STM32 Simulink 自动代码生成电机控制——57次谐波抑制仿真到代码生成

本文探讨了电机谐波产生的原因,包括电机本体和逆变器方面的因素,并详细分析了谐波对电机运行的影响。提出了通过谐波提取和注入的补偿算法来抑制高次谐波,结合仿真和实机演示验证了该方法在中高速段的有效性。同时指出,对于低速大负载情况,可能需要额外的死区补偿。总结中提到,谐波补偿算法能提升电机控制性能,但并非所有情况都必需,具体应用需视电机设计和性能而定。

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目录

谐波产生的原因

谐波抑制的方法

生成代码实机演示

总结


谐波产生的原因

造成电机电流谐波因素主要有两方面原因:
1)电机本体方面,如齿槽效应、绕组分布形式、磁路磁饱和效应、转子磁极结构等引起的电机气隙磁场畸变;

2)逆变器方面,如开关器件的死区时间、管压降等非线性特性

在 PMSM 稳态运行中,因气隙磁场畸变、逆变器管压降和死区时间等因素,导致电机电流波形畸
变,使其含有 5、7、11、13 次等一系列谐波分量。这些谐波电流分量,会导致电机转矩脉动,其中 5、7 次谐波电流分量对电机运行影响较大,会导致电机电磁转矩产生 6 次脉动. 如下图,有些电机因为结构等问题,FOC控制后电流不正弦,比如用一个方波电机跑FOC,就会出现磁场畸变情况,波形类似下图

图1. 电机运行时其中一相的相电流波形

还有由于死区时间造成的相电流不正弦,零电流钳位等现像,如下图实测的死区时间造成的电流波形不正弦

图2. 死区时间引起的相电流不正弦的波形

 以上都会产生高次谐波,引起转矩脉动,这里通过实验和理论分析发现,通过抑制57次谐波可以在中高速在一定程度上起到死区补尝的效果,但是低速大负载死区效应还是很明显,这个就需要进行死区补偿。

谐波抑制的方法

1. 引起谐波的原因既然是电机本体,那就优化电机的设计,提高正弦度

2. 死区效应和开关管的时间,那就加死区补偿。

但是如果电机设计好了,已经是一个定型的电机,没办法优化电机,那就需要增加谐波抑制算法

这里通过谐波提取和注入的方式去抑制高次谐波. 仿真通过step时间触发谐波补偿模块,方便对比补偿前后的电流波形变化,生成代码只需要注释掉step模块,连接上Harmonic_Com_Enable就可以了。

 图3. 谐波补偿算法模块

仿真效果如图:

  图4. 补偿前后仿真效果

生成代码实机演示

在电机开始运行,通过Keil使能谐波补偿函数,运行效果如下

                                 图5. 生成代码后在电机上的运行效果                                

总结

个人觉得谐波补偿算法可以在一定程度上提升电机控制的性能,但是也不是必需要加的,比如说电机的正弦度很好,只需要加死区补偿即可。

模型链接:https://item.taobao.com/item.htm?id=710610872867&spm=a1z10.1-c.w4004-13354255027.15.41292a1f58UIQV​​​​​​​

<think>好的,用户想了解如何实现自动代码生成SVPWM。首先,我需要回忆一下SVPWM的基本原理和步骤。根据引用[3],SVPWM涉及电压空间矢量的合成、扇区判断、时间计算和脉冲生成。自动生成代码的话,应该需要将这些步骤转化为算法,然后用工具生成代码。 用户可能已经知道SVPWM的理论,但需要具体的实现方法,尤其是自动生成代码的部分。自动代码生成通常涉及模型设计、算法实现和代码生成工具。MATLAB/Simulink可能是一个常用工具,因为它有代码生成功能。比如,使用Simulink搭建SVPWM模型,然后通过Embedded Coder生成C代码。这应该是关键步骤之一。 另外,引用[4]提到坐标变换和SVPWM在三相步进电机控制中的应用,可能用户的应用场景是电机控制,比如电动汽车或工业自动化。所以生成的代码可能需要适配特定的硬件,如DSP或STM32。需要考虑硬件平台的兼容性。 然后,自动生成的步骤可能需要先数学建模,比如参考电压矢量的计算,扇区判断的算法,以及占空比的计算。这部分需要确保数学模型正确,才能生成正确的代码。例如,扇区判断可能涉及角度计算,而时间计算可能涉及空间矢量作用时间的公式。 还要考虑验证步骤,比如仿真验证和硬件在环测试,确保生成的代码在实际硬件上运行正确。用户可能关心如何测试和优化生成的代码,所以需要提到这些步骤。 可能的问题包括如何选择代码生成工具,如何处理不同硬件平台的适配,以及如何优化代码效率。需要确保生成的代码实时性高,资源占用少,这对电机控制应用很重要。 总结一下,回答的结构应该包括数学建模、工具选择、代码生成步骤、硬件适配和验证测试。同时,生成相关问题,帮助用户深入理解,比如工具比较、优化方法或常见问题。</think>### 自动代码生成SVPWM的实现方法 #### 一、数学建模与算法步骤 1. **电压空间矢量合成** 根据三相逆变器的8种开关状态(6个非零矢量+2个零矢量),建立电压矢量坐标系。参考电压矢量$V_{ref}$的合成公式为: $$V_{ref} = \frac{T_1}{T_s} V_1 + \frac{T_2}{T_s} V_2 + \frac{T_0}{T_s} V_0$$ 其中$T_1$、$T_2$为相邻矢量作用时间,$T_0$为零矢量时间,$T_s$为PWM周期[^3]。 2. **扇区判断** 通过$V_\alpha$和$V_\beta$分量计算角度$\theta$,再根据$\theta$将参考矢量映射到6个扇区中的一个。判断公式为: $$Sector = \lfloor \frac{\theta}{60^\circ} \rfloor + 1$$ 3. **作用时间计算** 使用空间矢量作用时间公式(以扇区1为例): $$ T_1 = \frac{\sqrt{3} T_s}{V_{dc}} (V_\beta \cos \theta - V_\alpha \sin \theta) \\ T_2 = \frac{\sqrt{3} T_s}{V_{dc}} V_\beta $$ 其中$V_{dc}$为直流母线电压[^3]。 #### 二、自动代码生成流程 1. **工具选择** - **MATLAB/Simulink + Embedded Coder**:通过Simulink搭建SVPWM模型(见图1),自动生成C代码。 - **Python + MyHDL**:基于硬件描述语言生成FPGA/CPLD代码。 - **TI C2000 DSP的CLARKE/PARK库**:直接调用厂商提供的SVPWM算法库。 2. **模型搭建示例(Simulink)** ```m % 模型核心模块 function [Sector, T1, T2] = SVPWM_Algorithm(V_alpha, V_beta) theta = atan2(V_beta, V_alpha); Sector = floor(theta/(pi/3)) + 1; % 时间计算模块(省略具体公式) end ``` 3. **代码生成配置** - 设置目标硬件(STM32/DSP) - 配置PWM频率(通常10-20kHz) - 优化内存占用(启用定点数运算) #### 三、硬件适配与验证 1. **硬件接口映射** | 信号类型 | 硬件引脚 | 功能描述 | |----------------|-----------------|--------------------| | PWM_UH | GPIO_PA8 | 上桥臂U相驱动 | | ADC_Vdc | ADC_IN0 | 直流母线电压采样 | 2. **验证方法** - **仿真验证**:在PLECS/PSIM中验证电压波形谐波含量(THD<5%) - **硬件在环测试**:使用dSPACE验证代码实时性(中断响应时间<1μs) #### 四、典型应用场景 1. 永磁同步电机FOC控制(电动汽车驱动) 2. 光伏逆变器的并网控制 3. 工业机器人伺服系统[^3] ```c // 自动生成的C代码片段(STM32 HAL库) void SVPWM_Update(float V_alpha, float V_beta) { int sector = Calculate_Sector(V_alpha, V_beta); float T1, T2, T0 = Calculate_Time(sector, V_alpha, V_beta); TIM1->CCR1 = (uint16_t)(T1 * PWM_PERIOD); TIM1->CCR2 = (uint16_t)(T2 * PWM_PERIOD); } ```
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