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新能源汽车MCU快速原型开发试验系统

2022-05-06 10:28:00 8542

一、概述

电动汽车的“三电”是指:电池、电机、电控,“三电”技术是电动汽车的关键技术,也是电动车区别于传统汽车的新技术。内置式永磁同步电机(IPMSM)由于其优良的转矩特性和宽广的调速范围而广泛运用于电动汽车电驱系统,与表贴式永磁同步电机(SPMSM)不同,IPMSM转子具有强烈的凸极效应,因此其控制方式相较表贴式更为复杂。

本系统以内置式永磁同步电机为被控对象,电机控制开发通过MATLAB Simulink搭建控制算法,并提供成熟的工具链实现控制模型仿真、代码自动生成和下载调试。用户可以对被控电机的电流环、速度环、位置环进行全环路控制器设计,可以为弱磁控制和最大转矩电流比(MTPA)控制等控制算法研究,提供快速验证平台,为电机控制软件开发提供非常便利的条件

二、平台特点:

该试验系统用于内置式永磁同步电机(IPMSM)控制系统开发,是一套功能完整的电机控制半实物仿真验证开发系统,具备以下功能:

❉支持RCP快速原型设计,可实现MATLAB/Simulink模型仿真、代码自动生成和下载调试;

❉可实现电机驱动调制方法研究、控制算法研究、自整定技术研究以及无位置传感器控制技术研究及应用等;

❉该系统集成了过压、过流、过温等硬件保护功能和刹车制动功能,以及PWM死区时间设置错误等软件保护功能,确保用户设备安全;

❉该系统由驱动电机和负载电机组成,形成对拖系统,并搭配基座平台;

❉该系统通过扭矩传感器测量驱动电机的扭矩以及转速;

❉该系统将负载功率通过能量回馈模块回馈至电网,将驱动电机制动产生的制动电能通过双向直流电源模块回馈到电网;

❉系统提供测试接口,可进行控制信号的旁路测试,方便连接示波器;

❉基于图形化操作软件,可实现基于模型的仿真测试;

❉可实现在线标定(调参)、观测,数据记录及回放;

❉电机及电机控制器冷却能满足系统全工况使用要求。

三、开发运行流程

本平台提供1Links-RT实时仿真软件包,由五个模块组成:

1)试验管理软件RT-Sim Plus:运行于Windows操作系统,实现仿真全过程管理;

2)I/O模块库RT-Lib:集成于MATLAB Simulink环境中,提供I/O模块的配置;

3)实时代码生成组件RT-Coder:集成于MATLAB Simulink环境中,实现由MATLAB Simulink模型自动生成VxWorks目标代码;

4)目标机实时仿真引擎RT-Engine:运行于VxWorks操作系统之上的仿真引擎,为模型提供实时运行环境;

5)仿真模型软件RT-Demo:基于MATLAB/Simulink搭建的针对PMSMSVPWM控制系统模型,该模型包括编码器采集和转速计算、启动停止和控制保护功能、速度环/电流环的双环PI调节器、永磁电机的弱磁控制算法、ParkClarke坐标变换、相电流采集,以及带死区设置的PWM输出等。实现永磁电机的转速闭环控制以及转速的动态调节控制。

四、实验内容

(1)平台配套实验:提供示例模型和实验手册

❉ 永磁风电机组并网实验

❉ 永磁风电机组离网实验

❉ 永磁风电机组有功功率调节实验

❉ 永磁风电机组转速控制实验

❉ 永磁风电变流器控制参数调节实验

❉ 永磁风电变流器转速-功率控制实验

❉ 永磁变流器SVPWM矢量控制实验

❉ 永磁发电机转速采集与解码实验

❉ 永磁变流器电压电流采样实验

(2)可支持的研究方向:基于本平台,用户自己开发。

❉ 永磁变流器先进控制算法研究

MATLAB永磁风电机组建模研究

❉ 永磁发电机有功/无功控制算法研究

❉ 永磁发电机组最大功率跟踪算法研究

❉ 永磁变流器并网控制算法研究

五、模型示例

仿真模型软件RT-DEMO提供永磁风电控制模型实现有功功率控制、矢量分解、并网离网等功能,特点如下:

❉ 基于Matlab/Simulink搭建的针对PMSMSVPWM控制系统模型,包括算法模型和说明文档,能够实现试验风电机组的功率控制、并离网等功能。

❉ 能够生成代码,下载到快速原型仿真器中。

❉ 提供关键信号原始信号(模数转换值,开关量高低电平,具体见附表)

❉ 整个系统具有自我保护功能,不因客户开发的试验软件缺陷而导致系统部件损坏。

永磁发电机模型根据本项目提供的永磁电机参数,采用Matlab/Simulink建模,实现永磁电机的励磁调节控制。下面给出的示例为通用性模型,仅做参考,不作为具体项目的模型。

    图1 矢量控制框图


图2 永磁同步发电机矢量控制仿真模块.png

    图2 永磁同步发电机矢量控制仿真模块

图2 SVPWM仿真模块.png

   图3 SVPWM仿真模块

SVPWM算法的实现过程主要有根据定子空间电压矢量进行扇区的判断,各个扇区所需的相邻两个基本空间电压矢量与零矢量作用时间的计算以及确定各个扇区开关矢量切换点,最后将得到的调制波与一定频率的三角载波信号进行比较,得到逆变器所需的PWM脉冲信号。

仿真模型通过矢量变换,实现了永磁风电机组的并网、离网和功率控制,具体如下:

通过对发电机定子电流的调节,实现发电机发送电能的实时控制,同时可以实现发电机在不同转速下的恒功率发电。

图 1发电机定子电流.png

图 1发电机定子电流

图2系统有功和无功功率.png

图 2系统有功和无功功率

图3系统转速.png

图3 系统转速