MatlabSimulink 同步磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的快速控制原型，第一部分原理介紹

原型制作步驟在滿足電氣驅(qū)動(dòng)控制中對(duì)性能、安全性和靈活性日益嚴(yán)格的要求方面發(fā)揮了重要作用。特別是，由于許多部門提出的解決方案的創(chuàng)新性和復(fù)雜性不斷增加，因此必須進(jìn)行快速測(cè)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以縮短上市時(shí)間并確保適當(dāng)?shù)男阅芎托? 。

傳統(tǒng)上，離線仿真驗(yàn)證了初步的控制設(shè)計(jì)，用分析模型代替了電機(jī)、轉(zhuǎn)換器和傳感器，從而可以對(duì)電氣驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行快速的總體評(píng)估 。通常，這些模擬在 PC 上運(yùn)行，通常需要幾秒鐘到幾個(gè)小時(shí)，具體取決于模擬系統(tǒng)的準(zhǔn)確程度 。除了為離線仿真提供開發(fā)環(huán)境外，一些軟件工具還可以將控制模式轉(zhuǎn)換為自定義目標(biāo)代碼并將其上傳到硬件 。這種能力對(duì)于減少整個(gè)控制算法的實(shí)施時(shí)間和消除任何可能的手動(dòng)編碼錯(cuò)誤至關(guān)重要。這些特性，再加上處理器技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，

快速原型設(shè)計(jì)的許多方法目前處于控制軟件被測(cè) (SUT) 在最終目標(biāo)上運(yùn)行的階段，但它仍然沒有與實(shí)際工廠連接。這些分為兩大類：硬件在環(huán) (HIL)，其中電力系統(tǒng)，工廠，在 I/O 測(cè)試板硬件上進(jìn)行仿真，成本不可忽略，以及軟件在環(huán) (HIL)。 SIL)，其中通過軟件模擬工廠(例如，在 PC、微控制器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 ( FPGA )、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 等中)。

本文提出的快速原型設(shè)計(jì)考慮了在最終目標(biāo)中運(yùn)行的控制 SUT 以及模擬工廠，由 Matlab/Simulink 嵌入式編碼器支持包直接上傳到硬件上。

這種方法允許使用單個(gè)硬件測(cè)試板來實(shí)現(xiàn)低成本解決方案，并且可以使用相同的控制算法快速自動(dòng)地從 PC 上運(yùn)行的離線 Simulink 仿真過渡到最終目標(biāo)上運(yùn)行的實(shí)時(shí)仿真代碼。

該工作介紹了在 Matlab/Simulink 中進(jìn)行快速控制原型設(shè)計(jì)的離線和實(shí)時(shí)仿真方法，并通過實(shí)驗(yàn)比較了結(jié)果。

進(jìn)行的測(cè)試涉及實(shí)際驅(qū)動(dòng)原型設(shè)計(jì)中的特定目標(biāo)，例如傳感器初始化和補(bǔ)償、參數(shù)和功能的自調(diào)試以及調(diào)節(jié)器的調(diào)整。特別是，該研究涉及同步磁阻 (SynRel) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在這種情況下，電機(jī)非線性發(fā)揮相關(guān)作用，需要先進(jìn)的電機(jī)建模和自定義控制策略 。特別是，文獻(xiàn)沒有報(bào)告 SynRel 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中實(shí)時(shí)仿真的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

Matlab/Simulink 中的控制原型

控制原型設(shè)計(jì)的一個(gè)基本要求是模擬最終應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)控制代碼的可能性。這需要，第一，為目標(biāo)微控制器提供具有代碼生成能力的模擬環(huán)境，第二，可以使用該代碼進(jìn)行離線模擬。

面向德州儀器 (TI) C2000 系列等流行控制器的嵌入式編碼器支持包的可用性使 Matlab/Simulink 成為電子驅(qū)動(dòng)器快速原型設(shè)計(jì)的合適候選者。此類包允許對(duì)目標(biāo)微控制器的硬件外設(shè)進(jìn)行對(duì)話編程，將其 I/O 信號(hào)鏈接到控制程序，并最終在 Simulink 模型中為微控制器生成代碼。此外，它們?cè)试S控制代碼的中斷驅(qū)動(dòng)調(diào)度。

“硬件中斷”塊允許對(duì)基本上兩個(gè)中斷服務(wù)程序 (ISR) 進(jìn)行時(shí)間調(diào)度(具有適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級(jí))：實(shí)際的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序(“控制算法 ISR”)和用于從主機(jī)用戶接收數(shù)據(jù)的服務(wù)程序(“串行接收”)。另一個(gè)調(diào)度塊“空閑任務(wù)”提供運(yùn)行低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，例如發(fā)送給主機(jī)用戶的調(diào)試數(shù)據(jù)(“串行發(fā)送”)。調(diào)度塊響應(yīng)微外設(shè)產(chǎn)生的事件激活中斷例程。

Simulink 中提供了特定功能以支持仿真和代碼生成功能，例如“variant source”模塊，它允許在“sim”輸入端口(仿真時(shí))或“codegen”端口之間切換其輸出(生成代碼時(shí))。類似地，中斷模塊有一個(gè)“sim”輸入，允許它們?cè)诜抡骐A段使用(具有相同的功能)。通過這些功能和類似功能，可以在仿真階段對(duì)實(shí)際實(shí)時(shí)控制架構(gòu)進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)：顯示了為此目的而安排的 Simulink 模型。調(diào)度塊(“硬件中斷”)激活中斷例程以響應(yīng)微外設(shè)上的模擬事件(通過“SimIRQ”輸入)。同樣，控制 ISR 的 I/O 信號(hào)與電子驅(qū)動(dòng)器的仿真有關(guān)，

它指的是使用空間矢量脈沖寬度調(diào)制 (SV-PWM) 對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)定向控制。控制 ISR 通過調(diào)制載波 ( UF_trig )的下溢信號(hào)與 PWM 逆變器 ( TPWM )的(固定)調(diào)制周期同步。該信號(hào)還通過微型的 ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)外設(shè)觸發(fā)高動(dòng)態(tài)控制輸入(電流和直流總線電壓)的測(cè)量。在磁場(chǎng)定向中，控制 ISR 的第一個(gè)動(dòng)作是來自與傳感器相關(guān)的微外圍設(shè)備(編碼器的正交編碼器外圍設(shè)備 (QEP))的轉(zhuǎn)子位置測(cè)量，從中計(jì)算旋轉(zhuǎn)速度。

控制 ISR 留出的空閑時(shí)間(在每個(gè) PWM 周期內(nèi))用于完成微控制器與用戶之間的低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)交換任務(wù)，通常通過串行通信鏈路進(jìn)行。

Simulink 模型中實(shí)現(xiàn)的控制 ISR 的分解圖，用于代碼生成和離線仿真。在“codegen”的情況下，測(cè)量反饋(電流和直流電壓)和輸出 PWM 命令接收和饋送目標(biāo)控制器外設(shè)的軟件驅(qū)動(dòng)程序，這些驅(qū)動(dòng)程序可作為 Embedded Coder 庫中的 Simulink 塊使用。在所示案例中，目標(biāo)設(shè)備是 TI Delfino F28379S 微控制器，驅(qū)動(dòng)程序塊指的是其 ADC、QEP 和 PWM 單元。