В этом примере показано, как настроить ориентированный на поле контроллер для электрического тягового привода на основе PMSM только в одном моделировании с использованием блока автоотюнера PID с замкнутым контуром.
В этом примере ориентированный на поле контроллер для синхронной машины с постоянными магнитами (PMSM) на основе электрического тягового привода моделируется в Simulink ® с использованием компонентов Simscape™ Electrical™. Модель основана на примере Simscape Трехфазный тяговый привод PMSM (Simscape Electrical).
mdl = 'scdfocpmsmPIDTuning';
open_system(mdl)
Полевое управление (ВОК) управляет токами трехфазного статора в виде вектора. ВОК основан на проекциях, которые преобразуют трехфазную зависящую от времени и скорости систему в двухкоординатную инвариантную по времени систему. Эти преобразования представляют собой преобразование Кларка, преобразование парка и их соответствующие обратные преобразования. Эти преобразования реализуются в виде блоков в подсистеме контроллера PMSM.
Преимущества использования ВОК для управления электродвигателями переменного тока:
Прямой и раздельный контроль крутящего момента и потока
Точное управление в переходном и устойчивом режиме
Аналогичные характеристики по сравнению с двигателями постоянного тока
Подсистема контроллера PMSM содержит все три контроллера PI. ПИ-регулятор внешнего контура регулирует скорость двигателя. Два ПИ-контроллера внутреннего контура управляют токами d-оси и q-оси по отдельности. Команда от контроллера PI внешнего контура подается непосредственно на ось q для управления крутящим моментом. Команда для оси d равна нулю для PMSM, поскольку поток ротора фиксируется постоянным магнитом для этого типа электродвигателя переменного тока.
Существующие контроллеры PI имеют следующие преимущества:
Контроллер скорости PI имеет коэффициенты усиления P = 20 и I = 500.
Контроллер PI D-оси имеет коэффициенты усиления P = 0,8779 и I = 710,3.
PI-контроллер Q-оси имеет коэффициенты усиления P = 1,0744 и I = 1061,5.
Выигрыши контроллера сохраняются в блоке памяти хранилища данных и предоставляются извне каждому блоку PID. Когда процесс настройки контроллера завершен, новые настроенные коэффициенты усиления записываются в блок памяти хранилища данных. Эта конфигурация позволяет в режиме реального времени обновлять выигрыш контроллера во время моделирования.
Блок Autotuner PID с замкнутым контуром позволяет настраивать один контроллер PID одновременно. Он вводит синусоидальные сигналы возмущения на вход установки и измеряет выход установки во время эксперимента с замкнутым контуром. Когда эксперимент прекращается, блок вычисляет коэффициенты усиления PID на основе частотных характеристик установки, оцененных в небольшом количестве точек вблизи требуемой полосы пропускания. Для этой модели электротягового привода на базе PMSM для каждого из трех контроллеров PI может использоваться блок автоотюнера PID с замкнутым контуром.
Этот рабочий процесс применяется при наличии исходных контроллеров, которые необходимо повторно запустить с помощью блока автоматического запуска PID с замкнутым контуром. Преимущества этого подхода заключаются в следующем:
Если во время эксперимента возникнет непредвиденное нарушение, оно будет отклонено существующими контроллерами для обеспечения безопасной работы.
Существующие контроллеры будут поддерживать работу установки вблизи ее номинальной рабочей точки путем подавления сигналов возмущения.
При использовании блока Autotuner PID с замкнутым контуром как для моделирования, так и для приложений реального времени:
Растение должно быть либо асимптотически устойчивым (все полюса строго стабильны), либо интегрирующим. Блок автотюнера не работает с нестабильной установкой.
Контур обратной связи с существующим контроллером должен быть стабильным.
Для более точной оценки частотных характеристик установки в режиме реального времени минимизируйте возникновение любых возмущений в модели электротягового привода на основе PMSM во время эксперимента. Блок автотюнера ожидает, что выходной сигнал установки будет ответом только на вводимые сигналы возмущения.
Поскольку контур обратной связи замкнут во время эксперимента, существующий контроллер также подавляет введенные сигналы возмущения. Преимущество использования эксперимента с замкнутым контуром заключается в том, что контроллер поддерживает работу установки вблизи номинальной рабочей точки и поддерживает безопасную работу. Недостаток заключается в том, что это снижает точность оценки частотной характеристики, если целевая полоса пропускания находится далеко от текущей полосы пропускания.
Вставьте блок автомата PID с замкнутым контуром между блоком PID и установкой для всех трех контроллеров PI, как показано в модели электротягового привода на базе PMSM. start/stop сигнал начинает и прекращает эксперимент с замкнутым контуром. Когда эксперимент не выполняется, блок автоотюнера PID с замкнутым контуром ведет себя как блок единичного усиления, в который
непосредственно поступает сигнал.
Для просмотра измененной структуры управления внешним контуром откройте подсистему управления внешним контуром в подсистеме контроллера PMSM.
controlSubsystem = [mdl '/PMSM controller']; open_system([controlSubsystem '/Outer loop control'])
Просмотрите измененные контроллеры тока в подсистеме управления внутренним контуром.
open_system([controlSubsystem '/Inner loop control'])
После соединения блока автоотюнера PID с замкнутым контуром с моделью завода и блоком PID настройте параметры настройки и эксперимента.
На вкладке Настройка имеются два основных параметра настройки:
Целевая полоса пропускания - определяет скорость ответа контроллера. В этом примере выберите 300 рад/с для регулирования скорости, 2500 rad/s для управления током по оси d и 2200 rad/s для управления током по оси q.
Целевой запас фазы - определяет, насколько надежным должен быть контроллер. В этом примере выберите 60 градусы для управления током внутреннего контура и 70 степени для управления внешним контуром.
На вкладке Эксперимент (Experiment) имеются три основные настройки эксперимента:
Тип растения - указывает, является ли растение асимптотически стабильным или интегрированным. В этом примере модель электротягового привода на основе PMSM является стабильной.
Знак растения - указывает, имеет ли растение положительный или отрицательный знак. Знак установки является положительным, если положительное изменение входного сигнала установки в номинальной рабочей точке приводит к положительному изменению выходного сигнала установки, когда установка достигает нового устойчивого состояния. В противном случае знак растения отрицательный. Если растение стабильно, знак растения эквивалентен знаку усиления постоянного тока. Если установка интегрируется, знак установки является положительным (или отрицательным), если производительность установки продолжает увеличиваться (или уменьшаться). В этом примере модель электротягового привода на основе PMSM имеет положительный знак установки.
Синусоидальные амплитуды (Sine Amplitudes) - определяет амплитуды введенных синусоидальных волн. В этом примере выберите 5 для контроллеров внутреннего контура и 5 для контроллера внешнего контура для обеспечения надлежащего возбуждения установки в пределах предела насыщения. Если амплитуда возбуждения либо слишком велика, либо слишком мала, это приведет к неточным результатам оценки частотной характеристики.
Поскольку блок автозапуска PID с замкнутым контуром настраивает только один контроллер PI за один раз, эти три контроллера должны быть настроены отдельно в модели электротягового привода на основе PMSM. Сначала настройте контроллеры внутреннего контура, а затем настройте контроллер внешнего контура.
Контроллер тока по оси d настроен в диапазоне от 1,0 до 1,2 с.
Контроллер тока по оси q настроен в диапазоне от 1,3 до 1,5 с.
Контроллер скорости настроен между 1,8 и 2,6 с.
После настройки каждого PI-контроллера усиления контроллера обновляются через блок памяти хранилища данных.
В этом примере модель электротягового привода на базе PMSM построена в Simulink. Все три контроллера PI настроены на одно моделирование. Кроме того, характеристики скорости сравниваются до и после настройки контроллеров во время процессов ускорения.
Моделирование модели электротягового привода на основе PMSM обычно занимает несколько минут на компьютере из-за небольшого времени выборки контроллера силовой электроники двигателя.
sim(mdl); save('AutotunedSpeed','SpeedData');
Во время процесса автотюнирования от 1,0 до 2,6 секунд изменения тока и частоты вращения двигателя очень малы. Частота вращения двигателя достигает номинальной 1000 об/мин до начала процесса автотунтирования.
Три контроллера PI настроены на новые коэффициенты усиления.
ПИ-контроллер d-оси имеет коэффициенты усиления P = 0,6332 и I = 331,7.
Q-осевой PI контроллер имеет коэффициенты усиления P = 0,937 и I = 351,1.
Контроллер PI скорости имеет коэффициенты усиления P = 32,35 и I = 1322.
Тот же самый эталон скорости ротора применяется до и после процесса автотунтирования. Постройте график откликов частоты вращения ротора относительно номинальной 1000 об/мин до и после настройки контроллеров. Кривые отклика на скорость выравниваются во времени для сравнения рабочих характеристик контроллера бок о бок.
scdfocpmsmPIDTuningPlotSpeed
После настройки контроллеров отклик скорости PMSM имеет более быстрый отклик переходного процесса во время ускорения.
bdclose(mdl)
Автоматический запуск PID с замкнутым контуром