直流无刷电机仿真分析

2023-10-13 04:54| 来源: 网络整理| 查看: 265

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：

Signal Builder：创建和产生波形分段线性的可互换的信号组；Control ：是simulink中的subsystem，里面进一步封装了底层的实现；Gate Driver：是simulink中的subsystem，这里封装了逆变器的门极驱动信号；Inverter：控制器驱动双向AC/DC三臂变换器；Buck Converter：控制器驱动DC-DC降压调节器Gate Driver DCDC：是simulink中的subsystem，这里封装了DCDC的驱动信号；理想恒压源；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；BLDC ：梯形反电动势的三相绕组无刷直流电动机；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：

其中 RPMReq是期望的速度给定值；|u|是取输入的绝对值，这里即取给定速度RPMRef的绝对值；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；Sign这个模块可以判断输入数据的正负，输出±1；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；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；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：

比例参数：保存在变量Kpw中，可以在worksapce中修改；积分参数：保存在变量Kiw中，可以在worksapce中修改；积分初始化条件：这里设置0；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；输出饱和下限限制：最小为0；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：

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；convert是Data Type Conversion数据偏移1；Direct Lookup Table (n-D)：里面保存了正转和反转的相序；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；

GaHGaLGbHGbLGcHGcL011000000110100010010001000101

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：

Vdc_ref是上一级PI控制器的输出，也就是Speed controller的输出；Voltage controller是电压PI控制器，后面进一步分析；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；Vdc是反馈回来的母线电压，经过一阶低通滤波器；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：