機(jī)的q軸產(chǎn)生了一個幅值恒定的電壓矢量使電機(jī)能夠安全運(yùn)轉(zhuǎn)三、開環(huán)運(yùn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速會隨q軸給定電壓的大小而變化，因?yàn)槲茨苄纬赏暾拈]環(huán)回路所以稱為電壓開環(huán)運(yùn)行。4.5.2開環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)FOC閉環(huán)實(shí)驗(yàn)可以分為電流閉環(huán)實(shí)驗(yàn)和速度閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)調(diào)試程序而言，先從電流內(nèi)環(huán)開始實(shí)驗(yàn)，而后進(jìn)行轉(zhuǎn)速外環(huán)實(shí)驗(yàn)。圖4-23FOC電流閉環(huán)模型閉環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)電流環(huán)

4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成4.5.3閉環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)圖4-24濾波器模型圖4-25PI抗飽和積分模型圖4-23中，數(shù)字濾波器模塊濾除10階及以上的高次諧波，其內(nèi)部搭建如圖4-24所示。此外，圖4-23中使用了兩個PI參數(shù)調(diào)節(jié)器，該P(yáng)I模塊具有抗飽和積分的效果，其內(nèi)部采用Function函數(shù)搭建，具體參照圖4-25。需要說明的是，當(dāng)reset=1時，積分環(huán)節(jié)失效。

4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成4.5.3閉環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)在電流環(huán)的基礎(chǔ)上，加上轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器可進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，如圖4-26所示圖4-26轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速環(huán)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器內(nèi)部構(gòu)建與電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器相同。為了防止電機(jī)參考轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差過大，引起不必要的超調(diào)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了階梯函數(shù)，以保障電機(jī)安全。4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成4.5.3閉環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-27電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算圖4-28RateTransition4.5.3閉環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)測量轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的原理是：單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度對時間求導(dǎo)。圖4-27(a)中的輸入信號是轉(zhuǎn)子機(jī)械位置信號，將其進(jìn)行放大（例如65535倍），滯后d個周期得到該時間內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度，經(jīng)下式即可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度：如果使用編碼器進(jìn)行電機(jī)速度測量，可以按照圖4-27(b)所示，直接使用捕獲的A信號和B信號計(jì)數(shù)值進(jìn)行速度計(jì)算，其原理與圖4-27(a)相同。需要注意的是，RateTransition模塊輸出端口的采樣時間設(shè)置為0.1，如圖4-28所示。最后根據(jù)編碼器線數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算：

4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-29含中斷的閉環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)4.5.4含中斷的閉環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)圖4-30中斷配置添加中斷程序的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，如圖4-29所示，上述章節(jié)所有模型都被封裝在中斷程序里，速度采集也可以在中斷外執(zhí)行。在Matlab/Simulink中設(shè)置中斷服務(wù)，需要在庫文件中查找“C28xHardwareInterrupt”模塊，該模塊已在2.2節(jié)加以闡述，詳細(xì)配置如圖4-30（a）所示。需要注意的是添加中斷程序后，需要在封裝模塊內(nèi)部添加“Trigger”模塊，具體設(shè)置如圖4-30（b）所示。此外，當(dāng)中斷內(nèi)部使用“DataStoreWrite”模塊時，需要在中斷外部事先聲明該變量名稱，使用“DataStoreMemory”模塊，否則代碼生成時會報(bào)錯。實(shí)驗(yàn)采用4.5.4節(jié)所述添加中斷后的閉環(huán)運(yùn)行控制方式，在Simulink中搭建整體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4-31,整體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退?。其中包括：V/F啟動環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子位置調(diào)零、電壓開環(huán)控制、電壓閉環(huán)控制以及轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，同時還有PWM產(chǎn)生器，ADC采集信號，轉(zhuǎn)子位置采集和DAC輸出信號。4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-31整體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?.5.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成實(shí)驗(yàn)步驟4.5.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果電機(jī)成功運(yùn)行后的實(shí)驗(yàn)波形展示如下。電機(jī)運(yùn)行在2500rpm，運(yùn)行一段時間后突加5Nm的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波形如圖4-32所示，加載后的穩(wěn)態(tài)電流波形如圖4-33所示。4.5PMSM磁場定向控制在Simulink中代碼生成圖4-32轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速曲線圖4-33穩(wěn)態(tài)電流波形4.5.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果1734562DSP各模塊介紹Simulink代碼生成模塊配置無刷直流電機(jī)控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的磁場定向控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的模型預(yù)測控制技術(shù)永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)05永磁同步電機(jī)的

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

如電機(jī)在低速運(yùn)行時，控制性能差，轉(zhuǎn)矩脈動大，伴隨有較大的噪音產(chǎn)生，并且，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制直接對電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，因而電力電子器件并非按照規(guī)律進(jìn)行開通和關(guān)斷，開關(guān)頻率非恒定。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)目前，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)因具有良好的動態(tài)響應(yīng)能力被ABB公司應(yīng)用于

商業(yè)領(lǐng)域,近年來，隨著電動汽車的興起，直接轉(zhuǎn)矩控制算法在該領(lǐng)域被重視。電機(jī)在低速運(yùn)行時，控制性能差，轉(zhuǎn)矩脈動大，伴隨有較大的噪音產(chǎn)生，并且，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制直接對電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，因而電力電子器件并非按照規(guī)律進(jìn)行開通和關(guān)斷，開關(guān)頻率非恒定?？刂平Y(jié)構(gòu)簡單。DTC僅需要兩個滯環(huán)控制器和一個轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器；控制器的計(jì)算均在定子上的靜止坐標(biāo)系中進(jìn)行，提高了控制指令周期；滯環(huán)控制器直接控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，提升了轉(zhuǎn)矩控制的快速性和準(zhǔn)確性。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)5.1PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制原理 為方便起見，分析永磁同步電動機(jī)時，做如下假設(shè)：1）繞組電流為對稱的三相正弦波電流；2）定子磁場呈正弦分布，不考慮諧波與飽和的影響；3）忽略電動機(jī)的渦流和磁滯損耗。圖5-1永磁同步電機(jī)中各坐標(biāo)系之間的關(guān)系

5.1PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制原理

(5.1)(5.2)(5.3)(5.4)5.1PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制原理

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為

(5.5)(5.6)(5.7)(5.8)5.1PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制原理 圖5-2永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制框圖

5.1PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制原理角度扇區(qū)

5.1.1PMSM定子磁鏈的估算和滯環(huán)控制(5.9)表5-1定子磁鏈所在扇區(qū)5.1PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖5-3電壓空間向量對定子磁鏈的滯環(huán)控制圖5?3中總共給出了3個圓，圖中的虛線圓表示ψs給定值ψs*；兩個實(shí)線圓之間的折線表示定子磁鏈幅值的實(shí)際值，用ψs*表示，兩個實(shí)線圓的半徑之差2Δψs，即允許的誤差范圍，來達(dá)到高性能的控制要求。在運(yùn)行中，要求定子磁鏈Δψs能滿足如下關(guān)系

按照要求，選取恰當(dāng)?shù)幕倦妷合蛄?，控制定子磁鏈幅值在一定的容差范圍?nèi)波動。這樣，在容差范圍內(nèi)定子磁鏈幅值形成的軌跡就是磁鏈圓軌跡。5.1.1PMSM定子磁鏈的估算和滯環(huán)控制5.1PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制原理

5.1.2PMSM電磁轉(zhuǎn)矩的估算與滯環(huán)控制

5.1PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制原理

在永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，當(dāng)定子磁鏈向量處于不同的區(qū)域時，可以根據(jù)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的誤差狀態(tài)來選擇不同的電壓空間向量對逆變器進(jìn)行控制。5.1.3開關(guān)表的選擇

(5.10)(5.11)具體實(shí)現(xiàn)方法是：設(shè)定開關(guān)表輸入信號有定子磁鏈的偏差、電磁轉(zhuǎn)矩的偏差和定子磁鏈的區(qū)段號；設(shè)定開關(guān)表的輸出信號為基本電壓空間向量。當(dāng)開關(guān)表接收到輸入信號時，綜合三個輸入信號的值，選擇對應(yīng)的電壓空間向量，從而實(shí)現(xiàn)對逆變器的控制。表5-2給出了電壓空間矢量對應(yīng)的逆變器開關(guān)表。5.1PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制原理表5-2電壓空間矢量對應(yīng)的逆變器開關(guān)表11U2(110)U3(010)U4(011)U5(001)U6(101)U1(100)-1U6(101)U1(100)U2(110)U3(010)U4(011)U5(001)01U3(010)U4(011)U5(001)U6(101)U1(100)U2(110)-1U1(100)U2(110)U3(010)U4(011)U5(001)U6(101)5.1.3開關(guān)表的選擇5.2PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制在Simulink中仿真建模圖5-4DTC仿真模型直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型由滯環(huán)比較器和開關(guān)表、轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測器、永磁同步電機(jī)以及逆變器構(gòu)成，如圖5-4所示。其中滯環(huán)比較器和開關(guān)表、轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測器是DTC的關(guān)鍵部分(a)滯環(huán)比較器和開關(guān)表選擇(b)扇區(qū)選擇(d)轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測器(c)開關(guān)表信號5.2PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制在Simulink中仿真建模圖5-5DTC主要部分仿真模型5.2PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制在Simulink中仿真建模

(a)轉(zhuǎn)速變化曲線(b)轉(zhuǎn)矩變化曲線(c)三相電流變化曲線圖5-6DTC仿真結(jié)果5.3PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制在Simulink中代碼生成圖5-7直接轉(zhuǎn)矩控制永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制在Simunlink中代碼生成的整體結(jié)構(gòu)和磁場定向控制技術(shù)大體相同，不同之處在于兩者的控制原理即主程序不一樣，因此當(dāng)采用直接轉(zhuǎn)矩控制方法轉(zhuǎn)動電機(jī)時，只需要將控制原理部分替換即可，如圖5-7所示。5.3PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制在Simulink中代碼生成轉(zhuǎn)速閉環(huán)可以在圖5-7的基礎(chǔ)上添加轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器，具體參考4.5.3節(jié)對轉(zhuǎn)速閉環(huán)實(shí)驗(yàn)的介紹。因?yàn)橹苯愚D(zhuǎn)矩控制的開關(guān)頻率不恒定，因此該模型可以設(shè)置兩種模式，一種是含有PWM調(diào)制模塊，該模式下解決了開關(guān)頻率不恒定的問題。另一種直接分配開關(guān)信號給功率管，按照控制原理執(zhí)行即可，但是在硬件電路設(shè)計(jì)時需要考慮死區(qū)電路，否則可能會燒壞功率器件。下面將詳細(xì)說明兩種模式的配置方式。5.3PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制在Simulink中代碼生成

因?yàn)橹苯愚D(zhuǎn)矩控制輸出的是開關(guān)信號，要想該模型帶有PWM調(diào)制模塊，模型中需要加入“開關(guān)信號轉(zhuǎn)????軸電壓信號”這一環(huán)節(jié)，如圖5-8所示。同磁場定向控制相比較，該模型僅有控制主程序和信號轉(zhuǎn)換這兩個部分不同，模型中的其他部分完全一樣。5.3.1含PWM調(diào)制模塊將直接轉(zhuǎn)矩控制輸出的開關(guān)信號直接提供給功率器件，可以不需要PWM調(diào)制模塊，但是在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時，需要包含死區(qū)電路，防止功率管上下直通而毀壞。沒有PWM調(diào)制模塊的直接轉(zhuǎn)矩控制如下圖5-9所示。5.3PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制在Simulink中代碼生成圖5-9無PWM調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制5.3.2直接分配開關(guān)信號5.3PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制在Simulink中代碼生成本章Simulink實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯?.5.5節(jié)相似，其中主要不同之處在于核心控制算法即電流閉環(huán)不再采用FOC算法，而是DTC算法，其余模塊不變。實(shí)驗(yàn)步驟與4.5.5節(jié)完全相同。電機(jī)運(yùn)行在2500rpm，運(yùn)行一段時間后突加5Nm的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波形如圖5-10所示，加載后的穩(wěn)態(tài)電流波形如圖5-11所示。圖5-10轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速曲線圖5-11穩(wěn)態(tài)電流波形5.3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果1734562DSP各模塊介紹Simulink代碼生成模塊配置無刷直流電機(jī)控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的磁場定向控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的模型預(yù)測控制技術(shù)永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)06永磁同步電機(jī)的模型預(yù)測控制具有良好的控制性能，在處理非線性系統(tǒng)復(fù)雜約束優(yōu)化方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。近年來，電力電子器件的快速發(fā)展，使得該控制策略在電力電子和電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。永磁同步電機(jī)的

模型預(yù)測控制技術(shù)模型預(yù)測控制CCS-MPC在預(yù)測過程中，無需考慮被控對象的數(shù)學(xué)模型，但尋優(yōu)過程計(jì)算量過大、求解困難，因此不易于在實(shí)際PMSM驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用。通過PMSM的離散數(shù)學(xué)模型，利用逆變器的離散開關(guān)特性對下一時刻電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，該過程可減小預(yù)測過程中的計(jì)算量，同時以逆變器開關(guān)信號作為控制動作，無需調(diào)制技術(shù)的輔助。CCS-MPC連續(xù)控制集模型預(yù)測控制FCS-MPC有限控制集模型預(yù)測控制根據(jù)控制量的不同，F(xiàn)CS-MPC可分為模型預(yù)測電流控制(MPCC)和模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制(MPTC)而MPTC除了需要對轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行估測，還需要平衡轉(zhuǎn)矩和磁鏈之間的控制性能，在價值函數(shù)中設(shè)置合適的權(quán)重系數(shù)，使MPTC靈活性受到影響。MPCC不需要對轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行估算和預(yù)測，可以通過提高采樣頻率或者增加預(yù)測步長提高系統(tǒng)性能，并且按照控制周期內(nèi)所選擇的有效基本電壓向量個數(shù)。下文將具體說明MPCC和MPTC的原理及實(shí)現(xiàn)方法。6.1PMSM模型預(yù)測電流控制圖6-1PMSM模型預(yù)測電流控制框圖傳統(tǒng)矢量控制一般是對解耦后的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流采取PI控制，而MPCC延續(xù)了矢量控制中坐標(biāo)變換這一核心思想。在所有的MPC中，只有MPCC是基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向來實(shí)現(xiàn)的，因此MPCC也被稱為預(yù)測場定向控制。

6.1PMSM模型預(yù)測電流控制根據(jù)經(jīng)典PMSM數(shù)學(xué)模型，在dq坐標(biāo)系下PMSM的電壓方程為：

采用一階歐拉離散法將式(6.1)離散化，可得k+1時刻的電流預(yù)測值：

價值函數(shù)的選擇直接決定了開關(guān)狀態(tài)的選擇和控制算法的性能。MPCC通常采用價值函數(shù)如下：

(6.1)(6.2)(6.3)6.2PMSM模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制圖6-2PMSM模型預(yù)測控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制框圖MPTC是在MPCC之后發(fā)展起來的一種FCS-MPC，原理與直接轉(zhuǎn)矩控制原理相似。與直接轉(zhuǎn)矩控制相比，MPTC策略能夠?qū)﹄姍C(jī)的未來性能變化進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)一步提升電機(jī)系統(tǒng)的可靠性和容錯性。

6.2PMSM模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制PMSM電磁轉(zhuǎn)矩方程為:

磁鏈觀測方程為:

建立兩相靜止坐標(biāo)系(α-β)下PMSM的數(shù)學(xué)模型，PMSM定子電流

方程為:(6.4)(6.5)(6.6)6.2PMSM模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制根據(jù)一階歐拉公式，對(6.4)和(6.6)進(jìn)行離散化，得到定子電流和磁鏈的預(yù)測公式:

(6.7)(6.8)將定子電流和磁鏈的預(yù)測值代入到電磁轉(zhuǎn)矩方程，得到離散化的電磁轉(zhuǎn)矩為:MPTC需要同時對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，其代價函數(shù)為:

(6.9)(6.10)6.3PMSM模型預(yù)測控制在Simulink中仿真建模圖6-3MPC仿真模型模型預(yù)測控制仿真模型主要由預(yù)測控制算法、逆變器和永磁同步電機(jī)三部分構(gòu)成，如圖6?3所示。逆變器仿真模型參照上一章5.3.1節(jié)內(nèi)容，PMSM仿真模型參照本書4.3.2節(jié)內(nèi)容，此處不做過多闡述。仿真模型中所用電機(jī)參數(shù)參照本書4.4節(jié)表4-4內(nèi)容。6.3PMSM模型預(yù)測控制在Simulink中仿真建模(b)轉(zhuǎn)矩變化曲線圖