直流无刷电机仿真分析——基于simulink官方例程BLDC Speed Control

Posted 小麦大叔

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了直流无刷电机仿真分析——基于simulink官方例程BLDC Speed Control相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

这里分析一下simulink自带的demoBLDC Speed Control
整体的框图如下所示:
我在图中标注了12个部分的区域,每个区域的作用如下:

  1. Signal Builder:创建和产生波形分段线性的可互换的信号组 ;
  2. Control :是simulink中的subsystem,里面进一步封装了底层的实现;
  3. Gate Driver:是simulink中的subsystem,这里封装了逆变器的门极驱动信号
  4. Inverter:控制器驱动双向AC/DC三臂变换器 ;
  5. Buck Converter:控制器驱动DC-DC降压调节器
  6. Gate Driver DCDC:是simulink中的subsystem,这里封装了DCDC的驱动信号;
  7. 理想恒压源;
  8. Vdc:是simulink中的subsystem,这里封装了母线电压传感器和母线电压通路;
  9. BLDC :梯形反电动势的三相绕组无刷直流电动机;
  10. 物理区域部分,包括了横转矩负载还有位置检测的环节;

Signal Builder

signal builder 位于 Library: Simulink / Sources,创建和产生波形分段线性的可互换的信号组 ;

具体如下图所示;

Control

Control模块的输入:

  • RPMReq:用户输入期望的转速;
  • rpm:系统反馈的转速;
  • Hall:系统反馈的霍尔信号,用于计算位置,以及产生驱动信号;
  • Vdc:母线电压;
    Control模块的输出:
  • SBLDC的驱动信号;
  • S_DCDCDCDC的驱动信号;

    下面进入subsystem进一步分析内部的逻辑结构;

    这里是一个典型的串级控制系统,设置了重要两个环路:
  • 外部速度环,上图中框图 1 所示;
  • 内部电压控制环,上图中框图 2 所示;

速度环

速度环框图如下所示:

下面简单分析一下,下列序号和图中序号对应:

  1. 其中 RPMReq是期望的速度给定值;
  2. |u|是取输入的绝对值,这里即取给定速度RPMRef的绝对值;
  3. rpm 是反馈的转速,期望给定速度减去反馈转速就可以得到偏差e,然后输入给PI控制器;
  4. Sign这个模块可以判断输入数据的正负,输出±1
  5. Speed controller是一个离散的PI控制器,并且带了输出限幅;输入为e,即期望RPMReq和反馈rpm的偏差;
  6. Hall是反馈的霍尔信号,可以用于计算转子当前的位置,从而输出相应的驱动信号给电机;
  7. Commutation换相系统,根据反馈的hall信号和当前的方向,从而产生相应的驱动信号;

这里重点看一下Speed controller,下面是它的具体参数:

做一下简单的分析:

  1. 比例参数:保存在变量Kpw中,可以在worksapce中修改;
  2. 积分参数:保存在变量Kiw中,可以在worksapce中修改;
  3. 积分初始化条件:这里设置0;
  4. 输出饱和上限限制:最大不能超过系统的Vdc,这里保存在变量中;
  5. 输出饱和下限限制:最小为0;
  6. 采样时间:保存在变量Tsc中;

这是一个典型的速度闭环,因为整体系统采用了串级PI的控制方式,所以最终速度PI控制器的输出量会给到下一个环节,即电压环节。

然后还要分析一下换相信号是如何计算的:

下面简单分析一下:

  1. Bit concatenate:这是一个subsystem,底层封装如红框内所示;先做一个增益计算,然后求和输出为y,这里需要进一步观察输入的霍尔信号的情况;
  2. convert是Data Type Conversion
  3. 数据偏移1;
  4. Direct Lookup Table (n-D):里面保存了正转和反转的相序;
  5. Switch:组合两路信号为一路信号,根据不同的方向,选择使用不同的相序;

在输入的hall信号增加了scope,得到如下霍尔信号;

霍尔信号经过Bit concatenate模块之后;

其中输入信号u满足:
u = [ A , B , C ] u = \\begin{bmatrix} A , B , C \\end{bmatrix} u=[A,B,C]

其中A,B,C分别为霍尔信号的ABC,即霍尔1,霍尔2,霍尔3;

所以输出信号y满足:
y = [ A , B , C ] ∗ [ 4 2 1 ] y=\\begin{bmatrix} A , B , C \\end{bmatrix}* \\begin{bmatrix} 4 \\\\ 2 \\\\ 1 \\end{bmatrix} y=[A,B,C]421

继续检测节点3处u-1模块的输出变量,具体如下所示;

可以看到到这里是扇区信号,这里将扇区信号进行u-1操作是为了配合后面的模块,索引号需要从 0 开始;
具体如下图红色框图1中模块所示;


2-D T[k]中保存着二维数组,这里使用了两个2-D T[k],根据方向的不同,来决定使用哪个2-D T[k]数组;

dir=1的时候:

[
0 0 0 1 1 0;
0 1 1 0 0 0;
0 1 0 0 0 1;
1 0 0 0 1 0;
1 0 1 0 0 0;
0 0 0 1 0 1
]

dir=0的时候:

[
0 1 1 0 0 0;
0 0 0 1 1 0;
1 0 0 0 1 0;
0 1 0 0 0 1;
0 0 0 1 0 1;
1 0 1 0 0 0
]

这里的驱动信号依次是,GaH,GaL,GbH,GbL,GcH,GcL

GaHGaLGbHGbLGcHGcL
011000
000110
100010
010001
000101

最终输出的信号具体如下图所示:

换相信号直接输出给Gate driver,

电压环

这里是一个电压控制环节,具体如下图所示;

做一下简单的分析:

  1. Vdc_ref是上一级PI控制器的输出,也就是Speed controller的输出;
  2. Voltage controller是电压PI控制器,后面进一步分析;
  3. PWMsubsystem,底层还封装了一层了,将PI控制器的输出信号转化为PWM的调制信号输出给DCDC控制器;
  4. Vdc是反馈回来的母线电压,经过一阶低通滤波器;
  5. 这是离散的一阶低通滤波器,将母线电压Vdc滤波之后反馈给Vdc_ref,两者计算得到偏差e

这里在看一下Voltage controller,具体如下图所示:

这里可以看到,一共有六个参数:

  1. 比例参数Kpv
  2. 积分参数Kiv
  3. 积分初始条件为0
  4. 饱和上限限制为1
  5. 饱和下限限制为0
  6. 采样时间为 Tsc

下面继续看一下PWM子系统,具体如下所示:

简单分析一下:

  1. 频率转换器,用于不同频率的信号之间的协同工作;
  2. DCPWM使用了PWM Generator模块,具体可以参考相应的帮助文档;
  3. convert:数据类型转换器;
  4. NOT:非门;

最终G1输出到Gate driver DCDC

门级驱动

这里有两个门级驱动信号,一个是DCDC的输出驱动,一个是逆变器的三个桥的门极驱动,分别是:

  1. Gate driver DCDC;
  2. Gate driver;

物理环节

后面终于到了物理环节的分析,因为电机是将电能转化成机械能,所以这里不可避免的要涉及到物理信号的模型。

下面简单分析一下:

  1. 线性采样电阻
  2. BLDC 梯形反电动势的三相绕组无刷直流电动机;
  3. iabc经过封装的subsystem;

    经过电流传感器得到abc三相电流;
  4. Mechanical Rotational Elements:机械旋转组件
  5. 反馈角速度还有转速,下面进行简单分析;
  6. 转矩,经过封装的subsystem,
  7. Inertia:表示理想机械转动惯量;
  8. Torque Source:产生与输入信号成比例的力矩的机械能的理想来源;
  9. 物理网络环境和求解器配置 ;
  10. 负载 ,全局变量;

Simulink信号和Simscape信号之间要做转换,转换模块有:

  • PS-Simulink Converter,从物理端口转到Simulink信号;
  • Simulink-PS Converter, 从Simulink信号转换到物理信号;

matlab版本:2020a
Simscape --> Utilities --> PS-Simulink Converter or Simulink-PS Converter

仿真结果

以上是关于直流无刷电机仿真分析——基于simulink官方例程BLDC Speed Control的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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