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, permanenterregte Synchronmaschinen (PMSMs) und bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren).

Das untenstehende 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 Aufgaben durch:

  • Entwicklung einer Rgelungsarchitektur 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 PWM-Steuerung
  • Entwurf eines Beobachteralgorithmus zur Schätzung der Rotorposition und -geschwindigkeit, falls eine Regelung ohne Sensoren verwendet wird
  • Entwurf von Regelungsalgorithmen für die Ausschöpfung des Drehmoments pro Ampere oder für die Feldschwächung zur Generierung optimaler Werte für id_ref und iq_ref
  • Implementierung recheneffizienter Park-, Clarke- und inverser Park-Transformationen
  • Entwurf der Logik für Fehlererkennung und -absicherung
  • Verifikation und Validierung der Reglerleistung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen
  • Implementierung einer Regelung mit Fest- oder Gleitkomma-Darstellung auf einem Microcontroller oder einem FPGA

Beim Entwurf einer feldorientierten Regelung mit Simulink® können Sie eine Multiraten-Simulation verwenden, um Regelungsalgorithmen zu entwerfen, zu optimieren und zu verifizieren und um Fehler im gesamten Betriebsbereich des Motors zu erkennen und zu korrigieren, bevor Sie mit Hardware-Tests beginnen. Dank der Simulation mit Simulink können Sie den Umfang Ihrer Prototypentests reduzieren und die Robustheit von Regelungsalgorithmen gegenüber Fehlerbedingungen verifizieren, für die Hardware-Tests nicht praktikabel wären. Sie können:

  • verschiedene Arten von Motoren einschließlich synchroner und asynchroner Drehstrommaschinen modellieren. Sie können Modelle in 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 und Wurzelortskurvenverfahren 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 I/O-Kanäle entwerfen
  • geschlossene Simulationen des Motors und der Regelung ausführen, um die Systemleistung in normalen und abnormen Betriebsszenarien zu testen
  • Automatische Generierung von ANSI-, ISO- oder prozessoroptimiertem C-Code und HDL-Code für Rapid Prototyping, Hardware-in-the-Loop-Tests und die Implementierung in der Produktion.

Feldorientierte Regelung mit Simulink

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