CC BY
62
Моделирование алгоритма управления двигателем для микроконтроллера STM32 с использованием метода модельно-ориентированного проектирования
П.С. Зубков, Н.А. Кулаев, В.Ю. Артамонов, Н.В. Дубов Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва, Саранск
Аннотация: В данной работе рассмотрены этапы моделирования алгоритма управления состояниями синхронного двигателя с постоянными магнитами. В его основу заложен принцип векторного частотно-токового регулирования. Модель управления создана в пакете Matlab/Simulink, подсистемы которой описаны, и приведена классификация сигналов для микроконтроллера STM32. На последнем этапе промоделированы и визуализированы входные/выходные сигналы системы при разных исходных значениях скорости и тока инвертора, на основании которых сделан вывод о работоспособности модели для её дальнейшей генерации как С-кода и интеграции в микроконтроллер. Ключевые слова: Модельно-ориентированное проектирование, Matlab/Simulink, STM32, синхронный двигатель с постоянными магнитами, векторное управление.
Метод модельно-ориентированного проектирования подразумевает использование графических инструментов Matlab/Simulink для моделирования и отладки системы управления, например, блок-схемы и конечные автоматы. Блок-схемы избавляют от необходимости формирования дифференциальных уравнений, а конечные автоматы - способ справиться с операторами ветвления [1].
Алгоритм управления - это набор инструкций, которые выполняются в зависимости от входных показаний и текущего состояния внутренних переменных, внося изменения в эти внутренние переменные и обновляя выходные значения. Это происходит один раз в каждом цикле генератора тактового сигнала или таймера, вызванного его передним фронтом [2]. Цель алгоритма управления, представленного в этой работе, состоит в том, чтобы управлять состоянием синхронного двигателя с постоянными магнитами (PMSM) с помощью микроконтроллера, примером которого является в данном случае частотно-токовое управление (I-Hz управление регулирует
и
положение и амплитуду вектора тока статора во вращающихся осях), показанное на рисунке 1 в виде блок-схемы. Однако алгоритм должен быть организован как конечный автомат, чтобы правильно планировать выполнение задач. Это реализуется при помощи 81а1ейо,№ БтиНпк [3, 4].
Рисунок 1 - Алгоритм управления в Simulink-модели: I-Hz_model.slx
Блок Chart из Stateflow, доступный в Simulink Library Browser, является своего рода подсистемой, в которой можно изобразить конечные автоматы. На рисунке 2 показаны три параллельных конечных автомата.
Рисунок 2 - Конечные автоматы в Stateflow
1. Control Flow: присутствует три внутренних состояния. Первое, состояние ОШИБКА (ERROR), в которой инициализируются внутренние переменные, а порты ШИМ установлены на логику с тремя состояниями (выключено). Когда команда Go устанавливается на уровень логической 1 (HIGH), она переходит в состояние ГОТОВ (READY), когда порты ШИМ активны, конденсаторы в цепи последовательной положительной обратной связи инвертора заряжаются, и измеряются смещения АЦП. После некоторых циклов состояние START становится активным, и частотно-токовое управление выполняется в функции Simulink. Всякий раз, когда команда сброса на уровне логической 1 (HIGH), состояние ОШИБКА (ERROR) становится активным, а переменные функции Simulink удаляются.
2. Current Protection: это конечный автомат проверяет интенсивность нарастания токов, чтобы решить, находится ли операция в безопасных пределах или ее следует отключить.
3. Update Values: в этой части смещение вычитается из входных токов. Кроме того, выходные значения диаграммы обновляются.
Компоненты алгоритма управления, называемые IHz_model.slx на рисунке 1, должны быть классифицированы как входы, выходы, локальные переменные или глобальные переменные в окне Model Explorer.
• В модели IHz входные и выходные сигналы названы и заданы как один тип данных. Входными сигналами блока являются iabcs для измеренных токов статора, Vdc - уровень напряжения звена постоянного тока, posCount - счетчик положения от энкодера, omega_ref_rpm - опорный сигнал угловой скорости и commands - команды запуска и сброса. Выходными сигналами являются duty_abc - коэффициенты заполнения 3-фазного ШИМ-инвертора, pwm_stop - отключение вентилей инвертора и три общих выхода для контроля других переменных.
• На диаграмме Stateflow рисунка 2, переменные сконфигурированы как входы, выходы или локальные переменные с их начальными условиями. Все они рассматриваются как один тип данных.
• В функции Simulink, соответствующие сигналы названы и сконфигурированы для ExportedGlobal для обработки в качестве глобальных переменных во время генерации кода. Значения некоторых блоков Constant и Gain вызываются из рабочей области Matlab. Важно помнить, что все переменные и операции должны работать как один тип, который эквивалентен типу MCU float32.
Последний этап тестирования заключается в запуске моделирования алгоритма управления и моделируемой установки (тестирование модели в контуре управления - MIL). Как инвертор, так и двигатель считаются компонентом системы, где сигналы ШИМ являются входами, а токи статора - выходами. Положение ротора, заданное датчиком, не будет использоваться для I-Hz управления.
В имитационной модели Simulink (см. рисунок 3) инвертор представлен усилителем сигналов ШИМ, а двигатель представлен блоком синхронной машины с постоянными магнитами [5], в котором установлены данные изготовителя реального двигателя. ШИМ-сигналы выдаются периферийным устройством таймера MCU, сравнивая коэффициент заполнения с восходящей-нисходящей пилообразной несущей на частоте дискретизации 4 [кГц] [6, 7]. Это периферийное устройство изображается при моделировании компараторами и повторяющейся последовательной волной. Инвертор усиливает сигнал до уровня 0-Vdc для подачи напряжения на двигатель. После того, как установка смоделирована, алгоритм управления тестируется в контуре управления (MIL) с использованием Model Reference block, вызывающий внешнюю модель Simulink и запускается с частотой дискретизации генератора тактовых сигналов 4 [кГц]. Важно, чтобы частота
и
дискретизации моделирования была выше, чем у генератора тактовых сигналов, чтобы обеспечить подход к непрерывному управлению установкой. В таблице 1 приведены данные для моделирования установки.
Таблица 1 - Параметры моделирования
Параметры модели РМБМ: Константы системы управления:
1. 4 пары полюсов в каждой из 3 фаз 2. Константа напряжения (КЕ): 3,15 [иКМ8/Кгрт] 3. Момент инерции (1^): 0,06 [кгХсм2] 4. Активное сопротивление обмотки (Я^): 0,5 [Ом] 5. Индуктивное сопротивление обмотки (Ьи^): 2,2 [мГн] 1. ^=0,4 2. К1ч=80 3. ^=0,4 4. К1ч=80 5. Уве=24 [В]
Рисунок 3 - Тестирование в контуре (МТЬ)
Как только среда моделирования установлена, соответствующие сигналы выбираются для визуализации в области видимости. Это коэффициент заполнения, токи статора, скорость вращения и положение ротора. Процесс моделирования проводится дважды или трижды, чтобы проверить, соответствуют ли показания двигателя заданным исходным. Визуализация сигнала показана на рисунках 4-5 ниже для набора исходных сигналов: ^ = 0,8 [А] и ^^ = 400 [об/мин]; ^ = 1,2 [А] и ^^ = 600 [об/мин].
и
Рисунок 4 - Сигналы в установившемся режиме ^ = 0,8 [А] и ,^ес = 400
[об/мин]
12,7 12.75 12.8 12.85
Рисунок 5 - Сигналы в установившемся режиме ^ = 1,2 [А] и ,^ес = 600
[об/мин]
Результаты моделирования показывают, как текущие значения амплитуды и скорости вращения ротора в установившемся режиме соответствуют исходным id и wmec. Теперь, когда обеспечена правильная работа логики, стали возможными дальнейшая генерация и интеграция в микроконтроллер алгоритма управления двигателя с помощью инструментов STM32 Embedded Target. Данный пакет использует блоки Simulink для представления периферийных устройств MCU [8-10].
Литература
1. Model-Based Design // Math Works URL: mathworks.com/help/simulink/gs/model-based-design.html.
2. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов. М.: Издательский центр Академия, 2006. 304 с.
3. Stateflow: Model and simulate decision logic using state machines and flow charts // MathWorks URL: uk.mathworks.com/products/simpower.html.
4. Model and simulate electrical power systems // MathWorks. URL: mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/permanentmagnetsynchronousma chine.html.
5. Кабышев О. А., Кабышев А.М. Разработка и компьютерное моделирование регулятора переменного напряжения // Инженерный вестник Дона. 2019. №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5683
6. Permanent Magnet Synchronous Machine // MathWorks. URL: mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/permanentmagnetsyncronousmac hine.html.
7. Кулаев Н.А., Зубков П.С. Математическое описание управления синхронным двигателем с постоянными магнитами для аппаратной реализации на ПЛИС // Инженерный вестник Дона. 2019. №6. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n6y2019/6039
8. Wei Wu Model-Based Design for Effective Control System Development. IGI Global, 2017. 299 p.
9. Gabriela Nicolescu, Pieter J. Mosterman. Model-Based Design for Embedded Systems. CRC Press, 2009. 766 p.
10. Moreira C.O. Rapid Control Prototyping Using an STM32 Microcontroller: Bachelor's degree Clausthal-Zellerfeld, Germany, 2015. 85 p.
References
1. Model-Based Design. URL: mathworks.com/help/simulink/gs/model-based-design.html.
2. Terekhov V.M., Osipov O.I. Sistemy upravleniya elektroprivodov. [Electric drive control systems]. M.: Izdatel'skiy tsentr Akademiya, 2006. 304 p.
3. Stateflow: Model and simulate decision logic using state machines and flow charts. URL: uk.mathworks.com/products/simpower.html.
4. Model and simulate electrical power systems. URL: mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/permanentmagnetsynchronousma chine.html.
5. Kabyshev O.A., Kabyshev A.M. Inzenernyj vestnik Dona, 2019. №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5683
6. Permanent Magnet Synchronous Machine. URL: mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/permanentmagnetsyncronousmac hine.html.
7. Kulayev N.A., Zubkov P.S. Inzenernyj vestnik Dona, 2019. №6. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n6y2019/6039
8. Wei Wu Model-Based Design for Effective Control System Development. IGI Global, 2017. 299 p.
9. Gabriela Nicolescu, Pieter J. Mosterman. Model-Based Design for Embedded Systems. CRC Press, 2009. 766 p.
10. Moreira C.O. Rapid Control Prototyping Using an STM32 Microcontroller: Bachelor's degree Clausthal-Zellerfeld, Germany, 2015. 85 p.
