直流供电通用电机速度控制的仿真和快速控制原型：直流家庭高效运行的控制策略验证.

工程科学与技术，国际期刊34（2022）101092直流供电通用电机速度控制的仿真和快速控制原型：面向未来直流家庭的高效运行Hamza Ben AbdeljawedAl-Ahmad，Lilia El Amraoui研究实验室智能电力ICT，SE ICT实验室，LR18ES44，迦太基国家工程学院，迦太基大学，Charguia II，2035，突尼斯阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年2月26日收到2021年11月8日修订2021年12月27日接受2022年1月24日在线提供保留字：数字信号处理器通用电机速度控制硬件结构PI控制器dSPACE MicroAutoBoxDC homeA B S T R A C T通用电机广泛应用于家用电器中。当传统上由AC供电时，产生电流谐波，这导致绕组过热和影响电机寿命的电磁兼容性问题。考虑到直流电源的显著复苏及其在家庭电气化中的优势，本文利用dSPACE MicroAutoBox提供的快速控制原型功能，提出了一种直流电源通用电机的控制策略采用主导极点补偿法设计了PI控制器在Matlab/ Simulink中对控制策略进行了仿真，并通过实时接口在MicroAutoBox中实现。仿真结果进行了比较，通过周围的MicroAutoBox和一个双全桥驱动器的实验室测试台的实施所获得的。实验结果表明，所设计的PI控制器消除了系统的静态误差，使系统的动态性能提高实验结果证明了该控制策略对随机负载扰动的鲁棒性。此外，一个显着的改善电力质量的报告。©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍几十年来，通用电机一直是家用电器行业最受欢迎的致动器之一，因为它们价格便宜，结构简单，速度快，尺寸小，尽管它们存在一些固有的缺点，例如噪音大和主要源于换向现象的小电弧[1通用电机广泛用于搅拌机、食品加工机、缝纫机和真空吸尘器，以及电动工具，如锯和钻[4]。此外，它们还用于医疗设备。这些执行器在工业领域的要求很高。事实上，每年通用电机的销量超过2亿台[5]。通用电机传统上由AC电源供电。速度控制通常需要TRIAC（用于交流电流的TRIode）相位角触发控制。基于TRIAC的控制是一种通过改变相位角来控制通用电机速度的经济有效的解决方案。然而，这种技术会导致许多缺陷，如噪音和电机绕组过热[6]。*通讯作者。电子邮件地址：hamza. enicarthage.rnu.tn（H. Ben Abdeljawed）。由Karabuk大学负责进行同行审查。另一方面，半导体技术和电力电子技术的进步使直流电源得以显着回归，特别是在家庭电气化方面[7]。事实上，鉴于随着光电子学和电动汽车的兴起，在DC中操作的电子设备的激增，在住宅中使用低压DC（LVDC）技术成为一个时髦的研究课题[8]。这一变化引起了人们对当前家用电器性能的质疑，其中许多家用电器在纯直流电气化系统中采用了通用电机[9]。在文献中，已经开发了几种控制策略，以提高通用电机的速度性能在[10，11]中，已经提出了积分周期控制的单个TRIAC和调制相位角控制的单个TRIAC以确保速度控制。在[12，13]中，提出了基于降压-升压转换器的在[14]中已经报道了采用神经模糊技术的复杂控制策略。非线性控制器也被考虑，在[15]中研究了反推控制，在[16]中提出了无传感器控制器。文[17]中引入了一种非线性观测器，并给出了实验结果在控制策略开发的背景下，必须保持一个合适的实验环境，能够支持设计师的开发任务，从代码生成的初级阶段到最终阶段[18]。更有影响的是，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.1010922215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchH. Ben Abdeljawed和L.阿姆拉维工程科学与技术，国际期刊34（2022）1010922DTDTDT在最短的执行时间内控制策略。计算单元必须能够以相当高的频率执行任务。在这方面，快速控制原型（RCP）过程在控制方法的实验验证和产品生命周期的改善中发挥着关键作用，通过使用涉及真实执行器和传感器的实时平台减少所需的测试时间[19]。原型应用需求的增长需要强大的原型系统，如MicroAutoBox。该DSP可以快速、可靠地实时开发、测试和优化控制功能。本文通过Matlab/Simulink仿真和dSPACE MicroAutoBox的RCP实现，提出了一种通用直流电动机调速控制策略，以期对直流电动机调速系统的研究有所在开环控制仿真的基础上，采用主导极点补偿法设计了PI控制器。然后将仿真得到的控制结果与实际实现结果进行比较。围绕MicroAutoBox系统和基于PWM技术的双全桥驱动器的电源电路搭建了实验室测试台。实验结果表明，所设计的PI控制器消除了系统的静态误差，显著提高了系统的动态性能。实验结果证明了该控制策略对随机负载扰动的鲁棒性.此外，还分析了其对电能质量的影响，特别是对THD的影响.本文的其余部分组织如下。第二节介绍了通用电机的建模。第3节介绍了dSPACE环境、MicroAutoBox硬件架构和实验室测试台描述。第四部分重点介绍了开环和闭环控制仿真，以及控制器的设计。第5节介绍了实时控制验证过程、性能评估以及对电能质量的影响最后，康-结论见第6节。2. 通用电机造型通用电机得到他们的名字，由于特殊操作，无论是在直流或交流电源。实际上，它们是具有一个电压供应的电动执行器。因此，由电压V供电的通用电动机可以由图1所示的等效电路表示，其中位于定子中的磁化绕组与转子绕组串联连接。因此，电枢电流等于励磁电流。可以写成（1）I电刷通过机械连接提供转子绕组馈电。描述通用电动机动力学的微分方程由（2）、（3）给出。其中i是电机电流，V是电源电压，x是轴角速度，e表示反电动势（EMF），Ra和Rf是电枢和励磁电阻，La和Lf表示电枢和磁场电感，Te是电动机产生的电磁转矩，TL是负载转矩，b是粘性摩擦系数，J是电动机的转动惯量，Tfs是静态摩擦转矩。电动势和电磁转矩都取决于磁通量，如（4），（5）所示。e¼x/i 4Te¼i/ðiÞ ð5Þ通量是电流的函数。所以（2）和（3）是非线性的。通常在分析通用电机运行时，忽略中性饱和度。然后，通常的做法是通过线性关系式（6）来近似通量。中文（简体）其中k是电枢和励磁绕组之间的互感因此，通过考虑（7），（8）RRaRfL¼LaLf 8等式（2）和（3）可以分别写为（9）和（10）。V¼RiLdikxi9k i2¼TLbxJdxTfs103. 设计实验室试验台3.1. dSPACE环境dSPACE（数字信号处理和控制工程）提供专用于机电控制系统开发和测试的软件和硬件解决方案，尤其是通过控制律的快速原型和硬件在环仿真。MicroAutoBox 1401/1501代表了所建测试台的杰作。实时系统是一个紧凑的和车辆的DSP，结合了快速原型平台和电子控制单元（ECU）的优点，能够操作，V/VdiþRÞiþ ðLþLe 2在没有用户干预的情况下，作为独立的原型实体进行开发a fafdt图2中所示的MicroAutoBox 1401/1501的特点是IBMTe¼TLbxJdxTfs3PowerPC处理器和Motorola MC68336微控制器，使其能够在全通和旁路 场景 中 执 行快 速 功 能原 型 设 计。 该 器 件内 置16 个 模数 转 换 器（ADC）、8个数模转换器（DAC）、一个控制器局域网（CAN）子系统和多通道PWM信号发生器。Fig. 1. 通用电机等效电路。图二. MicroAutoBox 1401/1501.H. Ben Abdeljawed和L.阿姆拉维工程科学与技术，国际期刊34（2022）1010923图三. MicroAutoBox 1401/1501架构。如图3所示。该DSP可方便地用于具有CAN、LIN和K-Line接口的各种MicroAutoBox连接到PC，用于程序加载，设置练习测试和信号跟踪。DSP支持不同的主机连接，包括高速主机接口技术。此外，该器件包括4个用于测量频率和PWM信号的共享输入和4个用于生成PWM信号的输出，频率在2.5 Hz和100 kHz之间，分辨率高达16位。3.1.1. 实时接口实 时 接 口 构 成 了 dSPACE 实 施 软 件 ， 从 而 可 以 在Matlab/Simulink设计的模型与MicroAutoBox之间建立链接 它拥有一个图形块库，如图所示。 4，具有许多接口功能，可确保输入/输出接口和模数转换器等硬件组件与Simulink中设计的模型连接。为了在MicroAutoBox中实现Simulink模型，RTL必须创建实时应用程序。Real-Time Workshop和RTL使用Real-Time Workshop实时代码格式从Simulink模型和dSPACE I/O模块生成实时应用的C代码。然后将代码下载到DS 1401卡中并编译以产生可执行的实时应用程序。其显著的优点是在最短的时间内实现大量的函数和工具，这比手工C编码更方便。图四、实时接口：RTI 1401库3.1.2. 实验软件：ControlDeskControlDesk是dSPACE使用的实验软件，它代表了一个有利于实验的工作环境。ControlDesk提供对仿真平台和连接总线系统的访问，并通过与MicroAutoBox的交互来监控变量行为和修改仿真参数。该软件还允许设计图形布局，如图所示。 五、ControlDesk环境包括一个导航窗口，显示连接的卡、当前程序和布局，一个包含用于创建布局的图形仪表的仪表选择器，以及以树结构形式显示Simulink模型变量的工具窗口ControlDesk有三种工作模式- 布局模式，用于布局构造。- 标准模式，用于测试布局和Simulink变量之间连接的可靠性。- 测量模式，在DSP中加载的程序正在执行时使用。在这种情况下，布局作为人机界面操作。3.2. 硬件系统描述为了开发通用电机的控制策略，建立了一个实验室试验台 如图所示6、试验台图五.基于ControlDesk的人机界面设计。H. Ben Abdeljawed和L.阿姆拉维工程科学与技术，国际期刊34（2022）1010924ð Þ ¼见图6。 实验室测试台。包括一个直流电压发生器，METRO AX503提供的MicroAutoBox和电源转换器，这是双全桥驱动器L298。该驱动器支持高达46 V的电压一表1见图8。 试验台结构。功率级被植入图7所示的L298电路的H桥“A”周围H桥的输出由四个超快续流二极管UF 4007 0保护L298驱动器接收MicroAutoBox产生的PWM控制信号，并调制其对通用电机的电源。PWM信号通过数模转换器从MicroAutoBox发送到L298电路，如图8所示。PWM信号以100 kHz的频率传输，该频率是在多次测试后选择的，以获得低纹波速度响应。表1给出了所研究的通用电机的参数另一方面，DSP提供由转速计转发的正弦电压的处理，其频率与电机轴的速度成比例。实际上，由于转速计是同步发电机，角速度是从频率测量中提取的。4. 控制仿真4.1. 开环控制仿真开环控制仿真通过施加速度参考和通过可视化的速度响应的模型系统在Matlab/Simulink下进行。如图9所示，设定约10，000RPM该速度值是几乎所有家用通用电机可达到的通用电机参数。参数值总绕组电阻：R9.615X总绕组电感：L0.0705H互感系数：k0.138 N-m/wb-A摩擦系数：b0.000063 N.m/（rad/s）静摩擦扭矩：Tfs0.03512 N.m惯性矩：J0.00032 kg.m2见图9。 开环控制仿真。设备.仿真结果表明，速度响应接近的静态误差的顺序为3.56的参考。该曲线的特征在于约0.98 s的响应时间4.2. 控制器设计为了提高系统的性能，主要是速度和精度，同时保持稳定，PI控制器。该控制器广泛用于运动控制应用[20PI控制器传递函数由（11）给出：C s1KpsKisð11Þ见图7。 双全桥驱动器框图。主导极点补偿法是先对最慢极点进行补偿，然后再寻找增益，以获得对速度设定值的H. Ben Abdeljawed和L.阿姆拉维工程科学与技术，国际期刊34（2022）1010925¼K2哦，天哪！ ð Þ ðÞ ¼S为了定义瞬态质量标准，通用电机采用最简单的动态模型。根据（9），并假设电感和摩擦效应可忽略不计，该模型对应于（12）Gsx sKð12ÞVs1sem s其中，K是静态增益，sem是机电时间常数，分别由（13）、（14）K1K塞姆 ¼RJ（12）允许由（15）给出的实极点1ð13Þð14Þ见图11。 闭环控制仿真结果。5.1. 开环控制实现-sem15以下方法首先包括补偿机电时间常数，以便作用于系统动态。在第二步中，极点配置使得可以使控制器时间常数Ki适应期望的性能。考虑到（11）和（12），系统FER函数由（16）给出参考速度通过ControlDesk下的人机界面（HMI）设置速度设定点的等效电压是使用“功能0”块中集成的稳态电气方程提取的。该电压除以功率转换器端子处的固定电压（45 V）。最终使用“功能1”块来调节所得到的电流，因此，生成具有即时计算的占空比G s C s G s1KpsKKis1semsð16Þ在实践中，所实施的开环控制结果揭示了1.83秒的响应时间，如图所示。 13岁赔偿规定（17）Kp½sem17mm在补偿和应用梅森5.2. 闭环控制实现通过HMI设置速度参考值。在与测速发电机测量值进行比较后，控制器做出反应以满足设定值，并输出一个信号，该信号的最小和最大限值1G组18Þ受到饱和阻滞。后者，使得有可能C.Kis 2011年1月K0.165的极点被强加。时间常数Ki可由（18）式确定。因此，综合控制器的参数Kp和Ki分别为0.161和1.195。4.3.闭环控制仿真将合成的控制器参数集成到图1所示的Simulink模型中。 10个。对于相同的速度参考（10000 RPM），图中给出的仿真结果。 11揭示了静态误差的消除，以及响应时间的减少，其从开环中的0.98 s变为闭环中的0.26 s。这反映了系统动态的显著增加5. 实时控制实现为了评估控制策略的正确性，进行了实际实施。在Matlab/Simulink环境下开发的控制模型被编译并加载到MicroAutoBox中。使控制器发出的信号适应固定以便将整个操作将设计的模型转换为占空比，如图14所示。因此，MicroAutoBox产生的PWM信号根据所需的速度设定点进行调制。根据图 15、响应时间从1.83 s至0.43 s。因此，改善了系统动态。同样，静态误差也被消除，从而保证了控制器设计过程的准确性。5.3. 绩效考核通过仿真和实现在闭环中获得的结果的叠加，揭示了实际系统动态中的延迟。图16所示的观察结果是由于测速发电机和功率转换器的响应时间所提出的控制策略的有效性进行了测试，通过施加干扰的直流电机耦合到通用电机的转子轴虽然实验是在亲-相反，负载扭矩随机变化。如图17所示，在时间t = 10 s时施加恒定负载转矩扰动。闭环系统反应迅速，速度符合其参考值速度参考+角速度-通用电机模型PI速度控制器见图10。 闭环控制图。见图12。 开环控制图。H. Ben Abdeljawed和L.阿姆拉维工程科学与技术，国际期刊34（2022）1010926图十三. 实现了开环控制的结果。图14. 闭环控制图。图15. 闭环控制的实施结果。图16. 闭环控制结果的比较。在约2.45 s后的值。因此，所提出的控制器成功地密切跟踪速度设定值以及随机干扰下。然而，在开环中，扰动产生突然的速度下降。0.6 s后，速度消失，电机失速。因此，系统不能容忍开环中的负载扰动。与相同有效值的交流电压相比，直流驱动的通用电机可以在更短的时间内达到更高的最高转速和更高的起动转矩通用直流电动机图17. 耐用性试验结果。不偏离其AC性能。此外，减少了待机模式下的功率损耗5.4. 提高电能质量在公用频率下运行的TRIAC会产生显著量级的低阶谐波，导致高THD和低功率因数[23]。对谐波的关注是由于对大多数电力系统谐波失真水平增加的关注谐波的影响表现为产生振动耦合、提高噪声、干扰通信线路、电流过大和绕组过热。这些现象影响电机的寿命，从而影响家用电器的寿命此外，谐波使系统损耗增加高达20%，特别是对于不同的谐波水平， 配电网中的功率损耗可以量化为4% 至8.5%[24在这方面，与TRIAC控制方法相比，用PWM信号驱动DC供电的通用电机减少了电流6. 结论本文模拟并实现了通用电机的速度控制另一方面，本文强调了快速 控 制 原 型 在 控 制 律 验 证 中 的 重 要 性 ， 并 通 过dSPACEMicroAutoBox给出了一种实时实现方法。该控制策略成功地模拟和实施实时使用人机界面。采用主导极点补偿法设计的PI控制器消除了系统的静态误差，使系统的速度性能提高了26.5%，在实际应用中提高了23.5%。控制结果反映了改善的操作性能，表现在更有效的行为，更低的功耗，灰，更少的绕组发热，并在声学噪声的整体降低。实验结果证明了该控制策略对随机负载扰动本文的结果证实了直流电源在未来家庭中的前景，它可以确保能源效率，延长通用电机的寿命，从而延长家用电器的寿命，此外，由于所涉及的无害电压和电流水平，H. Ben Abdeljawed和L.阿姆拉维工程科学与技术，国际期刊34（2022）1010927竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。确认这项研究没有从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何具体的资助。引用[1] C.万恰彼得，弗吉尼亚州。Boicea，通用电机评估的教育和实验研究，在：2019年第11届电气工程高级主题国际研讨会（ATEE）。布加勒斯特，2019年，pp. 一比四[2] A.迪热尔特河Perini，通用电机中的换向现象模型，IEEE Trans. 能量转换 21（1）（2006）27-33。[3] A.迪热尔特河Perini，通用电机：在设计和建模方面具有常青挑战的经典机器，在：IEEE电机设计，控制和诊断研讨会（WEMDCD）。Paris，2013，pp. 85比94[4] G.爸爸，B。科鲁西克-塞利亚克湾Benedicic，T. Kmecl，使用进化优化的通用电机效率改进，IEEE Trans.Ind.Electron.50（3）（2003）602-611。[5] H. 齐湖，加-地Ling角Jichao，X.魏，电动工具用深槽通用电机的 设 计 与 研 究 ，J。电力电子 20（6）（2020）1604-1615。[6] 诉Umesh，S.米什拉河西蒙，A.K.Singh，P.Moses，基于转子表面改性的通用电机声学降噪，在：国际数据科学与通信会议（IconDSC）。班加罗尔，2019年，pp. 一比五[7] G. Arunkumar，D. Elangovan，P. Sanjeevikumar，J.B.H. 尼尔森，Z. Leonowicz，P.K. 约 瑟 夫，国内电气化直流电网，能源12（11）（2019）2157。[8] N.S. Suresh，M.库马尔，S。Arul Daniel，智能家居低压直流电源的多代理策略，智能可持续建筑环境。 9（2）（2020）73-90.[9] E. Rodriguez-Diaz，J.C. Vasquez，J.M.格雷罗，潜在的能源节约通过使用直流住宅应用：丹麦家庭研究案例，在：IEEE第二届国际直流微电网会议（ICDCM），纽伦堡，2017年，第107页。547-552[10] A.T. Alexandis，G.C. 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