| 1 | /* |
|---|
| 2 | Simulator of Vector Controlled PMSM Drive |
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| 3 | |
|---|
| 4 | This module is background for PMSM drive object design and |
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| 5 | introduces basic functions ... set_parameters() and eval(). |
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| 6 | |
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| 7 | Z. Peroutka |
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| 8 | |
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| 9 | Rev. 16.3.2008 |
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| 10 | |
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| 11 | */ |
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| 12 | |
|---|
| 13 | #include <math.h> |
|---|
| 14 | #include "regulace.h" |
|---|
| 15 | #include "simulator.h" |
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| 16 | |
|---|
| 17 | #define REZIM_REGULACE 1 // 0...reg. momentu, 1...reg.rychlosti, 2... Isqw=sqrt(Imax^2-Id^2) - max. moment |
|---|
| 18 | |
|---|
| 19 | void set_parameters(double Rs0, double Ls0, double Fmag0, double Bf0, double p0, double kp0, double J0, double Uc0, double DT0, double dt0); |
|---|
| 20 | void eval(double Ww); |
|---|
| 21 | |
|---|
| 22 | // local functions |
|---|
| 23 | static void pwm(unsigned int mod); |
|---|
| 24 | static double ubytek(double I); |
|---|
| 25 | static void pmsm_model(unsigned int mod); |
|---|
| 26 | |
|---|
| 27 | |
|---|
| 28 | // simulator properties /////////////////////// |
|---|
| 29 | static double Rs,Ls,Fmag,Bf,p,kp,J; // parameters of PMSM model |
|---|
| 30 | static double Ucn,Uc,DT,U_modulace; // dc-link voltage and dead-time |
|---|
| 31 | static double Urm_max; // field weakening |
|---|
| 32 | static double h,h_reg,h_reg_real; // simulation step and sampling of employed loops |
|---|
| 33 | unsigned int h_reg_counter,h_reg_counter_mez; // emulation of DSP operation |
|---|
| 34 | |
|---|
| 35 | static double va_char[16]={0,10,50,100,200,300,500,1000, 0,1,1.8,2.4,3.2,3.8,4.8,6.8}; // ubytky |
|---|
| 36 | static unsigned int pocet=8; // velikost VA-charky |
|---|
| 37 | |
|---|
| 38 | // system state |
|---|
| 39 | double x[9]; // (isx,isy,wme,theta_e,M,Fsd,Isd,Isq,Mz) |
|---|
| 40 | |
|---|
| 41 | // internal variables of PWM module |
|---|
| 42 | static int smer, smer2, citac, citac2, citac_PR, modulace; |
|---|
| 43 | |
|---|
| 44 | // internal variables of PMSM model |
|---|
| 45 | static double dIsx,dIsx1,dIsx2,dIsx3,dIsy,dIsy1,dIsy2,dIsy3; |
|---|
| 46 | static double dTheta,dTheta1,dTheta2,dTheta3; |
|---|
| 47 | static double dw,dw1,dw2,dw3; |
|---|
| 48 | |
|---|
| 49 | // system measures |
|---|
| 50 | static double Isx, Isy, theta, speed; |
|---|
| 51 | |
|---|
| 52 | // control |
|---|
| 53 | static double u[2]={0.,0.}; // format u={Um, beta} |
|---|
| 54 | static double us[2]={0.,0.}; // format us={us_alfa, us_beta} |
|---|
| 55 | |
|---|
| 56 | // output for EKF (voltages and measured currents, which are fed to KalmanObs) |
|---|
| 57 | static double KalmanObs[4]={0.,0.,0.,0.}; // usx, usy, Isx, Isy |
|---|
| 58 | |
|---|
| 59 | // real-time |
|---|
| 60 | static double t=0.; |
|---|
| 61 | |
|---|
| 62 | void set_parameters(double Rs0, double Ls0, double Fmag0, double Bf0, double p0, double kp0, double J0, double Uc0, double DT0, double dt0) |
|---|
| 63 | { |
|---|
| 64 | int tmp_i; |
|---|
| 65 | |
|---|
| 66 | // simulator parameters setup |
|---|
| 67 | Rs=Rs0; |
|---|
| 68 | Ls=Ls0; |
|---|
| 69 | Fmag=Fmag0; |
|---|
| 70 | Bf=Bf0; |
|---|
| 71 | p=p0; |
|---|
| 72 | kp=kp0; |
|---|
| 73 | J=J0; |
|---|
| 74 | Ucn=600.; |
|---|
| 75 | Uc=Uc0; |
|---|
| 76 | DT=DT0; |
|---|
| 77 | |
|---|
| 78 | // control setup |
|---|
| 79 | Urm_max=0.95; |
|---|
| 80 | |
|---|
| 81 | // simulator sampling - fixed setup |
|---|
| 82 | h=dt0; |
|---|
| 83 | h_reg=125e-6; // fpwm = 4kHz |
|---|
| 84 | h_reg_counter_mez=(int)(h_reg/h); // emulation of operation of DSP timer |
|---|
| 85 | h_reg_counter=h_reg_counter_mez; |
|---|
| 86 | h_reg_real=h_reg_counter_mez*h; // real sampling period |
|---|
| 87 | |
|---|
| 88 | // reset of the system state variables |
|---|
| 89 | for (tmp_i=0;tmp_i<9;tmp_i++) |
|---|
| 90 | x[tmp_i]=0.; |
|---|
| 91 | |
|---|
| 92 | // emulation of the first measure |
|---|
| 93 | Isx=0.;Isy=0.;theta=x[3];speed=x[2]; |
|---|
| 94 | |
|---|
| 95 | // === init of particular modules of simulator === |
|---|
| 96 | // PWM init |
|---|
| 97 | smer=-1; smer2=-1; |
|---|
| 98 | citac=0; |
|---|
| 99 | citac2=abs(0-(DT/h)); |
|---|
| 100 | citac_PR=h_reg_counter_mez; |
|---|
| 101 | |
|---|
| 102 | modulace=1; // THIPWM |
|---|
| 103 | if (modulace==1) |
|---|
| 104 | U_modulace=Ucn/sqrt(3.); |
|---|
| 105 | else |
|---|
| 106 | U_modulace=Ucn/2.; |
|---|
| 107 | |
|---|
| 108 | // PMSM model init |
|---|
| 109 | dIsx=0;dIsx1=0;dIsx2=0;dIsx3=0;dIsy=0;dIsy1=0;dIsy2=0;dIsy3=0; |
|---|
| 110 | dTheta=0;dTheta1=0;dTheta2=0;dTheta3=0; |
|---|
| 111 | dw=0;dw1=0;dw2=0;dw3=0; |
|---|
| 112 | |
|---|
| 113 | init_regulace(Ls,Fmag,kp,p,h_reg_real); |
|---|
| 114 | } |
|---|
| 115 | |
|---|
| 116 | |
|---|
| 117 | static void pwm(unsigned int mod) |
|---|
| 118 | // mod ... mod=0 - sinusoidal PWM; mod=1 - PWM with injected 3rd harmonic |
|---|
| 119 | { |
|---|
| 120 | unsigned int i; |
|---|
| 121 | double iabc[3], ur[3],ustr[3],ua,ub,uc; |
|---|
| 122 | double dtr[3],dd[3]; |
|---|
| 123 | double Um, beta; |
|---|
| 124 | double U3; |
|---|
| 125 | double up, up2; |
|---|
| 126 | |
|---|
| 127 | Um=*u; |
|---|
| 128 | beta=*(u+1); |
|---|
| 129 | |
|---|
| 130 | // emulation of carrier - timer |
|---|
| 131 | up=((double)citac/citac_PR-0.5)*Ucn; |
|---|
| 132 | up2=((double)citac2/citac_PR-0.5)*Ucn; |
|---|
| 133 | |
|---|
| 134 | iabc[0]=*x; |
|---|
| 135 | iabc[1]=(-*x+sqrt(3.)**(x+1))/2.; |
|---|
| 136 | iabc[2]=(-*x-sqrt(3.)**(x+1))/2.; |
|---|
| 137 | |
|---|
| 138 | if (mod==0) // sin. PWM |
|---|
| 139 | { |
|---|
| 140 | ur[0]=Um*cos(beta); |
|---|
| 141 | ur[1]=Um*cos(beta-2./3.*M_PI); |
|---|
| 142 | ur[2]=Um*cos(beta+2./3.*M_PI); |
|---|
| 143 | } |
|---|
| 144 | else // PWM with injected 3rd harmonic |
|---|
| 145 | { |
|---|
| 146 | U3=0.17*cos(3.*beta); |
|---|
| 147 | ur[0]=Um*(cos(beta)-U3); |
|---|
| 148 | ur[1]=Um*(cos(beta-2./3.*M_PI)-U3); |
|---|
| 149 | ur[2]=Um*(cos(beta+2./3.*M_PI)-U3); |
|---|
| 150 | } |
|---|
| 151 | |
|---|
| 152 | for (i=0;i<3;i++) |
|---|
| 153 | { dtr[i]=ubytek(fabs(iabc[i])); |
|---|
| 154 | dd[i]=dtr[i]*.73; |
|---|
| 155 | } |
|---|
| 156 | |
|---|
| 157 | // implementation of voltage drops and dead-times |
|---|
| 158 | for (i=0;i<3;i++) |
|---|
| 159 | if (iabc[i]>=0) |
|---|
| 160 | if ((ur[i]>up) && (ur[i]>up2)) |
|---|
| 161 | ustr[i]=Uc/2-dtr[i]; |
|---|
| 162 | else |
|---|
| 163 | ustr[i]=-(Uc/2+dd[i]); |
|---|
| 164 | else |
|---|
| 165 | if ((ur[i]<up) && (ur[i]<up2)) |
|---|
| 166 | ustr[i]=-(Uc/2-dtr[i]); |
|---|
| 167 | else |
|---|
| 168 | ustr[i]=Uc/2+dd[i]; |
|---|
| 169 | |
|---|
| 170 | // phase voltages |
|---|
| 171 | ua=(2.*ustr[0]-ustr[1]-ustr[2])/3.; |
|---|
| 172 | ub=(2.*ustr[1]-ustr[0]-ustr[2])/3.; |
|---|
| 173 | uc=(2.*ustr[2]-ustr[0]-ustr[1])/3.; |
|---|
| 174 | |
|---|
| 175 | // voltage vector in stationary reference frame (x,y) |
|---|
| 176 | *us=(2.*ua-ub-uc)/3.; |
|---|
| 177 | *(us+1)=(ub-uc)/sqrt(3.); |
|---|
| 178 | |
|---|
| 179 | // emulation of DSP timers |
|---|
| 180 | if ((citac==citac_PR)||(citac==0)) smer*=-1; |
|---|
| 181 | if ((citac2==citac_PR)||(citac2==0)) smer2*=-1; |
|---|
| 182 | citac+=smer; |
|---|
| 183 | citac2+=smer2; |
|---|
| 184 | } |
|---|
| 185 | |
|---|
| 186 | static double ubytek(double I) |
|---|
| 187 | { |
|---|
| 188 | unsigned int ii; |
|---|
| 189 | double delta_u; |
|---|
| 190 | |
|---|
| 191 | ii=0; |
|---|
| 192 | while ((*(va_char+ii)<I) && (ii<(pocet-1))) |
|---|
| 193 | ii++; |
|---|
| 194 | |
|---|
| 195 | if (ii==(pocet-1)) |
|---|
| 196 | delta_u=*(va_char+ii+pocet); |
|---|
| 197 | else |
|---|
| 198 | if (ii==0) |
|---|
| 199 | delta_u=0; |
|---|
| 200 | else |
|---|
| 201 | delta_u=*(va_char+ii-1+pocet)+(I-*(va_char+ii-1))/(*(va_char+ii)-*(va_char+ii-1))*(*(va_char+ii+pocet)-*(va_char+ii-1+pocet)); |
|---|
| 202 | |
|---|
| 203 | return delta_u; |
|---|
| 204 | } |
|---|
| 205 | |
|---|
| 206 | |
|---|
| 207 | static void pmsm_model(unsigned int mod) |
|---|
| 208 | // mod<5...Euler, mod>4 ... Adams of 4th order |
|---|
| 209 | { |
|---|
| 210 | double usx, usy; |
|---|
| 211 | |
|---|
| 212 | usx=*us; |
|---|
| 213 | usy=*(us+1); |
|---|
| 214 | |
|---|
| 215 | dIsx=-Rs/Ls*x[0]+Fmag/Ls*x[2]*sin(x[3])+usx/Ls; |
|---|
| 216 | dIsy=-Rs/Ls*x[1]-Fmag/Ls*x[2]*cos(x[3])+usy/Ls; |
|---|
| 217 | dTheta=x[2]; |
|---|
| 218 | |
|---|
| 219 | if (J>0) |
|---|
| 220 | dw=kp*p*p*Fmag/J*(x[1]*cos(x[3])-x[0]*sin(x[3]))-Bf/J*x[2]-p/J*x[8]; |
|---|
| 221 | else |
|---|
| 222 | dw=0; |
|---|
| 223 | |
|---|
| 224 | // integration |
|---|
| 225 | if (mod<5) // Euler |
|---|
| 226 | { x[0]+=dIsx*h; |
|---|
| 227 | x[1]+=dIsy*h; |
|---|
| 228 | x[2]+=dw*h; |
|---|
| 229 | x[3]+=dTheta*h; |
|---|
| 230 | } |
|---|
| 231 | else // Adams (4th order) |
|---|
| 232 | { x[0]+=h/24.*(55.*dIsx-59.*dIsx1+37.*dIsx2-9.*dIsx3); |
|---|
| 233 | x[1]+=h/24.*(55.*dIsy-59.*dIsy1+37.*dIsy2-9.*dIsy3); |
|---|
| 234 | x[2]+=h/24.*(55.*dw-59.*dw1+37.*dw2-9.*dw3); |
|---|
| 235 | x[3]+=h/24.*(55.*dTheta-59.*dTheta1+37.*dTheta2-9.*dTheta3); |
|---|
| 236 | } |
|---|
| 237 | |
|---|
| 238 | // saturation of theta to (-pi,pi) |
|---|
| 239 | if (x[3]>M_PI) x[3]-=(2*M_PI); |
|---|
| 240 | if (x[3]<-M_PI) x[3]+=(2*M_PI); |
|---|
| 241 | |
|---|
| 242 | // diff. shift - Adams |
|---|
| 243 | dIsx3=dIsx2;dIsx2=dIsx1;dIsx1=dIsx; |
|---|
| 244 | dIsy3=dIsy2;dIsy2=dIsy1;dIsy1=dIsy; |
|---|
| 245 | dTheta3=dTheta2;dTheta2=dTheta1;dTheta1=dTheta; |
|---|
| 246 | dw3=dw2;dw2=dw1;dw1=dw; |
|---|
| 247 | |
|---|
| 248 | // calculation of Isd, Isq |
|---|
| 249 | x[6]=x[0]*cos(x[3])+x[1]*sin(x[3]); // Isd |
|---|
| 250 | x[7]=x[1]*cos(x[3])-x[0]*sin(x[3]); // Isq |
|---|
| 251 | |
|---|
| 252 | // Fsd ... d-component of stator flux |
|---|
| 253 | x[5]=Ls*x[6]+Fmag; |
|---|
| 254 | |
|---|
| 255 | // Torque |
|---|
| 256 | x[4]=kp*p*Fmag*(x[1]*cos(x[3])-x[0]*sin(x[3])); |
|---|
| 257 | } |
|---|
| 258 | |
|---|
| 259 | ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// |
|---|
| 260 | void eval(double Ww) // you must link array KalmanObs[] to EKF modul |
|---|
| 261 | { |
|---|
| 262 | double Umk, ua, ub; |
|---|
| 263 | |
|---|
| 264 | // while (t<=t_end) |
|---|
| 265 | { |
|---|
| 266 | pwm(modulace); |
|---|
| 267 | pmsm_model(5); |
|---|
| 268 | |
|---|
| 269 | if (h_reg_counter>=h_reg_counter_mez) // pocatek ISR |
|---|
| 270 | { |
|---|
| 271 | // voltages and measured currents for EKF |
|---|
| 272 | Umk=*u*Uc/Ucn; |
|---|
| 273 | ua=Umk*cos(*(u+1)); |
|---|
| 274 | ub=Umk*cos(*(u+1)-2./3.*M_PI); |
|---|
| 275 | KalmanObs[0]=ua; // usx |
|---|
| 276 | KalmanObs[1]=(ua+2.*ub)/sqrt(3.); // usy |
|---|
| 277 | KalmanObs[2]=Isx; |
|---|
| 278 | KalmanObs[3]=Isy; |
|---|
| 279 | |
|---|
| 280 | vektor_regulace(0,0,Urm_max,Ww,u,Isx,Isy,theta,speed,U_modulace,Uc,Ucn,REZIM_REGULACE); // rezim=1 ... reg. rychlosti, rezim=0 ... reg. momentu |
|---|
| 281 | // rezim=2 ... Iqw=sqrt(Imax^2-Idw^2) |
|---|
| 282 | // emulation of the real sampling of A/D converter |
|---|
| 283 | Isx=x[0];Isy=x[1];speed=x[2];theta=x[3]; |
|---|
| 284 | |
|---|
| 285 | h_reg_counter=0; |
|---|
| 286 | } |
|---|
| 287 | |
|---|
| 288 | t+=h; |
|---|
| 289 | h_reg_counter++; |
|---|
| 290 | } |
|---|
| 291 | } |
|---|
| 292 | ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// |
|---|