Feldorientierte Regelung

Entwicklung von Algorithmen zur feldorientierten Regelung mithilfe der Simulation

Die feldorientierte Regelung liefert das höchstmögliche Drehmoment pro Ampere oder die Feldschwächung für verschiedene Arten von Motoren, darunter Induktionsmaschinen, Permanenterregten-Synchronmaschinen (PMSMs) und bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren).

Das folgende Blockdiagramm zeigt eine feldorientierte Regelungsarchitektur mit den folgenden Komponenten:

  • Stromregler, der aus zwei Proportional-Integral-Reglern (PI-Reglern) besteht
  • optionaler äußerer Geschwindigkeitsregler und Stromreferenzgenerator
  • Clarke-, Park- und inverse Park-Transformationen zur Umwandlung zwischen stationären und rotierenden Synchronkoordinatensystemen
  • Raumvektor-Modulationsalgorithmus zur Umwandlung von vα- und vβ-Befehlen in Pulsbreiten-Modulationssignale, die auf Statorwicklungen angewendet werden
  • Schutz- und Hilfsfunktionen einschließlich Hochlauf und Abschaltlogiken
  • optionaler Beobachter zur Schätzung der Rotorwinkelposition, falls eine sensorlose Regelung gewünscht ist

Blockdiagramm einer feldorientierten Regelung.

Ingenieure, die eine feldorientierte Motorregelung entwerfen, führen die folgenden Schritte durch:

  • Entwicklung einer Steuerungsarchitektur mit zwei PI-Reglern für den Stromregelkreis
  • Entwicklung von PI-Reglern für die optionalen äußeren Geschwindigkeits- und Positionsregelkreise
  • Optimierung der Verstärkungen aller PI-Regler, um Leistungsanforderungen zu erfüllen
  • Entwurf eines Raumzeigermodulators zur Ansteuerung der Ansteuerung der PWM
  • Entwurf eines Beobachteralgorithmus zur Schätzung der Rotorposition und -geschwindigkeit, falls eine Regelung ohne Sensoren verwendet wird
  • Entwurf von Regelungsalgorithmen für die Ausschöpfung des höchstmögliche Drehmoments pro Ampere oder für die Feldschwächung zur Generierung optimaler Werte für id_ref und iq_ref
  • Implementierung laufzeitoptimierter Park-, Clarke- und inverser Park-Transformationen
  • Entwurf der Logik für Fehlererkennung und -schutz
  • Verifikation und Validierung der Reglerleistung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen
  • Implementierung einer Regelung mit Fest- oder Gleitkomma-Berechnungen auf einem Microcontroller oder einem FPGA

Beim Entwurf einer feldorientierten Regelung mit Simulink® kann man mit Hilfe der Multiraten-Simulation Regelungsalgorithmen entwerfen, optimieren und verifizieren sowie Fehler über den gesamten Betriebsbereich des Motors vor Hardware-Tests erkennen und korrigieren. Mit Simulationen in Simulink lässt sich der Aufwand für Prototypentests reduzieren und die Robustheit von Regelungsalgorithmen gegenüber Fehlerbedingungen überprüfen, für die Hardware-Tests nicht geeignet wären. Man kann:

  • verschiedene Arten von Motoren einschließlich synchroner und asynchroner Drehstrommaschinen modellieren. Sie können Modelle mit verschiedenen Genauigkeitsgraden erstellen und zwischen ihnen wechseln, von einfachen bis hin zu hochgenauen, flussbasierten nichtlinearen Modellen, die durch Import von FEA-Tools wie ANSYS® Maxwell® und JMAG® erstellt werden.
  • Stromregler, Geschwindigkeitsregler und Modulatoren modellieren
  • Leistungselektronik mit Stromrichtern modellieren
  • Regelungsverstärkungen mithilfe von Entwurfstechniken für lineare Regelungssystemen optimieren, beispielsweise mit Bode-Diagrammen sowie Wurzelortskurvensverfahren und Techniken wie der automatisierten PID-Optimierung
  • Hochlauf, Abschaltung und Fehlermodi modellieren sowie Stromreduzierungs- und Schutzlogik entwerfen, um für einen sicheren Betrieb zu sorgen
  • Beobachteralgorithmen zur Schätzung der Rotorposition und -geschwindigkeit entwerfen
  • Die Werte für id_ref und iq_ref optimieren, um minimale Verlustleistungen, einen Betrieb oberhalb der Rotor-Nenndrehzahl sowie einen korrekten Betrieb bei Parameterunsicherheiten sicherzustellen
  • Algorithmen zur Signalaufbereitung und -verarbeitung für die E/A-Kanäle entwerfen
  • geschlossene Simulationen des Motors und der Regelung ausführen, um die Systemleistung in normalen und abnormen Betriebsszenarien zu testen
  • ANSI-, ISO- oder prozessoroptimierten C-Code und HDL-Code für Rapid Prototyping, Hardware-in-the-Loop-Tests und die Serienimplementierung automatisch generieren

Feldorientierte Regelung in Simulink

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