Simulink永磁同步电机控制仿真:单电阻采样时序及具体实现

前言:在对产品体积及成本有较高要求时,单电阻电流采样方案foc进入我们的视野。理论上,单电阻电流采样方案可以实现和二电阻、三电阻电流采样同样的效果,唯一美中不足的是,单电阻电流采样方案没办法实现高调制比,不过这并不影响单电阻电流采样方案的广泛应用。本文从单电阻电流采样原理出发,深入分析相关理论及时序,并通过simulink仿真实现相关算法。

文末提供仿真文件的下载链接

1、单电阻采样原理

母线电流能够反映三相电流。

三相电桥示意图如下,电流采样电阻放在母线负端,电路工作在逆变工况时,可以将电路工作状态分为如下四种状态。

  1. 三个下桥导通,没有上桥导通
  2. 二个下桥导通,一个上桥导通
  3. 一个下桥导通,二个上桥导通
  4. 没有下桥导通,三个上桥导通

其中电路工作在状态1、状态4时,没有电流流过采样电阻。
在这里插入图片描述
工作在状态2时,如上图,采样到的电流均流经U相上桥,此时的母线电流等于U相相电流。
在这里插入图片描述
作在状态3时,如上图,采样到的电流为流经U相上桥、V相上桥的电流之和,由基尔霍夫定律,Iu + Iv + Iw = 0; 可得此时的母线电流等于负的W相相电流。
在这里插入图片描述
工作在状态3时,如上图,采样到的电流为流经U相上桥、V相上桥的电流之和,由基尔霍夫定律,Iu + Iv + Iw = 0; 可得此时的母线电流等于负的W相相电流。
当三相电流中的两相电流能够采样得到后,第三相波形可以通过基尔霍夫定律重构。
在这里插入图片描述

对开关状态的划分可以再详细一点,整理所有上下桥开关状态下,母线电流与相电流的关系。参照上表(表格来自microchip应用笔记AN1299,文末给出下载方式)

2、单电阻采样时序

2.1、样时序单电阻采

上文分析了单电阻采样的原理,以下内容讨论如何协同采样时刻和foc计算。
在这里插入图片描述

  • 选择第一个采样点为每一个pwm周期导通时间最短的一相上桥关闭后延时若干个时钟(大于下桥臂导通延时)后的时刻。上图figure2中黄色信号时刻。

  • 选择第二个采样点为每一个pwm周期导通时间第二短的一相上桥关闭后延时若干个时钟(大于下桥臂导通延时)后的时刻。上图figure2中红色信号时刻。

上图中figure1为三相上桥驱动波形,figure2为触发采样信号,每个pwm周期中前两个有效,figure3为母线电流信号,figure4为pwm计数器信号。

电流采样在每个pwm周期中,计数方向为向上计数的半个周期进行,计数到周期值后触发pwm更新事件中断,执行foc计算,电流采样中断优先级高于pwm更新时间中断。

考虑到实际adc采样需要一定的时间,三相pwm占空比中其中两相占空比非常接近时(有效导通时间过小),将导致采样失败,此时需要通过补偿来增加有效导通时间

2.2、补偿最小采样时间

在这里插入图片描述
如上图figure2,在svpwm扇区切换的时候,两相占空比几乎一样,有效导通时间小于单片机adc采样时间,此时必须补偿导通时间。

此处的补偿其实容易理解,我们的电流采样总是在pwm计数器上计数的时候触发,要保证采样时有足够的采样时间,只需要当两相占空比非常接近时,把占空比较大的一相加大即可,同时为了保证电压矢量大小不变,在pwm计数器下记数时,减去之前增加的时间。

实现方法为在pwm计数器计数到0和周期值时都触发pwm事件更新中断,当中断为下溢中断时,判断三相占空比之差,相差过近则增加占空比,并置标志位,上溢中断时判断标志位,标志位有效则减小相关相占空比。
在这里插入图片描述
补偿后波形如上图。其中figure1为三相上桥驱动波形,figure2为三相占空比大小。

2.3、系统时序

完成实现过程分析后,我将单电阻电流采样foc分为以下4个模块

  1. 电流采样模块
  2. 电流重构模块
  3. foc计算模块
  4. 移相补偿模块
    在这里插入图片描述

4个模块时序关系如上图,其中:

  1. figure1为pwm计数器;
  2. figure2黄蓝红波形为三相电流采样触发信号,绿色波形为电流重构模块执行时刻;
  3. figure3为foc计算模块执行时刻;
  4. figure4为移相补偿模块执行时刻。
    在这里插入图片描述

放大波形如上。

  1. pwm计数器下溢时刻判断占空比大小,有需要的话进行补偿;
  2. pwm计数器上计数过程中完成两相电流采样;
  3. pwm上溢时刻进行电流重构,得到三相电流;
  4. 得到三相电流后执行foc计算;
  5. 完成foc计算后再次更新占空比,消除移相补偿造成的电压矢量误差。

3、单电阻采样具体实现

根据上述分析做出simulink仿真。在这里插入图片描述
仿真中各个模块都尽量使用matlab程序实现,易于阅读,文末给出仿真模型的下载方式。在这里插入图片描述
运行仿真,观查相间采样电流(上)和单电阻采样电流(下)结果,可见波形基本一样,美中不足的是单电阻采样电路在扇区切换时,因为采样点相对pwm周期的时刻发生变化,能看出受纹波电流的影响,单电阻采样电流存在畸变。在这里插入图片描述
使用单电阻采样电流替换相间采样电流,引入环路,环路运行正常,与使用相间采样电流运行结果一致

小结

本文分析单电阻采样的原理及采样时序,通过simulink仿真实现了单电阻采样算法,仿真的设计花费了大量的时间,希望能够对各位读者的设计起到帮助

仿真下载方式,关注微信订阅号:深入浅出说电机 回复DDZDLCYFZ获取下载地址。

或通过单电阻采样时序及具体实现仿真资源 下载。

### Simulink时序设置及原理 #### 一、Simulink 的基本时序机制 Simulink 是一种用于动态系统建模和仿真的工具,在此环境中,时序管理至关重要。Simulink 使用离散时间和连续时间两种模式来模拟系统的运行情况[^1]。 对于离散时间系统而言,用户可以指定固定的步长来进行仿真更新;而对于混合信号系统,则需同时考虑这两种模式下的交互影响。在构建永磁同步电机(PMSM)控制系统时,尤其是采用磁场定向控制(FOC),精确的时间管理和事件调度显得尤为重要。 #### 二、FOC 控制中的时序安排 当涉及到 FOC 实现时,整个过程被细分为多个阶段,每个阶段都需要严格按照预定顺序执行: - **PWM 定时器初始化**:创建 PWM 波形所需的周期性和占空比配置。 - **电流采样与转换**:利用 ADC 对定子绕组上的瞬态电压进行测量并完成相应的坐标变换操作(如 Clarke 和 Park 变换),从而获取转子位置信息以便后续调节励磁强度。 - **控制器运算**:基于反馈回来的实际状态量调整 PI 调节器输出值以维持期望性能指标不变。 上述各环节均依赖于定时中断服务程序(ISR) 来确保动作发生在恰当时刻,并且所有这些活动都应尽可能贴近实际硬件工作方式——即遵循单片机内部计数溢出触发规则。 #### 三、具体实现方法 为了更好地理解和应用这一理念,可以通过 MATLAB Function 模块编写自定义函数来代替内置组件,进而获得更高的灵活性。例如,在 SVPWM 调制过程中,可以根据当前相位角计算三个半桥驱动信号的最佳组合形式;而在坐标变化部分则负责将静止参照系下测得的数据映射到旋转坐标系内表示出来。 此外,针对某些特殊应用场景还可以引入额外的功能模块,比如自动校准 PID 参数或是支持多种输入单位之间的无缝切换等特性,进一步增强了整体方案的实用性价值。 ```matlab function y = fcn(u) % 自定义功能示例代码片段 persistent lastTime; if isempty(lastTime), lastTime = 0; end; currentTime = u(1); % 假设第一个输入为当前时间戳 samplePeriod = 0.001; % 设定固定采样间隔 (ms) if currentTime >= lastTime + samplePeriod % 执行一次完整的Foc循环... lastTime = floor(currentTime / samplePeriod) * samplePeriod; end ``` #### 四、单电阻采样时序考量 值得注意的是,在涉及传感器数据采集方面同样存在严格的时机约束条件。特别是在仅依靠单一元件完成多通道监测任务的情况下,如何合理规划读取序列就成为了决定最终效果好坏的关键因素之一。为此,研究者们提出了若干优化策略,旨在减少噪声干扰的同时提高信噪比(SNR)[^2]。 ---
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