PMSM Field-Oriented Control

영구 자석 동기기 자속 기준 제어

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라이브러리:
Simscape / Electrical / Control / PMSM Control

설명

PMSM Field-Oriented Control 블록은 영구 자석 동기기(PMSM)의 자속 기준 제어 구조를 구현합니다. 자속 기준 제어(FOC)는 고정된 상 전류를 회전자 프레임으로 변환하여 토크와 플럭스를 분리하는 우수한 AC 모터 제어 전략입니다. 회전자 속도 및 위치가 알려져 있고 해당 응용 분야에서 다음 사항이 요구되는 경우 FOC를 사용하십시오.

• 시작 시 높은 토크 및 낮은 전류.

• 높은 효율성.

방정식

PMSM FOC 구조는 회전자 d-q 기준 프레임을 사용하여 토크와 플럭스를 분리합니다. 다음 다이어그램은 이 블록의 전체적인 아키텍처를 보여줍니다.

다이어그램에서 각각은 다음과 같습니다.

• ω와 ω_ref는 각각 측정된 각속도와 기준 각속도입니다.

• T_ref는 기준 전자기 토크입니다.

• i와 v는 고정자 전류와 고정자 전압이고, 아래 첨자 d와 q는 d축과 q축을 나타내고, 아래 첨자 a, b, c는 3개의 고정자 권선을 나타냅니다.

• θ_e는 회전자 전기각입니다.

• G는 게이트 펄스이고, 아래 첨자 H와 L은 높음과 낮음을 나타내고, 아래 첨자 a, b, c는 3개의 고정자 권선을 나타냅니다.

제어 모드 파라미터를 사용하여 속도 제어 또는 토크 제어 구현을 선택할 수 있습니다. 블록은 다이어그램에 표시된 대로 속도 제어를 구현합니다. 또한 블록은 Velocity Controller 블록을 제거하고 기준 토크를 직접 적용하여 토크 제어를 구현합니다.

가정

기계 파라미터가 알려져 있습니다.

제한 사항

제어 구조는 단일 샘플 레이트로 구현됩니다.

예제

3상 PMSM 드라이브

이 예제에서는 와이 권선 및 델타 권선 구성의 PMSM(영구 자석 동기기)과 일반적인 하이브리드 차량에 사용할 수 있는 크기의 인버터를 보여줍니다. 인버터는 차량 배터리에 직접 연결되지만 그 사이에 DC-DC 컨버터 단계를 구현할 수도 있습니다. 이 모델은 원하는 성능을 얻을 수 있는 아키텍처와 이득을 선택하여 PMSM 제어기를 설계하는 데 사용할 수 있습니다. IGBT 턴온과 IGBT 턴오프의 타이밍을 확인하기 위해 IGBT 소자를 보다 상세한 N-Channel IGBT 블록으로 대체할 수 있습니다. 완전한 차량 모델링을 위해 Motor & Drive(System Level) 블록을 사용하여 에너지 기반 모델로 PMSM, 인버터, 제어기를 추상화할 수 있습니다. Gmin 저항기는 매우 작은 접지 컨덕턴스를 제공하며, 이는 가변 스텝 솔버 사용 시 모델의 수치적 속성을 향상시킵니다.

• 모델 열기

열 모델에서의 3상 PMSM 드라이브

이 예제에서는 영구 자석 동기기(PMSM)와 일반적인 하이브리드 차량에 사용할 수 있는 크기의 인버터를 보여줍니다. PMSM은 열 모델과 경험적 철손을 포함하고 있습니다. 인버터는 차량 배터리에 직접 연결되지만 그 사이에 DC-DC 컨버터 단계를 구현할 수도 있습니다. 이 모델은 원하는 성능을 얻을 수 있는 아키텍처와 이득을 선택하여 PMSM 제어기를 설계하는 데 사용할 수 있습니다. 고정자 권선과 회전자의 초기 온도는 섭씨 25도로 설정됩니다. 주변 온도는 섭씨 27도입니다. Scopes 서브시스템은 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있는 스코프를 포함합니다.

• 모델 열기

개방 권선이 있는 3상 PMSM의 속도 제어하기

이 예제에서는 개방 권선이 있는 매립형 영구 자석 동기기(IPMSM)의 회전자 각속도를 제어하는 방법을 보여줍니다. 고전압 배터리가 2개의 제어된 3상 컨버터를 통해 IPMSM에 전력을 공급합니다. IPMSM은 부하에 따라 모터 모드와 발전기 모드 모두에서 작동합니다. 이상적 토크 소스가 부하를 제공합니다. Scopes 서브시스템은 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있는 스코프를 포함합니다. Control 서브시스템은 PI 기반 자속 기준 제어 구조를 포함합니다. 1초의 시뮬레이션 중에 각속도 요구량은 0rpm, 500rpm, 2000rpm, 그런 다음 3000rpm입니다.

• R2025a 이후
• 모델 열기

포트

입력

Reference — 시스템 기준

스칼라

시스템 기준으로, 선택한 제어 모드에 따라 토크 기준(단위: N*m) 또는 속도 기준(단위: rad/s)으로 지정됩니다.

데이터형: single | double

iabcSens — 측정된 상 전류

벡터

측정된 고정자 상 전류입니다(단위: A).

데이터형: single | double

wSens — 회전자 속도

스칼라

회전자의 측정된 기계 각속도입니다(단위: rad/s).

데이터형: single | double

thSens — 회전자 각도

스칼라

회전자의 측정된 기계각입니다(단위: rad).

데이터형: single | double

vdcSens — DC 링크 전압

스칼라

측정된 DC 링크 전압입니다(단위: V).

데이터형: single | double

출력

G — 게이트 펄스

벡터

연결된 전력 컨버터의 전환 동작을 결정하는 6펄스 파형입니다.

데이터형: single | double

Visualization — 시각화 신호

버스

시각화를 위한 신호를 포함하는 버스로, 다음이 포함됩니다.

• Reference

• wElectrical

• iabc

• theta

• Vdc

• PwmEnable

• TqRef

• TqLim

• idqRef

• idq

• vdqRef

• modWave

데이터형: single | double

파라미터

일반

권선 유형 — 제어 파라미터화

와이 권선 (디폴트 값) | 델타 권선

제어기의 기준 값에 대한 와이 권선 파라미터화 또는 델타 권선 파라미터화를 지정합니다.

제어 모드 — 제어 모드 전략

토크 제어 (디폴트 값) | 속도 제어

토크 제어 전략 또는 속도 제어 전략을 지정합니다.

공칭 DC 링크 전압(V) — 정격 DC 전압

300 (디폴트 값) | 양수

전원의 공칭 DC 링크 전압입니다(단위: V).

최대 전력(W) — 최대 전력

35000 (디폴트 값) | 양수

기계의 최대 전력입니다(단위: W).

최대 토크(N*m) — 최대 토크

250 (디폴트 값) | 양수

기계의 최대 토크입니다(단위: N*m).

회전자 극쌍 개수 — 극쌍

8 (디폴트 값) | 양의 정수

회전자의 영구 자석 극쌍 개수입니다.

인버터 DC 링크 전압 임계값(V) — DC 링크 전압 임계값

100 (디폴트 값) | 양수

전력 인버터를 활성화하는 전압 임계값입니다(단위: V).

기본 샘플 시간(초) — 블록 샘플 시간

5e-6 (디폴트 값) | 양수

블록의 기본 샘플 시간입니다(단위: 초).

제어 샘플 시간(초) — 제어 샘플 시간

1e-4 (디폴트 값) | 양수

제어 시스템의 샘플 시간입니다(단위: 초).

외부 루프

제어 유형 — 제어 유형 전략

PI 제어 (디폴트 값) | P 제어 | P-PI 제어

제어 전략의 유형을 지정합니다.

제어기 비례 이득 — PI 제어기의 비례 이득

1 (디폴트 값) | 양수

PI 제어기의 비례 이득입니다.

제어기 적분 이득 — PI 제어기의 적분 이득

1 (디폴트 값) | 양수

PI 제어기의 적분 이득입니다.

P 제어기 비례 이득 — P 제어기의 비례 이득

1 (디폴트 값) | 양수

P 제어기의 비례 이득 입니다.

적분 안티와인드업 이득 — 안티와인드업 이득

1 (디폴트 값) | 양수

PI 제어기의 안티와인드업 이득입니다.

전류 기준 — 전류 기준 전략

제로 d축 제어 (디폴트 값) | 룩업 테이블 기반 | 자동 생성된 룩업 테이블

전류 기준 전략을 선택합니다.

기계 속도 벡터, wMechanical(rpm) — 회전자 속도 룩업 벡터

[0, 3000] (디폴트 값) | 양의 단조 증가하는 벡터

전류 기준을 결정하기 위해 룩업 테이블에 사용되는 속도 벡터입니다(단위: rpm).

토크 기준 벡터, TqRef(N*m) — 토크 기준 룩업 벡터

[-100, 0, 100] (디폴트 값) | 양의 단조 증가하는 벡터

전류 기준을 결정하기 위해 룩업 테이블에 사용되는 토크 벡터입니다(단위 N*m).

DC 링크 전압 벡터, Vdc(V) — DC 링크 전압 룩업 벡터

[300, 350] (디폴트 값) | 양의 단조 증가하는 벡터

전류 기준을 결정하기 위해 룩업 테이블에 사용되는 DC 링크 전압 벡터입니다(단위: V).

D축 전류 기준 행렬, id(wMechanical,TqRef,Vdc)(A) — 기준 d축 전류 값

zeros(2,3,2) (디폴트 값) | 실수 행렬

직접 축 전류 기준 룩업 데이터입니다(단위: A).

Q축 전류 기준 행렬, iq(wMechanical,TqRef,Vdc)(A) — 기준 q축 전류 값

zeros(2,3,2) (디폴트 값) | 실수 행렬

직교 축 전류 기준 룩업 데이터입니다(단위: A).

변조 인자 — 변조 인자

1 (디폴트 값) | 양의 스칼라

전류 기준 생성 시 허용되는 최대 상 전압을 계산하는 데 사용되는 안전 인자입니다.

종속 관계

이 파라미터는 전류 기준이 자동 생성된 룩업 테이블로 설정된 경우에만 표시됩니다.

영구 자석 쇄교 자속(Wb) — PM 쇄교 자속

0.04 (디폴트 값) | 양의 스칼라

최대 영구 자석 쇄교 자속입니다(단위: Wb).

D축 인덕턴스(H) — d축의 인덕턴스

0.00024 (디폴트 값) | 양의 스칼라

직접 축 인덕턴스입니다(단위: H).

Q축 인덕턴스(H) — q축의 인덕턴스

0.00029 (디폴트 값) | 양의 스칼라

직교 축 인덕턴스입니다(단위: H).

고정자 저항(옴) — 고정자의 저항

0.01 (디폴트 값) | 양의 스칼라

1상당 고정자 저항입니다(단위: 옴).

내부 루프

D축 전류 비례 이득 — D축 비례 이득

1 (디폴트 값) | 양수

직접 축 전류 제어에 사용되는 PI 제어기의 비례 이득입니다.

D축 전류 적분 이득 — D축 적분 이득

100 (디폴트 값) | 양수

직접 축 전류 제어에 사용되는 PI 제어기의 적분기 이득입니다.

D축 전류 안티와인드업 이득 — D축 안티와인드업 이득

1 (디폴트 값) | 양수

직접 축 전류 제어에 사용되는 PI 제어기의 안티와인드업 이득입니다.

Q축 전류 비례 이득 — Q축 비례 이득

1 (디폴트 값) | 양수

직교 축 전류 제어에 사용되는 PI 제어기의 비례 이득입니다.

Q축 전류 적분 이득 — Q축 적분 이득

100 (디폴트 값) | 양수

직교 축 전류 제어에 사용되는 PI 제어기의 적분기 이득입니다.

Q축 전류 안티와인드업 이득 — Q축 안티와인드업 이득

1 (디폴트 값) | 양수

직교 축 전류 제어에 사용되는 PI 제어기의 안티와인드업 이득입니다.

축 우선 순위 지정 — 전압 리미터의 축 우선 순위 지정

q축 (디폴트 값) | d축 | d-q 동등성

블록이 전압을 제한할 때 d축과 q축 간의 비율을 우선시하거나 유지합니다.

영점 상쇄 활성화 — 피드포워드 영점 상쇄

off (디폴트 값) | on

피드포워드 경로에서 영점 상쇄를 활성화하거나 비활성화합니다.

사전 제어 전압 활성화 — 사전 제어 전압

on (디폴트 값) | off

사전 제어 전압을 활성화하거나 비활성화합니다.

기계 파라미터 — 기계 파라미터화

상수 파라미터 (디폴트 값) | 룩업 테이블 기반 파라미터

기계를 파라미터화하는 방법을 지정합니다.

• 상수 파라미터 — 시뮬레이션 과정 전체에서 일정한 기계 파라미터를 지정합니다.

• 룩업 테이블 기반 파라미터 — 기계 파라미터를 전류에 따라 달라지는 룩업 테이블로 지정합니다.

피드포워드 사전 제어를 위한 D축 인덕턴스(H) — 피드포워드 d축 인덕턴스

0.00024 (디폴트 값) | 양의 스칼라

피드포워드 사전 제어를 위한 직접 축 인덕턴스입니다(단위: H).

피드포워드 사전 제어를 위한 Q축 인덕턴스(H) — 피드포워드 q축 인덕턴스

0.00029 (디폴트 값) | 양의 스칼라

피드포워드 사전 제어를 위한 직교 축 인덕턴스입니다(단위: H).

피드포워드 사전 제어를 위한 영구 자석 쇄교 자속(H) — 피드포워드 쇄교 자속

0.04 (디폴트 값) | 스칼라

피드포워드 사전 제어를 위한 영구 자석 쇄교 자속입니다(단위: H).

D축 전류 벡터, id(A) — D축 전류 절점 벡터

[-200,0,200] (디폴트 값) | 단조 증가하는 벡터

파라미터 결정을 위해 룩업 테이블에 사용되는 직접 축 전류 벡터입니다(단위: A). 일정한 기계 파라미터의 경우 디폴트 값을 변경하지 마십시오.

Q축 전류 벡터, iq(A) — Q축 전류 절점 벡터

[-200,0,200] (디폴트 값) | 단조 증가하는 벡터

파라미터 결정을 위해 룩업 테이블에 사용되는 직교 축 전류 벡터입니다(단위: A). 일정한 기계 파라미터의 경우 디폴트 값을 변경하지 마십시오.

Ld 행렬, Ld(id,iq)(H) — D축 인덕턴스 룩업 데이터

0.0002 * ones(3, 3) (디폴트 값) | 양의 행렬

룩업 테이블 데이터로 사용되는 L_d 행렬입니다(단위: H). 일정한 기계 파라미터의 경우 상수 인자만 변경하십시오(예: L_d * ones(3, 3)).

Lq 행렬, Lq(id,iq)(H) — Q축 인덕턴스 룩업 데이터

0.0002 * ones(3, 3) (디폴트 값) | 양의 행렬

룩업 테이블 데이터로 사용되는 L_q 행렬입니다(단위: H). 일정한 기계 파라미터의 경우 상수 인자만 변경하십시오(예: L_q * ones(3, 3)).

영구 자석의 쇄교 자속 행렬, PM(id,iq)(Wb) — 쇄교 자속 룩업 데이터

0.04 * ones(3, 3) (디폴트 값) | 실수 행렬

룩업 테이블에서 사용되는 영구 자석의 쇄교 자속 행렬입니다(단위: Wb). 일정한 기계 파라미터의 경우 상수 인자만 변경하십시오(예: psim * ones(3, 3)).

PWM

PWM 방법 — 펄스 폭 변조 방법

SVM: 공간 벡터 변조 (디폴트 값) | SPWM: 정현파 PWM

파형 기법을 지정합니다.

샘플링 모드 — 파형 샘플링 방법

자연 (디폴트 값) | 비대칭 | 대칭

파형이 교차할 때 또는 반송파가 경계 조건의 한쪽 또는 양쪽에 있을 때 블록이 변조 파형을 샘플링할지 여부를 지정합니다.

스위칭 주파수(Hz) — 전환 속도

1000 (디폴트 값) | 양의 정수

전력 컨버터의 스위치 전환 속도를 지정합니다.

참고 문헌

[1] Bernardes, T., V. F. Montagner, H. A. Gründling, and H. Pinheiro. "Discrete-time sliding mode observer for sensorless vector control of permanent magnet synchronous machine." IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 61, Number 4, 2014, pp. 1679–1691.

[2] Carpiuc, S., and C. Lazar. "Fast real-time constrained predictive current control in permanent magnet synchronous machine-based automotive traction drives." IEEE Transactions on Transportation Electrification. Vol.1, Number 4, 2015, pp. 326–335.

[3] Haque, M. E., L. Zhong, and M. F. Rahman. "Improved trajectory control for an interior permanent magnet synchronous motor drive with extended operating limit." Journal of Electrical & Electronics Engineering. Vol. 22, Number 1, 2003, p. 49.

[4] Yang, N., G. Luo, W. Liu, and K. Wang. "Interior permanent magnet synchronous motor control for electric vehicle using look-up table." In 7th International Power Electronics and Motion Control Conference. Vol. 2, 2012, pp. 1015–1019.

확장 기능

C/C++ 코드 생성
Simulink® Coder™를 사용하여 C 코드나 C++ 코드를 생성할 수 있습니다.

버전 내역

R2017b에 개발됨

참고 항목

블록

• PMSM Current Controller | PMSM Current Controller with Pre-Control | PMSM Current Reference Generator