Настройка полевых контроллеров для PMSM с использованием блока Autotuner ПИД с обратной связью

Этот пример использует:

В этом примере показано, как настроить векторный контроллер для тягового привода на основе PMSM только в одной симуляции с использованием блока Closed-Loop PID Autotuner.

Векторное управление

В этом примере векторный контроллер для тягового привода с синхронной машиной на постоянных магнитах (PMSM) моделируется в Simulink ® с использованием Simscape™ компонентов Electrical™. Модель основана на примере Simscape Трехфазный Тяговый привод с PMSM (Simscape Electrical).

mdl = 'scdfocpmsmPIDTuning';
open_system(mdl)

Векторное управление (FOC) управляет трехфазными токами статора как вектором. FOC основан на проекциях, которые преобразуют трехфазную зависящую от времени и скорости систему в двухкоординатную инвариантную по времени систему. Эти преобразования являются Преобразованием Кларка, Преобразованием Парка и их соответствующими обратными преобразованиями. Эти преобразования реализованы как блоки в подсистеме контроллера PMSM.

Преимущества использования FOC для управления двигателями переменного тока включают:

Крутящий момент и поток управляются непосредственно и отдельно
Точное переходное и установившееся управление
Аналогичная эффективность по сравнению с двигателями постоянного тока

Подсистема контроллера PMSM содержит всё три ПИ-контроллеров. Внешний контур ПИ-контроллера регулирует скорость двигателя. Два внутренних контура ПИ-контроллеров управлять токами по оси D и Q отдельно. Команда от ПИ-контроллера внешнего контура непосредственно подается на ось Q, чтобы управлять крутящим моментом. Команда для оси d равна нулю для PMSM, потому что поток ротора фиксирован постоянными магнитами для этого типа электродвигателя переменного тока.

Существующие ПИ-контроллеры имеют следующие усиления:

Скорость ПИ-контроллера имеет коэффициент усиления P = 20 и I = 500.
D-составляющая ПИ-контроллера имеет коэффициент усиления P = 0,8779 и I = 710,3.
Q-составляющая ПИ-контроллера имеет коэффициент усиления P = 1.0744 и I = 1061,5.

Усиления контроллера хранятся в блоке памяти хранилища данных и предоставляются извне каждому блоку ПИД. Когда процесс настройки для контроллера завершен, новые настроенные усиления записываются в блок Data Store Memory. Это строение позволяет вам обновить усиления контроллера в реальном времени во время симуляции.

Блок замкнутой системы ПИД Autotuner

Блок Closed-Loop ПИД Autotuner позволяет настраивать по одному ПИД-регулятору за раз. Он вводит синусоидальные сигналы возмущения на входе объекта и измеряет выход объекта во время эксперимента с обратной связью. Когда эксперимент прекращается, блок вычисляет коэффициенты ПИД на основе частотных характеристик объекта, оцененных в небольшом числе точек вблизи желаемой полосы пропускания. Для этой модели тягового привода на основе PMSM может использоваться блок Closed-Loop ПИД Autotuner для каждого из трёх ПИ-контроллеров.

Этот рабочий процесс применяется, когда у вас есть начальные контроллеры, которые вы хотите вернуть с помощью блока Closed-Loop PID Autotuner. Преимущества этого подхода заключаются в следующем:

Если в ходе эксперимента возникнет неожиданное нарушение порядка, это будет отклонено существующими контроллерами для обеспечения безопасной операции.
Существующие контроллеры будут поддерживать работу объекта вблизи номинальной рабочей точки путем подавления сигналов возмущения.

При использовании блока Closed-Loop PID Autotuner как для симуляций, так и для приложений реального времени:

Этот объект должен быть либо асимптотически стабильным (все полюсы строго стабильны), либо интегрированным. Блок autotuner не работает с нестабильным объектом.
Цикл обратной связи с существующим контроллером должен быть стабильным.
Чтобы более точно оценить частотные характеристики объекта в реальном времени, минимизируйте вхождение любых нарушений порядка в модели тягового привода на основе PMSM во время эксперимента. Блок autotuner ожидает, что выход объекта управления будет ответом только на введенные сигналы возмущения.
Поскольку цикл обратной связи закрыт во время эксперимента, существующий контроллер также подавляет введенные сигналы возмущения. Преимущество использования эксперимента с обратной связью состоит в том, что контроллер удерживает объект рядом с номинальной рабочей точкой и поддерживает безопасную операцию. Недостатком является то, что это снижает точность оценки частотной характеристики, если ваша целевая полоса пропускания находится далеко от текущей полосы пропускания.

Соедините Autotuner с объектом и контроллером

Вставьте блок Closed-Loop ПИД Autotuner между блоком ПИД и объектом для всего трёх ПИ-контроллеров, как показано на модели тягового привода на основе PMSM. The start/stop сигнал запускается и останавливает эксперимент с обратной связью. Когда ни один эксперимент не выполняется, блок Closed-Loop PID Autotuner ведет себя как блок усиления единства, куда $u$ сигнал непосредственно переходит. $u + \Delta u$

Чтобы просмотреть измененную структуру управления внешним контуром, откройте подсистему управления внешним контуром в подсистеме контроллера PMSM.

controlSubsystem = [mdl '/PMSM controller'];
open_system([controlSubsystem '/Outer loop control'])

Просмотрите измененные токовые контроллеры в Подсистеме управления внутренним циклом.

open_system([controlSubsystem '/Inner loop control'])

Сконфигурируйте блок Autotuner

После соединения блока Closed-Loop PID Autotuner с моделью объекта управления и блоком ПИД, настройте настройку и экспериментируйте.

На вкладке Tuning есть две основные настройки настройки:

Целевая полоса пропускания - определяет, насколько быстро вы хотите, чтобы контроллер ответил. В этом примере выберите 300 рад/с для контроля скорости, 2500 рад/с для управления током по оси D и 2200 рад/с для управления током по оси Q.

Целевой запас по фазе - определяет, насколько устойчивым вы хотите, чтобы контроллер был. В этом примере выберите 60 степени для регулирования тока внутри контура и 70 степени для управления внешним контуром.

На вкладке Эксперимент существуют три основные настройки эксперимента:

Тип объекта - определяет, является ли объект асимптотически стабильным или интегрирующимся. В этом примере модель тягового привода на основе PMSM является стабильной.
Знак объекта - определяет, имеет ли объект положительный или отрицательный знак. Знак объекта управления положительный, если положительное изменение входного параметра объекта входа в номинальной рабочей точке приводит к положительному изменению выхода объекта управления, когда объект достигает нового устойчивого состояния. В противном случае знак объекта отрицателен. Если объект является стабильным, знак объекта эквивалентен признаку усиления постоянного тока. Если объект интегрируется, знак завода положителен (или отрицателен), если выход объекта продолжает увеличиваться (или уменьшаться). В этом примере модель тягового привода на основе PMSM имеет положительный знак объекта.
Амплитуды синуса - задает амплитуды вводимых синусоид. В этом примере выберите 5 для контроллеров и 5 внутреннего контура для контроллера, чтобы убедиться, что объект правильно возбужден в пределах предела насыщения. Если амплитуда возбуждения слишком велика или слишком мала, это приведет к неточным результатам оценки частотной характеристики.

Настройка каскадной обратной связи Циклов

Поскольку блок Closed-Loop ПИД Autotuner настраивает только одно ПИ-контроллер за раз, три контроллера должны быть настроены отдельно в модели тягового привода на основе PMSM. Сначала настройте контроллеры внутреннего контура, а затем настройте контроллер внешнего контура.

Токовый контроллер оси d настраивается между 1,0 и 1,2 с.
Токовый контроллер q-составляющей настраивается между 1,3 и 1,5 с.
Контроллер скорости настраивается между 1,8 и 2,6 с.

После настройки каждого ПИ-контроллера коэффициент усиления контроллера обновляется через блок Данных Store Памяти.

Симуляция блока Autotuner в режиме Normal Mode

В этом примере модель тягового привода на основе PMSM построена в Simulink. Всё три ПИ-контроллеров настроены в одной симуляции. В сложение отклики скорости сравниваются до и после настройки контроллеров в процессах ускорения.

Симуляция модели тягового привода на основе PMSM обычно занимает несколько минут на вашем компьютере из-за небольшого шага расчета степени электроники двигателя.

sim(mdl);
save('AutotunedSpeed','SpeedData');

В процессе автотунирования от 1,0 до 2,6 секунд изменения тока и скорости мотора очень малы. Скорость двигателя достигает номинальной 1000 об/мин перед началом процесса автотунирования.

Три ПИ-контроллеров настроены с новыми усилениями.

D-составляющая ПИ-контроллера имеет коэффициент усиления P = 0,6332 и I = 331,7.
Q-составляющая ПИ-контроллера имеет коэффициент усиления P = 0,937 и I = 351,1.
Скорость, ПИ-контроллер имеет усиления P = 32,35 и I = 1322.

Та же ссылка по скорости ротора применяется до и после процесса автотунирования. Постройте график характеристик скорости ротора относительно номинального 1000 об/мин до и после настройки контроллеров. Кривые характеристики скорости выравниваются по времени, чтобы сравнить характеристики контроллера один за другим.

scdfocpmsmPIDTuningPlotSpeed

После настройки контроллеров реакция скорости PMSM имеет более быстрый переходный процесс во время ускорения.

bdclose(mdl)

См. также

Closed-Loop PID Autotuner

Документация