PWM/转速单闭环/转速电流双闭环电机控制Simulink仿真

PWM/转速单闭环/转速电流双闭环电机控制Simulink仿真

实验室之前一直在用BBB板和ARM板通过驱动器控制电机，最近实验室新买了一台DSPACE平台，具有运行参数可视化、实时性高等特点，但由于该平台是基于Simulink的建模与控制，因此需要对Simulink进行一定的学习。
本文章只是对电机运行进行最基础简单的仿真，后面还有很多需要学习的地方，我们一起努力！

电机的运行原理

实验室用到的是有刷直流电机，型号为MAXON RE40,148867，参数下表可见
有刷直流电机的工作原理可以参考下面的视频
https://www.bilibili.com/video/BV1Cy4y127YJ?spm_id_from=333.999.0.0
https://www.bilibili.com/video/BV1pz4y1X7dg?spm_id_from=333.999.0.0

PWM电机控制Simulink仿真

该模型主要由三部分组成，PWM电压控制器、H桥、直流有刷电机，PWM设置参数如下


频率一般设置为6~14kHz,注意Simulation Mode选择Averaged模式，帮助文档中是这样解释的：

H-Bridge中注意Output voltage amplitude要与电机的Nominal Voltage相一致

在Simscape->Electrical->Electromechanical->Brushed Motors目录下可以找到Simulink自带的有刷直流电机模型

根据电机的参数表将电机参数填进去，注意标记处模式的选择

当输入5v电压时，占空比为100%，且此时无负载，可以看到转速为7580rpm，与手册中的空载转速一致

当输入2.5v电压时，占空比为50%，可以看到转速变为3790rpm
在5s时添加1N*m的负载后，可以发现在5s时速度降低

转速单闭环电机控制Simulink仿真

转速单闭环就是多了反馈及PID调节，使得在负载变化（假定以正弦变化）时，其转速也能基本与参考转速（Reference Speed，图中为4000rpm）一致，用受控电压源代替直流电压源，PID参数的整定可以用Simulink自带的整定工具


左右滑动即可实现整定，非常方便，虚线为整定前响应曲线，实线为整定后响应曲线，完成后点击Update Block就可以将KP、KI、KD值载入到PID控制器中


可以看到在整定后，负载变化时，电流有微小波动，而速度在开始时刻略有超调，又迅速恢复到参考值

转速电流双闭环电机控制Simulink仿真

上述控制在简单的空心杯直流电机、舵机等微小功率下可行，电流不会有太大的变化，但当电机功率很大时，不可控的电流会对其它电路造成影响，严重时可能发生过流甚至短路，因此需要添加一个电流的闭环控制

PID参数的整定方法同前，不再赘述，注意前一个PID的阀值是电流值，后一个PID的阀值是电压值



可以看到速度在较小的范围内波动

电流也始终在安全值以内

电压也无较大波动，效果尚可