利用Simulink®進行電力電子控制設計

磁場導向控制

磁場導向控制為電感機、永磁同步機(PMSMs)、無刷直流(BLDC)馬達等多種馬達類型提供了每安培的最大扭矩或磁場衰減控制。

以下模塊圖展示了一個磁場導向控制的架構，裡面包含了以下幾個元件：

• 由兩個比例-積分(proportional-integral)控制器組合而成的電流控制器
• 選擇性的外迴路速度控制器及電流參考產生器(current reference generator)
• 克拉克轉換、派克轉換、和逆派克轉換，以在靜止和旋轉同步框架之間進行轉換
• 一個空間向量調變器演算法，將vα和vβ指令轉換為應用於定子繞組的脈寬調變器訊號
• 保護和輔助函式，包含啟動和關閉邏輯
• 如果希望使用無感測器的控制，可透過選擇性的觀測器來估算轉子的角位

馬達控制工程師在設計磁場導向控制時需要執行以下任務：

• 為電流迴圈開發具備兩個PI控制器的控制器架構
• 為選擇性的外部速度和位置迴圈開發PI控制器
• 調整所有PI控制器的增益以滿足性能要求
• 為控制PWM設計一個空間向量調變器
• 在使用無感測器控制時，設計一個觀測器演算法來估算轉子位置以及速度
• 設計每安培的最大扭矩或磁場衰減控制演算法來產生最適id_ref和iq_ref
• 實現具運算效率的派克轉換、克拉克轉換、和逆派克轉換
• 設計故障偵測和保護邏輯
• 驗證和檢驗控制器在不同操作條件下的性能
• 在微控制器或FPGA上實現定點或浮點控制器

使用Simulink來進行磁場導向控制器設計，可幫助你在硬體測試之前使用多速率模擬來設計、調整、及驗證控制演算法，偵測並修正馬達在各種運作條件下發生的錯誤。透過Simulink來模擬，你可以減少原型測試的次數，並且驗證控制演算法面對難以於硬體上進行測試的故障條件的穩健性。你可以：

• 建立各種類型的馬達模型，像是同步和非同步的三相電機。你可以建立不同逼真程度的模型，從簡單的第一原理的一次性(lumped-sum)模型，到藉由ANSYS® Maxwell®和JMAG®等FEA工具匯入來建立的高度逼真、以磁通量為基礎的非線性模型，並在這些模型之間進行切換。
• 建立電流控制器、速度控制器、以及調變器模型。
• 建立反向器電力電子模型。
• 利用波德圖、根軌跡等線性控制設計技巧，以及PID自動調整等技巧來調整控制系統增益。
• 建立啟動、關閉、以及錯誤模式模型，並設計降額及保護邏輯來確保運作安全。
• 設計觀測器演算法來估計轉子位置和速度
• 優化id_ref和iq_ref來確保功耗、超過轉子正常速度的運作情況皆最少，且在參數不確定的條件下也可正常運作。
• 設計I/O通道的訊號調節和處理演算法。
• 執行馬達和控制器的閉合迴路模擬，測試系統在正常和異常操作情境下的性能。
• 自動產生ANSI、ISO或針對處理器優化過的C程式碼及HDL，以進行快速原型化、硬體迴圈測試、與生產實現。