使用TI的C2000支持包和基于模型的设计创建桌面式电动机测功机系统

由于电动机消耗了全球近50%的电力，越来越多的公司和大学正在研究和开发像变频驱动器(vfd)这样的节能解决方案。

变频器通过改变电机输入频率、电压和电流来调节电机速度和转矩。它通常由嵌入式控制器、将直流电压转换为三相交流电压的逆变器和三相电机组成。电机通常是永磁同步电机(PMSM)或感应电机(IM)。为了研究和控制规律的发展，VFD系统必须在测功机上进行测试。全功率测功机是一个昂贵的解决方案。因此，使用低成本的测功机系统是可取的，该系统能够在低直流母线电压下使用有限的电流供应，减少安全性和系统损坏问题。

本文描述了一个使用MATLAB的基于模型的设计工作流^®和仿真软件^®研制一台台式或实验室测功仪。我们首先概述了用于创建这个闭环系统的硬件和软件配置、控制IM的物理方程以及底层控制原理。然后，我们描述了工作流程中的主要步骤:开发和模拟模型，将控制律转换为嵌入式目标代码，在速度或扭矩模式下测试电机控制器软件，并在测功机测试系统上部署代码。

设计要求和系统组件

我们的测功机系统的基本目标是提供一个安全和低成本的测试环境。需求包括:

• 为逆变器提供低电压(42v或更低)直流电源的能力，从而降低直流母线的能量潜力，以及冲击危险
• IM和直流电机的安全机械外壳和固定装置，保护操作人员免受耦合故障、意外扭矩命令或其他系统故障的影响
• 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直流电源为两个逆变器供电。这种设置允许能量再循环，使我们能够使用更小的电源。当IM作为电机运行时，直流电机作为发电机;实际上，直流电源只需要承担系统损耗。两个逆变器和TI F28335控制器是Spectrum Digital DMC1500。DMC1500交流输入直接连接直流电源，使逆变器直流母线电压由Sorensen电源限流。基于can的控制使用Vector CANcaseXL实现。封闭的电机由Motorsolver Dyno套件和扭矩传感器提供。

感应电机物理方程

对于这个应用程序，我们将使用面向字段的控制(FOC)。在FOC中，可以调节绕组电流，使转矩与转矩常数乘以绕组电流成正比。

\ [T_ {em} = k_T识别\ cdot i_a \]

为了调节IM的FOC，我们需要将三相电流转换为两相等效电流，并将两相等效电流转换为直流模型。我们首先将三相电流ABC转换为正交轴。这是使用带同步绕线速度\(\omega_{syn}\)的Clarke和Park变换完成的。绕线速度是电转子转速\(\omega_m\)和滑移频率\(\omega_{滑移}\)的和。下标\(s\)和\(r\)分别表示定子和转子。

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}) \]

请注意，电转子频率\(\omega_m\)是在电域测量的，这意味着它是机械转子频率和机器极对的乘积。此外，在矢量形式下，感应电机的控制方程涉及定子和转子电压\(\nu\)、磁链\(\lambda\)、电流\(i\)和电磁转矩\(T_{em}\)，遵循下面的方程。最后，注意每阶段机器参数\(p\)对应于机器极点的数量。\(L_m\)对应的是充磁电感，\(L_s\)对应的是定子的漏电和充磁电感，\(L_r\)对应的是转子的漏电和充磁电感，\(R_s\)是转子电阻，\(R_r\)是定子电阻。

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

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

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

\ [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转子绕组短路时，\(\nu_{rd}\)和\(\nu_{rq}\)均为零。对于FOC控制，我们将使d轴与机器通量对齐，使\(\lambda_{rq}\)和\(d/dt(\lambda_{rq})\)都等于\(0\)。知道了这一点，我们就可以计算出机器的滑移\(\omega_{slip}\)并简化电磁扭矩方程。

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

\ [\ tau_r = \压裂{L_r} {R_r} \]

最后，在稳态运行(\(i_{rd} = 0\)和额定磁链下，推导出直流电机的转矩方程。

\ [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}\]

感应电机的控制

从IM方程中，我们知道，如果我们独立控制产生磁通的电流\(i_{sd}\)和产生转矩的电流\(i_{sq}\)，我们将产生电磁转矩(图2)。我们可以在选择理想的磁通和转矩电流分量时进行权衡。例如，在轻负荷下，可能需要降低产生磁通的电流以减少系统损耗，或控制两个电流以获得每机器安培的峰值转矩。

我们将以额定磁通运行机器，直到磁场减弱。在进入弱磁场的额定速度后，我们将电流\(i_{sd}\)作为转子速度的函数反向减小。

为了控制机器，我们需要使用机械速度和Clarke和Park变换将定子反馈电流转换为同步直流等效电流。定子电流的调节需要使用感应电机模型来估计机器磁通。利用比例积分(PI)控制，将两个电流转换为定子DQ电压\(\nu_{sd}\)和\(\nu_{sq}\)。然后，我们使用\(\nu_{sd}\)和\(\nu_{sq}\)来计算使用空间矢量调制技术输入三相逆变器的占空比命令。

闭环IM和DC测功机系统的构建与实现

为了实现测功机系统，我们做了以下工作:

1. 利用有限元分析(FEA)提取IM参数
2. 仿真一个由IM控制器和工厂组成的闭环系统模型
3. 生成将IM和直流电机控制器部署到TI F28335的代码
4. 使用Vector CANalyzer控制、校准和监控系统

确定电机参数

通常，创建测功机设置的第一步是最困难的。这一步需要计算或测量以下电机内部参数:磁化感\(L_m\)，定子联合漏磁和磁化感\(L_s\)，转子联合漏磁和磁化感\(L_r\)，转子电阻\(R_s\)，定子电阻\(R_r\)，额定机械速度，额定电压，额定滑移速度。

有两种常用的方法来确定电机参数:计算从有限元分析模型，并采取物理测量与负载和空载试验。我们将使用有限元方法，使我们能够获得转子和定子的额定电压，电流和磁通，分解到直轴和正交轴。一旦我们知道了磁通和电流之间的关系，我们就可以从方程中计算定子的额定d轴电流。

当电机参数建立后，我们将其转换为Simulink数据对象。然后，我们可以指定数值、有效范围、数据类型和其他重要属性，并在不操作模型文件的情况下优化模型增益。

创建系统模型

下一步涉及使用“控制感应电机”一节中描述的拓扑创建闭环IM控制器和工厂系统。这一步如图3所示。请注意，核心控制律是一个可重用的Simulink库组件，简化了从闭环系统模型到嵌入式控制器目标模型的转换。我们建议将核心控制器模型从它的输入和输出中抽象出来，这样当我们从系统模型转换到控制器模型时，内部控制定律保持不变。我们使用Simulink信号记录和MATLAB脚本分析系统性能，因为模拟到开关频率会产生一个大的数据集。

IM和DC控制器模型与硬件的接口

一旦IM和DC控制器系统级仿真模型完成，我们将模型合并到用于生产代码生成的框架中。这涉及到用物理F28335目标块替换输入和输出处理层。我们将IM和DC控制器连接到外部电流测量(ADC块)、直流电压测量(ADC块)、速度测量(eQEP块)和PWM输出(ePWM块)。

IM和DC控制器都以10khz的速率执行，与PWM周期和ADC转换结束同步(图4和5)。ePWM输出必须使用同步输出选择对齐(图6)。这两个模型现在都可以使用嵌入式编码器进行生产代码生成^®．

描述了最终设计和控制系统

我们使用Vector CANalyzer进行IM和直流电机的测功机系统控制数据采集(图7)。

直流电机控制由两种工作模式组成:速度模式和占空比控制。占空比控制使我们能够以可控的方式测试和集成直流电机的脉宽调制。以下直流电动机系统集成，直流电动机将运行在速度模式，允许IM运行在扭矩模式。直流电机和逆变器的监控由相电流\(i_a\)和\(i_b\)、转子转速\(omega_{mech}\)和直流母线电压\(v_{bus}\)组成。

像直流电机一样，IM电机控制使用两种操作模式:转矩和电压/频率(V/F)模式。V/F模式允许积分器测试逆变器和IM电机以恒定速度运行。一旦集成完成，电机将主要以转矩模式运行。IM电机和逆变器的监控由相电流\(i_a\)和\(i_b\)、转子转速\(omega_{mech}\)和直流母线电压\(v_{bus}\)组成。它还包括估计转矩\(tq_{est}\)和同步相d和q轴电流\(i_{sd_fb}\)和\(i_{sq_fb}\)。

图8显示了最终部署的系统。

总结和下一步

本文描述了开发低成本桌面测功机系统的工作流程，使工程师可以在安全的环境中开发电机控制算法。基于模型的设计允许根据IM工厂模型开发控制器。这些控制器模型部署到TI F28335 dsp接口到Spectrum Digital DMC1500逆变器。直流和IM电机都由Motorsolver提供。最后，利用Vector CANcaseXL进行控制和校准。

这项工作的范围可以通过引入额外的电机技术，如由Motorsolver支持的PMSM或开关磁阻来扩展。

该系统中使用的方法可以通过结合CAN仪器校准协议进行改进，从而消除了物理路由信号和参数的需要。此外，PWM开关算法的详细开发，如死时补偿，将为电机相电流提供更低的正弦波失真。