【《电机控制系统半实物仿真实验分析案例》2300字】

电机控制系统半实物仿真实验分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u26817电机控制系统半实物仿真实验分析案例 1118801.1半实物仿真平台搭建 1251331.2结果分析 3对于永磁同步电机这种非线性、复杂的控制系统来说，通过Matlab/Simulink对电机的控制策略进行仿真分析，因为属于离线仿真，可以选择定步长和变步长来进行早期的算法验证，因此仿真速度快、便捷性高。但是由于模型本体以及其中的器件的建立很多情况下是基于理想情况下建立的，电机以及相关控制策略在实际运行中的问题无法考虑到。同时在新能源汽车领域、微电网以及功率电力电子研发过程中，传统的的开发模式存在成本过高、开发周期长等问题。因此需要一个可以将早期仿真策略进行实物验证的测试环节来验证算法以及模型的准确性，可以减少开发时间，提高开发效率。半实物仿真又叫硬件在环仿真（Hardware-In-Loopsimulation，HIL），是将控制器与仿真模型连接在一起进行仿真，来模拟被控对象真实状态的一种测试技术。在进行半实物仿真测试时，电脑中模拟的各种算法模型可以通过控制器与HIL仿真平台进行连接，控制器接受到电脑中的控制信信号输出CAN信号或者其他电信号，HIL仿真平台可以搭建各种模拟被控对象的真实状态信息，这些状态信息再通过硬件接口，然后反馈到控制器，形成一个完整的闭环测试仿真。在进行半物理仿真平台测试时，实际输入信号是模拟信号，输出信号是实际的电气信号，因此方便使用仪器进行检测。同时仿真软件都支持在线实时监视和在线改参，方便算法调试，加快开发周期，节约成本。本节搭建半实物仿真硬件平台，并基于Matlab自动代码生成技术实现电机控制策略的应用，最后对控制策略进行仿真结果分析。1.1半实物仿真平台搭建如图5.7所示，半实物仿真平台由TyphoonHIL602、控制板、上位机三部分组成。TyphoonHIL602（以下简称Typhoon）包括FPGA和ARM核，可以模拟直流电源、逆变器和电机等功率器件，还可以通过外部管脚对控制板供电并进行信息交互，比如接收控制板输出的PWM控制信号，向控制板发送电机三相电流和母线电压等信息，可以利用与Typhoon匹配的软件TyphoonHILControlCenter对电机功率模块以及信号接收、发送模块进行建模，对模型进行编译后可以下载到Typhoon中运行，如图5-8所示；上位机也在TyphoonHILControlCenter中搭建，包括目标值给定、波形监测以及数据导出等模块，如图5-9所示，电机三相电流等信号均可以传输到上位机中，进行实时的监控，并且可以通过上位机向Typhoon发送目标转速和电机负载等，Typhoon再通过串口通信接口将目标转速发送给控制板；控制板由控制芯片最小系统板卡（以下简称控制板卡）和扩展板组成，扩展板的接口与Typhoon一一对应，包括串口通信接口、IO接口、ADC接口以及±12V电源接口等，控制板卡通过插槽与扩展板连接，可以方便的更换不同的控制板卡，这里使用的是以TMS320F28335为控制芯片的TI板卡，控制程序通过扩展板上的JTAG接口下载到主控芯片。 为了验证所设计的控制策略对电机的实际控制，仿真所用电机参数与表5-1所示参数保持一致。图5-7所搭建的半实物仿真平台实物图Figure5-7Thephysicaldiagramofthesemi-physicalsimulationplatformbuilt图5-8Typhoon主电路模型Figure5-8Typhoonmaincircuitmodel5-9上位机页面5-9Hostcomputerpage在电机控制程序方面，在电机控制程序设计方面，MathWorks嵌入式代码团队为德州仪器的C2000处理器开发的EmbeddedCoderSupport嵌入式代码支持包将DSP各个功能分别封装成一个独立的模块，在使用时仅需要将其拖入mdl文件中即可，并可以针对特定的控制板进行相应接口和寄存器的配置，最终可以利用CCSv5对自动生成的代码进行修改、编译和下载[69]。在Matlab/Simulink中搭建的用于生成嵌入式代码的程序框图如图5-10所示。图5-10基于自动生成代码的电机矢量控制模型Figure5-10Motorvectorcontrolmodelbasedonautomaticallygeneratedcode1.2结果分析针对本文所提出的滑模速度控制矢量算法，分别设定不同的给定转速和负载转矩，来验证本文所设计的滑模控制对于干扰的响应速度准确度。分别设定三组不同的实验，实验一：负载转矩不变的情况下转速阶跃变化；实验二：转速给定不变的情况下负载转矩阶跃变化；实验三：负载转矩与给定转速同时变化时转速以及负载转矩的变化。设定实验工况1：在初始时刻电机的初始转速为50rpm,在4s时增至100rpm。在10s时增加到1100rpm，在11s时降低到1000rpm，同时维持负载转矩5N.m不变，最后的半实物仿真结果如图5-11所示。图5-11负载转矩不变时转速阶跃变化曲线Figure5-11Speedstepchangecurvewhentheloadtorqueisconstant从图5-11可以看出，在给定负载转矩不变的情况下，当电机转速给定值改变较小时（由50rpm跃变至100rpm）,实际转速能够在0.01s内跟随给定转速变化，当电机给定转速改变较大时（如从100rpm跃变至1100rpm时），则实际电机转速可以在0.15s内达到给定转速值。图5-12电机转速不变时负载转矩阶跃变化曲线Figure5-12Loadtorquestepchangecurvewhenthemotorspeedisconstant设定实验工况2：设定初始电机转速为1000rpm，在3s使负载转矩增至3.4N.m，在9s增加到10N.m，在12s使负载转矩降低到8N.m，最后的半实物仿真结果如图5-12所示。从图5-12可以看出，在给定转速一定的情况，分别给定不同的负载转矩，电机的输出转矩可以在0.01s内收敛至稳态。设定实验工况3：电机初始目标转速为20rpm，在3s时设为100rpm，在6s时设为600rpm，在9s时设为1300rpm，在12s时设为300rpm，15s时减小为20rpm；负载转矩在5s时给定一个5N∙m的阶跃，并在7s时设为15N∙m，在14s左右时再次设为5N∙m，最后的半实物仿真结果如图5-13、5-14所示：（a）电机转速(a)Motorspeed（b）转速偏差(b)Speeddeviation图5-13基于半实物仿真的转速实验结果Figure5-13Speedexperimentalresultsbasedonhardware-in-the-loopsimulation（a）电机转矩(a)Motortorque（b）转矩偏差(B)Torquedeviation图5-14基于半实物仿真的转矩实验结果Figure5-14Torqueexperimentalresultsbasedonhardware-in-the-loopsimulation从图5-13（a）中可以看出，当转速给定值发生变化时，电机的实际转速可以在0.15s之内快速跟随给定值变化而变化。图5-13（b）显示的是转速偏差图，当分别在3s、6s、9s、12s给定不同转速值的时候，电机都能够在0.04s内收敛至稳态，且随着给定转速值与实际电机转速值之间差值的降低，转速偏差尖峰也会随之降低。图