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

Posted 2022-01-10 王张飞

这里分析一下simulink自带的demo—BLDC 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：
• S：BLDC的驱动信号；
• S_DCDC：DCDC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 =

[A,B,C][A,B,C]

\\beginbmatrix A , B , C \\endbmatrix 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=

[A,B,C][A,B,C]

\\beginbmatrix A , B , C \\endbmatrix*

⎡⎣⎢421⎤⎦⎥[421]

\\beginbmatrix 4 \\\\ 2 \\\\ 1 \\endbmatrix 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；

GaH

GaL

GbH

GbL

GcH

GcL

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

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. PWM是subsystem，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