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针对马达控制系统的设计及验证建立高逼真的模型-钛思科技.pdf

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针对马达控制系统的设计及验证建立高逼真的模型-钛思科技

針對馬達控制系統的設計及驗證建立高逼真的模型 文/ Brad Hieb, MathWorks 譯/ 鈦思科技 精確的受控體模型 (plant model) 是使用模型化基礎設計開發控制系統的關鍵。經由建構良好的受控體模 型,開發人員能有效驗證控制系統的功能、進行模型閉鎖迴圈測試(MIL test, closed-loop model-in-the-loop tests) 、透過模擬調校增益、最佳化設計,並進行假設分析(what-if) ;而這些測試及模擬,都是在現實受控 體上執行有困難、或是具有較高風險的驗證測試 。 儘管有這些優點,開發人員有時仍然不大樂意花費時間及資源去建立和驗證受控體模型。他們的顧慮包含 了 :不知道得花多少時間去進行模擬、過程中需要多深入的相關知識 、以及需要哪一種設備來擷取硬體測 試數據去建立及驗證模型。 ® ® 因此,本文將透過案例,去說明開發人員能如何使用MATLA 、Simulink 以及幾種常見的實驗室器材,來 建立一個永磁同步馬達 (PMSM) 受控體模型的工作流程。工作流程將包含以下步驟: 1. 執行測試 2. 從測試數據界定模型參數 3. 透過模擬來驗證參數 我們使用受控體模型來建立並調校PMSM 封閉迴路的控制系統模型。在模擬過程中,我們使用控制器模型 來執行步階反應(step response)及滑行測試(coast-down) ;並透過xPC Target™ turnkey 即時套裝測試系 統將其模擬結果執行在硬體上。由結果發現,模擬結果與硬體測試結果是非常近似的,主要訊號諸如轉子 速度(rotor velocity)與馬達之相電流其正規化均方根誤差(NRMSD)皆小於2% (圖1) 。 圖1. 轉子速度(左)之硬體測試(紅) 與模擬(藍) 的比較,以及相電流(右) 之硬體測試(紅) 與模擬(藍) 的比較 受控體模型及其參數 透過 Simulink SimPowerSystems™建立的PMSM 受控體模型包含了馬達及一個負載,在本例為一壓克力 碟盤。本模型以九個參數去定義其動作,其中一個參數(碟盤慣量)與負載有關,而其餘八個參數則與馬達 相關。(圖2) 圖2. 永磁同步馬達(PMSM)之Simulink 模型 我們進行了五組測試去檢定這些參數,包含雙線擺測試(bifilar pendulum test) 、反動電勢測試(back EMF test) 、摩擦測試、滑行測試以及直流電壓步階測試(DC voltage step test) (表 1) 。在這篇文章中,我們將聚 焦於滑行測試以及直流電壓步階測試。這些測試將於參數識別上 ,逐步地展示更精細的方法,並且說明如 何分別透過曲線擬合(curve fitting)以及參數估計以擷取參數值。 測試 參數識別 識別方法 雙線擺測試 碟盤慣量(Hd) 計算 反動電勢測試 馬達極數(P) 計算 磁鏈常數 (Apm) 轉矩常數(Kt) 磨擦測試 黏性阻尼係數(b) 曲線擬合 庫侖摩擦(J0) 滑行測試 轉子慣量 (H) 曲線擬合 直流電壓步階測試 電阻(R) 參數估計 電感(L) 表 1. 模型參數及測得方法 針對每一項測試,我們將說明測試設定並解釋我們如何進行測試、取得數據、擷取參數值並且驗證它。 經由滑行測試計算轉子慣量 為了計算轉子慣量(H ),我們旋轉轉子達到初始速度(ωr0 ),於轉子滑行至停止的這段期間,測量其旋 轉速度(ω) ,並藉由測量之數據,轉子慣量便可透過曲線擬合方程式得出。 此微分方程式 (1) 說明了馬

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