永磁同步电机的弱磁场控制(MTPA)

开放的例子

本例实现了场向控制(FOC)技术来控制三相永磁同步电机(PMSM)的转矩和速度。FOC算法需要转子位置反馈，由正交编码器传感器获得。有关FOC的详细信息，请参见磁场定向控制(FOC)．

场强减弱控制

当使用FOC算法运行具有额定磁通的电机时，最大转速受定子电压、额定电流和反电动势的限制。这个速度被称为基本速度。超过这个速度，机器的操作是复杂的，因为反电动势大于电源电压。但是，如果您设置d-轴定子电流(Id)为负值时，转子磁链降低，使电机运行在基速以上。这种操作称为电机的弱磁场控制。

根据连接负载和机器的额定电流，参考d设在电流( ${I_d}$ )在弱场控制中也限制了参考问设在电流( ${I_q}$ )，因此，限制了扭矩输出。因此，电机工作在恒转矩区域，直到基本转速。如上图所示，它在恒定功率区域内以高于基本转速的有限转矩工作。

参考电流的计算 ${I_d}$ 取决于电机和逆变器的参数。

注意:

对于某些表面永磁同步电机(取决于参数)，在额定电流下可能无法实现更高的速度。为了达到更高的速度，你需要用高于额定电流的最大电流使电机过载(如果机器的热条件在允许的范围内)。
当您运行电机高于基础转速时，我们建议您监控电机的温度。在电机运行过程中，如果电机温度升高超过制造商建议的温度，出于安全考虑，关闭电机。
当你运行电机的基本速度以上，我们建议你增加小步骤的速度参考，以避免削弱的动态场，可以使一些系统不稳定。

每安培最大扭矩(MTPA)

对于内部永磁同步电机，转子磁路的显著性较高 ${{{L_q}}在{{L_d}}} \$ 比(大于1)。这会在转子中产生磁阻转矩(除了现有的电磁转矩)。有关更多信息，请参见该项目的控制参考．

因此，您可以在最佳的组合下操作机器 ${I_d}$ 而且 ${I_q}$ ，在相同的定子电流下，可获得更高的转矩， ${I_{\max}} = \sqrt {I_d^2 + I_q^2}$ ．

这增加了机器的效率，因为定子电流损失是最小的。用于生成引用的算法 ${I_d}$ 而且 ${I_q}$ 在机器中产生最大转矩的电流称为每安培最大转矩(MTPA)。

对于内部PMSM (IPMSM)，此示例计算引用 ${I_d}$ 而且 ${I_q}$ 电流使用MTPA方法，直到基本速度。对于表面PMSM (SPMSM)，该示例通过使用零实现MTPA操作d-轴参考电流，直到基本速度。

为了使电机的运行速度高于基本速度，本示例计算参考速度 ${I_d}$ 而且 ${I_q}$ 用于MTPA和弱磁场控制，取决于电机类型。对于表面永磁同步电机，采用恒压恒功率(CVCP)控制方法。对于内置式永磁同步电机，采用电压电流限制最大转矩(VCLMT)控制方法。

有关MTPA控制参考块的相关信息，请参见该项目的控制参考．

目标的沟通

对于硬件实现，本示例使用一个主机和一个目标模型。运行在主机计算机上的主机模型与部署到与电机相连的硬件上的目标模型通信。主机模型通过串行通信命令目标模型，并以闭环控制方式运行电机。

弱场控制和MTPA都要求产生的参考电流遵循以下限制:

当前有限的圈子

电压限制椭圆

电机的温度

要确定遵循这些极限的操作点，请查看函数生成的图获得电机特点．

在弱磁场区域，一些永磁同步电机可能需要一个高于电机额定电流的定子电流。详细信息请参见函数生成的图获得电机特点．

模型

本例使用了多种硬件配置模型:

速度控制具有弱场和MTPA的PMSM:

mcb_pmsm_fwc_qep_f28069LaunchPad

mcb_pmsm_fwc_qep_f28379d

速度控制具有弱场和MTPA的内部PMSM (IPMSM)

mcb_ipmsm_fwc_qep_f28379d

注意:该模型使用在模型初始化脚本中定义的ADLEE-BM-180E IPMSM参数。ADLEE-BM-180E IPMSM的显著性约为10% ( ${L_q}$ 大约高出10% ${L_d}$ )．由于显着性低，该电机的要求较高 ${I_d}$ 进入弱磁场区域的电流，运行速度高于额定速度。然而，电机的额定电流只有9A。因此，当你在弱磁场区域运行电机时，低显著性使电机拉高 ${I_d}$ 电流很快(并很快达到额定电流限制)，而获得的速度只有有限的增长高于基本速度。通过使用具有更高显著性的IPMSM，您可以使用该模型实现高于基本速度的更高速度。

转矩控制带MTPA的永磁同步电机:

mcb_pmsm_mtpa_qep_f28069LaunchPad

mcb_pmsm_mtpa_qep_f28379d

您可以将这些模型用于模拟和代码生成。您也可以使用open_system命令打开Simulink®模型。例如，在基于F28069M的控制器上使用此命令:

open_system (“mcb_pmsm_fwc_qep_f28069LaunchPad.slx”）;

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模拟模型:

1.模型:mcb_pmsm_fwc_qep_f28069LaunchPad而且mcb_pmsm_mtpa_qep_f28069LaunchPad

电机控制Blockset™
定点设计师™

2.模型:mcb_pmsm_fwc_qep_f28379d而且mcb_pmsm_mtpa_qep_f28379d

电机控制Blockset™

要生成代码并部署模型:

1.模型:mcb_pmsm_fwc_qep_f28069LaunchPad而且mcb_pmsm_mtpa_qep_f28069LaunchPad

电机控制Blockset™
嵌入式编码器®
德州仪器C2000处理器的嵌入式编码器支持包
定点设计师™

2.模型:mcb_pmsm_fwc_qep_f28379d而且mcb_pmsm_mtpa_qep_f28379d

电机控制Blockset™
嵌入式编码器®
德州仪器C2000处理器的嵌入式编码器支持包
定点设计器™(仅用于优化代码生成)

先决条件

1.获取电机参数。我们使用Simulink®模型提供默认的电机参数，您可以用电机数据表或其他来源的值替换这些参数。

但是，如果您有电机控制硬件，您可以通过使用电机控制块集参数估计工具来估计您想要使用的电机的参数。说明,请参阅使用推荐硬件估算PMSM参数．

参数估计工具更新motorParam变量(在MATLAB®工作空间)与估计的电机参数。

2.如果您从数据表或其他来源获得电机参数，请在与Simulink®模型相关的模型初始化脚本中更新电机、逆变器和位置传感器校准参数。说明,请参阅估计控制增益并使用效用函数．

如果使用参数估计工具，可以更新逆变器和位置传感器校准参数，但不能更新模型初始化脚本中的电机参数。脚本自动提取电机参数从更新motorParam工作空间变量。

模拟(速度控制和转矩控制)模型

这个例子支持模拟。按照以下步骤来模拟模型。

1.打开此示例中包含的模型。

2.点击运行在模拟TAB来模拟模型。

3.点击数据检查在模拟选项卡，查看和分析仿真结果。

分析速度控制模型的仿真结果

该模型使用单位系统来表示速度、电流、电压、转矩和功率。在工作空间输入PU System，查看这些数量的单位值转换为SI单位。

观察速度和电流控制器的系统动态。此外，注意负Id电流的电机运行高于基本速度。

注意:

对于某些表面永磁同步电机(取决于参数)，在额定电流下可能无法实现更高的速度。为了达到更高的速度，你需要用高于额定电流的最大电流使电机过载(如果机器的热条件在允许的范围内)。
当电机运行在基础转速以上时，我们建议您监控电机温度。在电机运行过程中，如果电机温度升高超过制造商建议的温度，出于安全考虑，关闭电机。
当你运行电机的基本速度以上，我们建议你增加小步骤的速度参考，以避免削弱的动态场，可以使一些系统不稳定。
本例首先对电机进行开环控制。当它检测到正交编码器传感器的指数脉冲后，电机开始使用闭环控制运行。启动算法执行此转换大约需要0.5秒。忽略在初始阶段在速度和位置反馈信号中观察到的任何瞬态。

分析转矩控制模型的仿真结果

用以下三种方法生成的Id和Iq参考电流运行仿真:

1.通过使用MTPA控制参考块生成参考电流。

2.通过使用矢量控制参考块手动生成MTPA参考电流。

3.生成没有MTPA的控制参考。

第一种方法是在假定线性电感后，通过数学计算确定参考电流Id和Iq。

使用第二种方法手动生成具有非线性电感的电机的MTPA查找表。您可以通过扫过+(π/2)到-(π/2)之间的扭矩角而生成的Id和Iq参考来说明这一点。

使用最后一种方法获得参考电流，不使用MTPA算法。

您可以在数据检查器中比较这三种方法产生的扭矩和功率。

在前面的例子中，你可以注意到使用MTPA产生的电转矩是0.34PU，而不使用MTPA产生的电转矩是0.27PU。您还可以注意到，随着扭矩角度的变化，最大产生的扭矩与MTPA产生的扭矩相匹配。消极的d-轴电流表明MTPA利用磁阻转矩用于内部永磁同步电机。

注意:如果您正在使用表面PMSM，将电机参数的类型从内部PMSM更改为表面PMSM，在MTPA控制参考块位于“转矩控制\MTPA_Reference\MTPA控制参考”的位置。

生成代码并将模型部署到目标硬件

本节指导您生成代码并在目标硬件上运行FOC算法。

本例使用一个主机和一个目标模型。主机模型是控制器硬件板的用户界面。您可以在主机计算机上运行主机模型。使用主机模型的前提是将目标模型部署到控制器硬件板上。主机模型使用串行通信命令目标Simulink®模型，并在闭环控制中运行电机。

所需的硬件

本示例支持这些硬件配置。您也可以使用目标模型名称打开对应硬件配置的模型，从MATLAB®命令提示符。

LAUNCHXL-F28069M控制器+ BOOSTXL-DRV8305变频器:mcb_pmsm_fwc_qep_f28069LaunchPad而且mcb_pmsm_mtpa_qep_f28069LaunchPad

LAUNCHXL-F28379D控制器+ BOOSTXL-DRV8305变频器:mcb_pmsm_fwc_qep_f28379d而且mcb_pmsm_mtpa_qep_f28379d

上述硬件配置的相关连接请参见LAUNCHXL-F28069M和LAUNCHXL-F28379D配置．

运行模型实现速度和转矩控制与磁场减弱和MTPA

1.利用上一节对模型进行仿真，并分析仿真结果。

2.完成硬件连接。

3.转矩控制模型需要一个带QEP传感器的内部PMSM，由一个带速度控制的外部测功机驱动(使用速度控制模型)。

4.该模型自动计算ADC(或当前)偏移值。如果要禁用该功能(默认启用)，请将值0更新为可变逆变器。模型初始化脚本中的ADCOffsetCalibEnable。

或者，您可以计算ADC偏移值并在模型初始化脚本中手动更新它。说明,请参阅运行三相交流电机在开环控制和校准ADC偏移．

5.计算正交编码器索引偏移值，并在与目标模型相关的模型初始化脚本中更新它。说明,请参阅永磁同步电机的正交编码器偏置校准．

6.打开您想要使用的硬件配置的目标模型。如果要更改目标模型的默认硬件配置设置，请参见模型配置参数．

7.将一个示例程序加载到LAUNCHXL-F28379D的CPU2中，例如，使用GPIO31 (c28379D_cpu2_blink.slx)操作CPU2蓝色LED的程序，以确保CPU2没有错误地配置为使用用于CPU1的单板外设。

8.点击构建、部署和启动在硬件选项卡将目标模型部署到硬件。

9.单击主机模式目标模型中的超链接以打开关联的主机模型。还可以使用open_system命令打开主机模型。例如，使用此命令实现速度控制:

open_system (“mcb_pmsm_fwc_host_model.slx”）;

主机与目标型号之间的串口通信请参见Host-Target沟通．

10.在主机模型中，打开主机串行设置块、主机串行接收块和主机串行发送块，并选择一个港口．

11.在Speed控制模型中，更新Reference Speed (RPM)块值。在Torque控制模型中，使用Imag Reference块更新当前请求。

12.点击运行在模拟选项卡运行主机模型。

13.将启动/停止电机开关的位置改为On，启动和停止运行电机。

14.输入不同的参考速度(或电流)，在主机模型的时间范围内观察来自RX子系统的调试信号。

请注意

如果位置偏移不正确，则会导致电机电流过大。要避免这种情况，请确保正确计算并在工作区变量:pmsm.PositionOffset中更新位置偏移量。
当电机运行在基础转速以上时，我们建议您监控电机温度。在电机运行过程中，如果电机温度升高超过制造商建议的温度，出于安全考虑，关闭电机。
当你运行电机的基本速度以上，我们建议你增加小步骤的速度参考，以避免削弱的动态场，可以使一些系统不稳定。

参考文献

B. Bose，现代电力电子和交流驱动器。普伦蒂斯霍尔,2001年。isbn - 0 - 13 - 016743 - 6。

[2]洛伦兹、罗伯特·D、托马斯·利波和唐纳德·w·诺沃特尼。“用感应电机进行运动控制。”IEEE学报，第82卷，第8期，1994年8月，第1215-1240页。

[3]森本茂雄Sanada Masayuka武田洋次高速运转的内部永磁同步电机与高性能的电流调节器。IEEE工业应用汇刊，第30卷，第4期，1994年7 / 8月，第920-926页。

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[5]布里兹，费尔南多，迈克尔·w·德格纳，罗伯特·d·洛伦兹。“用复向量分析和设计当前的调节器。”IEEE工业应用汇刊，第36卷，第3期，2000年5 / 6月，第817-825页。

[6]布里兹、费尔南多等。[感应电动机]弱磁场运行中的电流和磁通调节。IEEE工业应用汇刊，第37卷，第1期，2001年1 / 2月，第42-50页。

TI应用笔记，“用于IPMSM电机驱动的带磁通弱化和MTPA的无传感器foc”。