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

Controllo ad orientamento di campo

Sviluppare algoritmi di controllo ad orientamento di campo utilizzando la simulazione

Il controllo ad orientamento di campo consente di controllare la coppia massima per ampere o l'indebolimento del campo per vari tipi di motore, tra cui macchine a induttanza, motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) e motori brushless DC (BLDC).

Il diagramma a blocchi qui sotto mostra un'architettura di controllo ad orientamento di campo che include i seguenti componenti:

  • Controller di corrente costituito da due controller proporzionali integrali
  • Controller della velocità del loop esterno opzionale e generatore di corrente di riferimento
  • Trasformate di Clarke, Park e Park inverse per la conversione da frame stazionari a sincroni rotanti
  • Un algoritmo di modulatore vettoriale spaziale per trasformare i comandi vα e vβ in segnali di modulazione di larghezza di impulso applicati agli avvolgimenti dello statore
  • Protezione e funzioni ausiliarie, inclusa la logica di avvio e spegnimento
  • Observer opzionale per stimare la posizione angolare del rotore se si desidera utilizzare il controllo sensorless

Diagramma a blocchi del controllo ad orientamento di campo.

Gli ingegneri di controllo motori che progettano un controllo ad orientamento di campo eseguono le seguenti operazioni:

  • Sviluppare l’architettura del controller con due controller PI per il loop corrente
  • 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 un modulatore vettoriale spaziale per il controllo della PWM
  • Progettare un algoritmo di osservazione per stimare la posizione e la velocità del rotore se si utilizza il controllo sensorless
  • Progettare algoritmi di controllo della coppia massima per ampere o dell'indebolimento del campo per generare id_ref e iq_ref ottimali
  • Implementare trasformate di Park, Clarke e Park inverse computazionalmente efficienti
  • 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 microcontrollore o un FPGA

La progettazione di controlli ad orientamento di campo con Simulink® consente di utilizzare la simulazione multi-rate 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 ridurre la quantità di test del prototipo e verificare la robustezza degli algoritmi di controllo in condizioni di errore che non è possibile testare sull'hardware. È possibile:

  • Modellare vari tipi di motori, tra cui macchine sincrone e asincrone trifase. Puoi creare e utilizzare alternativamente modelli di diversi livelli di fedeltà, da semplici modelli basati su principi primi o somma concentrata a modelli non lineari basati su flussi ad alta fedeltà creati tramite importazione da strumenti FEA come ANSYS® Maxwell® e JMAG®.
  • Modellare controller di corrente, regolatori di velocità e modulatori.
  • Modellare l’elettronica di potenza di un inverter.
  • Ottimizzare i guadagni del sistema di controllo utilizzando tecniche di progettazione di controlli lineari come il diagramma di Bode e root locus 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 osservazione per stimare la posizione e la velocità del rotore.
  • Ottimizzare id_ref e iq_ref per ridurre al minimo le perdite di potenza, garantire il funzionamento al di sopra della velocità nominale del rotore e assicurare il funzionamento corretto in caso di incertezze parametriche.
  • 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.

Field-Oriented Control with Simulink

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