Progettazione di sistemi di controllo dell’elettronica di potenza con Simulink

Controllo motori BLDC

Sviluppare algoritmi di controllo per motori BLDC usando le simulazioni

I motori a commutazione elettronica, o “brushless”, stanno diventando sempre più popolari poiché offrono un’efficienza elettrica maggiore e un miglior rapporto coppia/peso rispetto alla controparte a commutazione meccanica, o “brushed”. I motori brushless DC (BLDC) vengono generalmente definiti macchine sincrone a magneti permanenti (PMSM) con forza controelettromotrice trapezoidale dovuta alla concentrazione degli avvolgimenti dello statore. Ciò differenzia i motori BLDC dai motori PMSM, che hanno una forza controelettromotrice sinusoidale dovuta agli avvolgimenti dello statore distribuiti.

Animazione MATLAB che mette a confronto il funzionamento dei motori BLDC e PMSM. L’animazione si basa sui risultati delle simulazioni di un modello Simscape Electrical.

In genere, i motori brushless DC usano il controllo trapezoidale, ma viene utilizzato anche il controllo ad orientamento di campo. I motori PMSM, in genere, usano solo il controllo ad orientamento di campo. Il controllo trapezoidale dei motori BLDC è più semplice del controllo ad orientamento di campo, in quanto eccita solo due fasi contemporaneamente. Per il controllo della coppia è richiesto solo un controller PID e, a differenza del controllo ad orientamento di campo, non servono trasformazioni di coordinate con le trasformate di Park e Clarke.

Animazione MATLAB che mette a confronto il funzionamento dei motori BLDC con coppie unipolari e bipolari. L’animazione si basa sui risultati delle simulazioni di un modello Simscape Electrical.

Gli ingegneri dei controlli di motori che progettano un controller per motore BLDC con metodo trapezoidale devono occuparsi di quanto segue:

  • Sviluppare l’architettura del controller con un controller PI per il loop corrente/tensione interno
  • Sviluppare i controller PI per i loop di posizione e velocità esterni opzionali
  • Ottimizzare i guadagni di tutti i controller PI per soddisfare i requisiti prestazionali
  • Progettare il controllo PWM
  • Progettare la logica di protezione e rilevamento dei guasti
  • Verificare e convalidare le prestazioni del controller in diverse condizioni operative
  • Implementare un controller a virgola fissa o mobile su un microcontroller

Progettare controlli per motori BLDC con Simulink® consente di utilizzare la simulazione multirate per progettare, ottimizzare e verificare gli algoritmi di controllo e rilevare e correggere eventuali errori nell’intero intervallo operativo del motore prima di eseguire il test dell’hardware. La simulazione in Simulink consente di ridurre la quantità di test del prototipo e di verificare la robustezza degli algoritmi di controllo in condizioni di errore non testabili sull’hardware. È possibile:

  • Modellare un motore BLDC con forza controelettromotrice trapezoidale o arbitraria
  • Modellare controller di corrente, di velocità e modulatori
  • Modellare l’elettronica di potenza di un inverter
  • Ottimizzare i guadagni del sistema di controllo dei motori BLDC utilizzando tecniche di progettazione di controlli lineari come il diagramma di Bode e il luogo delle radici e tecniche come la regolazione PID automatica
  • Modellare le modalità di avvio, arresto ed errore e progettare la logica di derating e protezione per garantire un funzionamento sicuro
  • Progettare algoritmi di condizionamento ed elaborazione di segnali per i canali I/O
  • Eseguire simulazioni a circuito chiuso del motore e del controller per verificare le prestazioni del sistema in condizioni operative normali e anomale
  • Generare automaticamente codice C ANSI, ISO oppure ottimizzato per processori specifici e HDL per la prototipazione rapida, i test hardware-in-the-loop e l’implementazione di produzione

Ridurre i tempi di sviluppo del controllo motori grazie ai modelli di simulazione

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