Можно использовать блок Field Oriented Control Autotuner, чтобы автоматически настроить ПИ-контроллеры в структуре ориентированного на поле управления (FOC) с обратной связью против машины, смоделированной в Simulink® с помощью Motor Control Blockset™. Например, можно использовать Motor Control Blockset, чтобы создать точную модель электродвигателя путем сбора данных непосредственно от оборудования и вычисления параметров двигателя. Эта параметрическая модель затем используется, чтобы оценить усиления управления для ваших ПИ-контроллеров в ориентированных на поле приложениях управления. Для получения дополнительной информации смотрите Ориентированное на поле управление (FOC).
Этот рабочий процесс применяется, когда у вас есть существующая структура FOC для двигателя с начальной группой контроллеров, таким образом, что система с обратной связью устойчива, и модель электродвигателя запускается в номинальной рабочей точке. Используйте блок Field Oriented Control Autotuner, чтобы автоматически настроить существующие контроллеры с заданной пропускной способностью и запасами по фазе.
Этот блок требует программного обеспечения Simulink Control Design™.
Блок позволяет вам автоматически настраивать следующие циклы управления в своей структуре FOC с обратной связью:
Прямая ось (d-ось) текущий цикл
Квадратурная ось (q-ось) текущий цикл
Цикл скорости
Цикл потока
Блок выполняет эксперимент автоматической настройки с обратной связью на текущей d-оси, текущая q-ось, скорость и циклы управления потока последовательно. Во время эксперимента, для каждого цикла, блок вводит синусоидальные сигналы возмущения на частотах [1/10,1/3, 1, 3, 10] ωc, где ωc является вашей заданной целевой пропускной способностью для настройки.
Когда эксперимент заканчивается, блок использует предполагаемую частотную характеристику, чтобы вычислить коэффициенты ПИД. Настраивающийся алгоритм стремится балансировать эффективность и робастность при достижении пропускной способности управления и запаса по фазе, который вы задаете. Можно сконфигурировать систему, чтобы автоматически обновить коэффициенты усиления существующих ПИД-регуляторов, позволив вам подтвердить эффективность с обратной связью в том же запуске симуляции, который используется для настройки.
Примечание
Даже при том, что блок Field Oriented Control Autotuner может настроить ПИД и контроллеры PIDF, библиотека Motor Control Blockset обеспечивает только ПИ-контроллеры. Выберите циклы for типа ПИ-контроллера в параметрах блоков. Если вы хотите использовать другой тип контроллера, можно использовать блок PID Controller из Библиотеки Simulink, или вы могут сделать собственный ПИД-регулятор.
Следующий рисунок показывает упрощенную блок-схему ориентированной на поле управляющей структуры для PMSM. Упрощенная блок-схема показывает параметры в системе координат ротора и не включает инвертор, Парк-Clarke преобразовывает, или датчики. Для подробной модели ориентированного на поле управления PMSM смотрите Ориентированное на поле управление (FOC). Для PMSM в ориентированной на поле управляющей структуре существует три цикла управления: прямая ось текущий цикл управления, квадратурная ось текущий цикл управления и цикл скорости. Нет никакого контроллера цикла потока, когда поток ротора фиксируется и d-ось, текущая ссылка цикла обычно обнуляется. В некоторых приложениях можно ввести отрицательное значение для d-оси текущая ссылка, чтобы реализовать полевое управление ослаблением и достигнуть более высоких скоростей ротора за счет более высокого тока.
В параметрах блоков Field Oriented Control Autotuner отключите опцию Tune flux loop, когда поток ротора фиксируется с постоянным магнитом для этого типа электродвигателя переменного тока.
Чтобы соединить блок Field Oriented Control Autotuner и настроить ПИ-контроллеры в вашей модели, сначала идентифицируйте параметры ввода и вывода в своей модели. Можно затем соединить блок, аналогичный описанному ниже.
Для настройки d-оси текущий цикл управления:
Соедините управляющий сигнал от PI_daxis к входному порту PIDout daxis.
Соедините perturbation daxis при помощи блока суммы с выходом PI_daxis, который является ссылкой напряжения d-оси Vd_ref, изменить вход к объекту.
Соедините d-ось, текущую полученный из измеренного (обнаруженный или предполагаемый) моторные токи к входному порту measured feedback_daxis.
Для настройки q-оси текущий цикл управления:
Соедините управляющий сигнал от PI_qaxis к входному порту PIDout qaxis.
Соедините perturbation qaxis при помощи блока суммы с выходом PI_qaxis, который является ссылкой напряжения q-оси Vq_ref, изменить вход к объекту.
Соедините q-ось, текущую полученный из измеренного (обнаруженный или предполагаемый) моторные токи к входному порту measured feedback_qaxis.
Для настройки цикла регулировки скорости:
Соедините управляющий сигнал от PI_speed к входному порту PIDout speed.
Соедините perturbation speed при помощи блока суммы с выходом PI_speed, который является q-осью текущий ссылочный Iq_ref, изменить вход к объекту.
Соедините измеренное (обнаруженный или предполагаемый) скорость от двигателя до входного порта measured feedback_daxis.
Следующая модель обычно иллюстрирует, как блок помещается в структуру FOC как показано в предыдущей блок-схеме.
Во время процесса автоматической настройки блок вводит сигналы возмущения во входных параметрах объекта, сопоставленных с каждым циклом управления, и измеряет ответы в measured feedback для каждого цикла. Когда эксперимент заканчивается, блок вычисляет, PI получает и возвращает их в порте pid gains. Когда эксперимент не запускается, блок не вводит сигналов возмущения. В этом состоянии блок не оказывает влияния на поведение контроллера или объект.
Соедините вводы и выводы блока для выбранных циклов как описано в предыдущем разделе. Для каждого цикла вы настраиваетесь, можно сконфигурировать следующие параметры контроллера:
Ввод Задайте действия ПИД-регулятора. Если вы используете ПИ-контроллер от библиотеки Motor Control Blockset, установите этот параметр на PI для всех циклов.
Form – Задайте форму контроллера. Если вы используете ПИ-контроллер от библиотеки Motor Control Blockset, установите этот параметр на Parallel.
Controller sample time (sec) – Задайте шаг расчета контроллера.
Integrator method – Задайте дискретную формулу интегрирования для термина интегратора. Если вы используете ПИ-контроллер от библиотеки Motor Control Blockset, установите этот параметр на Forward Euler.
Filter method – Задайте формулу для дискретного производного фильтра, если ваш контроллер включает производное действие с производным термином фильтра.
Затем для каждого цикла задайте целевую пропускную способность и запас по фазе для настройки с Target bandwidth (rad/sec) и параметрами Target phase margin (degrees), соответственно.
Целевая пропускная способность является целевым значением для 0 частот среза усиления дБ настроенного ответа разомкнутого контура CP, где P является ответом объекта для данного цикла, и C является ответом контроллера, сопоставленным с тем циклом. Эта частота среза примерно устанавливает пропускную способность управления. Для желаемого времени нарастания τ хорошее предположение для целевой пропускной способности является 2/τ. Для того, чтобы иметь эффективный каскадный контроль, внутренние циклы управления (d-ось и q-ось) отвечают намного быстрее, чем внешние циклы управления (поток и скорость).
Примечание
Как типичное эмпирическое правило, можно установить пропускную способность, таким образом что:
Текущая пропускная способность цикла по крайней мере в 10 раз быстрее, чем пропускная способность цикла скорости.
Текущая пропускная способность цикла по крайней мере в 10 раз медленнее, чем переключающаяся частота.
Целевой запас по фазе отражает вашу желаемую робастность для настроенной системы. Как правило, можно выбрать значение в области значений приблизительно 45 °-60 °. В общем случае более высокий запас по фазе уменьшает перерегулирование, но может ограничить скорость ответа. Значение по умолчанию 60 ° имеет тенденцию балансировать эффективность и робастность, давая приблизительно к 5-10%-му перерегулированию, в зависимости от характеристик вашего объекта.
Чтобы использовать те же настраивающие настройки для внутренних циклов управления, включите Use same settings for current loop controllers (D-axis + Q-axis). Выполнение так позволяет вам задавать те же параметры контроллера и настраивающиеся цели для d-оси и q-оси текущие циклы.
Для получения дополнительной информации об установке этих параметров, смотрите страницу с описанием блока Field Oriented Control Autotuner.
В параметрах блоков задайте время начала и длительность автоматически настраивающегося эксперимента для каждого цикла. Блок настраивает только один контроллер за один раз, таким образом, время начала и длительность настраивающегося эксперимента одного цикла не должны совпадать или перекрываться с другим циклом. Настройте контроллеры внутреннего цикла сначала, и затем настройте контроллеры внешнего контура. Рассмотрите следующее, когда вы зададите время начала эксперимента и длительность.
Запустите эксперимент, когда двигатель будет в желаемой установившейся рабочей точке. Используйте начальный контроллер, чтобы управлять двигателем к рабочей точке.
Избегайте любого воздействия ввода или вывода на двигателе во время эксперимента. Если ваша существующая система с обратной связью имеет хорошее подавление помех, то эксперимент может обработать маленькие воздействия. В противном случае большие воздействия могут исказить объект выход и уменьшать точность оценки частотной характеристики.
Для каждого цикла мелодии блока позвольте эксперименту, запускаемому достаточно долго для алгоритма, чтобы собрать достаточные данные для хорошей оценки на всех частотах, которые это зондирует. Осторожная оценка на время эксперимента является 200/ωc, где ωc является вашей целевой пропускной способностью для настраиваемого цикла.
В качестве альтернативы можно сконфигурировать ваш запускать/останавливать сигнал путем включения параметру Use external source for start/stop of experiment.
Затем задайте Loop Experiment Settings для каждого цикла, который будет настроен. Plant Type задает, устойчив ли объект, сопоставленный с отдельным циклом асимптотически, или объединяется. Параметр Plant Sign положителен, если положительное изменение во входе объекта в желаемой рабочей точке приводит к положительному изменению на объекте выход. В противном случае знак объекта отрицателен. Для настройки FOC PMSM Plant Type асимптотически устойчив, и Plant Sign положителен для всех трех циклов.
Эксперимент оценки частотной характеристики вводит синусоидальный сигнал в объект, сопоставленный с каждым циклом на частотах [1/10, 1/3, 1, 3, 10] ωc , где ωc является целевой пропускной способностью для настройки. Используйте параметр Sine Amplitudes блока Field Oriented Control Autotuner, чтобы задать амплитуды этих сигналов. Можно или задать скалярное значение, чтобы ввести ту же амплитуду на каждой частоте или векторе из длины 5, чтобы задать различную амплитуду в каждом из [1/10, 1/3, 1, 3, 10] ωc .
Все амплитуды возмущения должны быть:
Достаточно большой, что возмущение преодолевает любую мертвую зону в приводе объекта и генерирует ответ выше уровня шума.
Достаточно маленький, чтобы поддерживать объект в рабочем состоянии приблизительно в линейной области около номинальной рабочей точки и постараться не насыщать ввод или вывод объекта.
Для получения дополнительной информации об установке параметров эксперимента, смотрите страницу с описанием блока Field Oriented Control Autotuner.
После того, как вы сконфигурируете все параметры для настройки, запустите модель.
Если вы сконфигурировали запуск и длительность эксперимента в параметрах блоков, позвольте симуляции запускаться достаточно долго, чтобы начать эксперимент путем определения продолжительности симуляции, больше, чем сумма самого большого времени начала и длительности. Например, если ваше время начала эксперимента цикла скорости составляет 5 секунд, и длительность составляет 3 секунды, то ваша продолжительность симуляции должна быть больше 8 секунд.
Если вы сконфигурировали внешний start/stop предупредите, начните эксперимент, когда объект достигнет установившийся. Для получения дополнительной информации о том, как сконфигурировать внешний запуск и сигнал остановки, смотрите входные параметры блока Field Oriented Control Autotuner.
Оценка частотной характеристики экспериментирует концы когда start/stop предупредите указывает падающее ребро.
Если вы сконфигурировали запуск и длительность эксперимента в параметрах блоков, чтобы начать и закончить настраивающий процесс в конкретные моменты времени, позвольте симуляции пробегать конец эксперимента.
Если вы сконфигурировали внешний start/stop сигнал, закончите эксперимент когда сигнал в convergence выведите стабилизирует близкие 100% для каждого цикла.
В любом случае осторожная оценка в течение времени эксперимента является 200/ωc, где ωc является вашей целевой пропускной способностью для настраиваемого цикла. Например, если у вас есть целевая пропускная способность 5 000 рад/секунда для настройки токового контроллера d-оси, длительности настраивающегося эксперимента для d-оси, текущий цикл может составить 0,04 секунды.
Когда вы останавливаете эксперимент, блок вычисляет новые усиления PI на основе предполагаемой частотной характеристики объекта и ваших заданных настраивающих целей, сопоставленных с каждым циклом мелодии блока. Существует несколько способов видеть настроенные усиления:
Просмотрите вывод pid gains порт блока автотюнера. Один способ просмотреть этот вывод состоит в том, чтобы соединить выход с блоком Simulink Display.
В параметрах блоков, на вкладке Block, нажимают Export to MATLAB. Блок создает структуру в рабочей области MATLAB®, FOCTuningResult. Для получения дополнительной информации о содержимом этой структуры, смотрите страницу с описанием блока.
Блок Field Oriented Control Autotuner не пишет усиления автоматически в ваши ПИ-контроллеры. Можно передать настроенные усиления контроллерам вручную или с собственной логикой.
Чтобы вручную обновить коэффициенты усиления PI, можно просмотреть вывод pid gains порт блока автотюнера. pid gains сигнал шины, который содержит настроенные усиления ПИ-контроллеров для каждого цикла мелодии блока. Можно также нажать Export to MATLAB в параметрах блоков, чтобы получить структуру FOCTuningResult в вашем рабочем пространстве MATLAB, которое включает настроенные усиления контроллера.
Также можно сконфигурировать собственную логику, чтобы передать настроенные усиления PI. Например, можно использовать блоки маршрутизации сигнала в Simulink, чтобы сохранить, считать и записать усиления контроллерам.
Примечание
Если вы настраиваете Discrete PI Controller от библиотеки Motor Control Blockset, блок Field Oriented Control Autotuner, выход содержит настроенный пропорциональный и интегральные составляющие. Поскольку Discrete PI controller ожидает, что интегральная составляющая, предварительно умноженная на шаг расчета контроллера, как введено, вместо Ki, использует Ki*TS при записи новой интегральной составляющей в блок контроллера.
После того, как вы передадите настроенные усиления своим ПИ-контроллерам, можно наблюдать и подтвердить продолжительную эффективность системы с новыми усилениями.
Field Oriented Control Autotuner
