换向逻辑建模|如何使用Simscape Electrical设计电机控制器，第3部分

Melda Ulusoy，数学工程

在本视频中，您将学习如何建模换向逻辑，并构建反馈控制回路，以使用Simscape Electrical™控制BLDC电机的速度。

结账这个视频了解有关无刷直流电机控制和这段Tech Talk视频了解BLDC速度控制算法的不同组件（如换向逻辑、传感器和三相逆变器）的工作原理。

发布时间：2019年12月10日

在前面的视频中，我们模拟了一个三相逆变器，该逆变器将直流电源转换为三相电流，以控制BLDC电机。三相逆变器的输入是一种开关模式，用于控制电机相对的接通和断开状态。在之前的视频中，我们使用静态开关模式为相位a和C通电，并观察到转子与定子磁场成30度对齐。在本视频中，我们将向该模型添加换向逻辑，以动态改变转子连续旋转的开关模式。

正如我们在第二个Tech Talk视频中所讨论的，我们需要一个霍尔效应传感器来确定转子所在的扇区。换流逻辑随后使用当前扇区来选择相应的开关模式。让我们从霍尔效应传感器建模开始。在实践中，霍尔效应传感器感应每个相位周围的磁场，以确定当前扇区。然而，出于模拟目的，我们假设我们知道角转子位置，我们将从中计算扇区。霍尔效应传感器模型的逻辑如下：如果转子在0到60度之间，则表示转子位于第一扇区，因此我们应输出1。同样，还有五种情况，直到我们完成转子的完全旋转。

让我们把这个表放在这里，并尝试在Simulink中对相同的逻辑进行建模。角位置θ总是在0到360度之间，这意味着在转子每次完全旋转后，我们应该将θ重置为0度。我们可以通过使用Math function块中可用的余数函数来实现这一点。我们将θ和360的常数值输入到这个块中，然后它将返回θ除以360度的余数。我们还将在此处插入一个增益块，并输入极对数p，在我们的示例中是1，并且已经在MATLAB工作区中定义。这样我们就可以用电角度表示转子位置。现在我们已经准备好研究这个逻辑了。

对于每种情况，我们都需要检查两个条件。为了实现第一个检查，我们添加了一个常量块，并将其设置为0。然后，我们抓取一个关系运算符块，并选择要用于将θ与0进行比较的正确运算符。同样，我们对第二个条件进行建模。当这两个条件都满足时，我们希望将扇区设置为1。我们可以通过使用AND门以及表示扇区数的增益来实现这一点。注意，逻辑运算符输出一个布尔值，我们需要将其转换为与增益相同的数据类型。我们可以使用数据类型转换块来实现这一点，该块接受布尔值并将其转换为从增益块继承的数据类型。

根据此逻辑，当两个条件都满足时，AND运算符将返回1，扇区将设置为1。如果其中一个或两个条件都不满足，输出将为0，因为这意味着转子位于另一个扇区。

要实现其余条件，我们可以简单地复制并粘贴这一部分，然后如图所示调整值。现在，结果值的总和将给出扇区编号。注意，每次只有一个输出为正，其余输出为0。让我们选择这个部分并创建一个子系统，我们将其称为传感器。

现在我们已经完成了扇区的计算，我们可以用它来建模交换逻辑。正如我们在第二个Tech Talk视频中所讨论的，换向逻辑基本上就像一个包含所有可能的开关模式的表格，并以正确的顺序输出它们，以便根据扇区信息正确旋转转子。

这里我们有第一个切换模式。让我们将其断开，并添加图片中看到的其余切换模式。为了根据扇区选择图案，我们将使用开关。为此，我们使用Multiport Switch块。我们需要六个输入，这些输入与我们刚刚创建的开关模式相连接。第一个输入是通过告诉它选择什么模式来控制这个开关，所以这里我们需要连接扇区。让我们选择所有这些并创建一个子系统，我们可以称之为“交换逻辑”。这样，我们在电机周围闭合了一个回路，使我们能够根据我们使用霍尔效应传感器确定的扇区为正确的相位通电，以实现连续旋转。

现在，我们将记录切换模式以及“Theta”。我们将使用上一视频中的相同脚本，该脚本使用记录的信号来动画模拟结果。我们首先运行模拟，然后通过在命令行中键入脚本名称来调用脚本。我们看到一切都在按预期进行。这意味着我们正确地计算了扇区，并在此基础上，交换逻辑选择了正确的开关模式。现在我们正在控制我们的马达，但只能以恒定的速度，如图所示。因为电源电压是恒定的。为了能够以不同的速度运行电机，我们需要一个反馈控制器来调整三相逆变器的供电电压。为了建立这个控制回路，我们首先需要计算期望速度和测量速度之间的误差，然后将其输入控制器以调整电压水平。我们测量传感器块下的速度。让我们首先用输出块输出测得的速度。我们将其与期望速度进行比较，我们可以使用从0到900 RPM逐渐变化的重复序列进行建模。我们插入一个Sum块来计算期望速度和测量速度之间的误差，然后将其输入PID控制器。对于速度控制，我们选择使用离散PI控制器。当我之前调整了增益，并且已经知道哪些值适合我的系统时，我将在此处输入它们。接下来，我们添加一个单位延迟，以防止在此模型中可能出现任何代数循环。现在，我们需要将控制器计算出的电压输入三相逆变器。因此，我们移除电流电压源，并将其替换为理想电压源，该理想电压源可提供所需的电压，而与通过它的电流无关。