root/applications/pmsm/simulator_zdenek/simulator.cpp @ 1084

Revision 326, 12.1 kB (checked in by smidl, 16 years ago)

pmsm + UI for EKF

  • Property svn:eol-style set to native
Line 
1/*
2   Simulator of Vector Controlled PMSM Drive
3
4   This module is background for PMSM drive object design and
5   introduces basic functions ... set_parameters() and eval().
6
7   Z. Peroutka
8
9Rev. 25.4.2009
10
11*/
12
13#define _USE_MATH_DEFINES
14
15#include <stdio.h>
16#include <math.h>
17#include <stdlib.h> //na linuxu je abs v stdlib
18#include "regulace.h"
19#include "simulator.h"
20
21
22#define REZIM_REGULACE  1       // 0...reg. momentu, 1...reg.rychlosti, 2... Isqw=sqrt(Imax^2-Id^2) - max. moment
23
24void pmsmsim_set_parameters(double Rs0, double Ls0, double Fmag0, double Bf0, double p0, double kp0, double J0, double Uc0, double DT0, double dt0);
25void pmsmsim_step(double Ww);
26
27// local functions
28static void pwm(unsigned int mod);
29static double ubytek(double I);
30static void pmsm_model(unsigned int mod);
31
32
33// simulator properties ///////////////////////
34static double Rs,Ls,Fmag,Bf,p,kp,J;        // parameters of PMSM model
35static double Ucn,Uc,DT,U_modulace;        // dc-link voltage and dead-time
36static double Urm_max;                     // field weakening
37static double h,h_reg,h_reg_real;          // simulation step and sampling of employed loops
38unsigned int h_reg_counter,h_reg_counter_mez;       // emulation of DSP operation
39
40static 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
41static unsigned int pocet=8;            // velikost VA-charky
42
43// system state
44double x[9]; // (isx,isy,wme,theta_e,M,Fsd,Isd,Isq,Mz)
45
46// internal variables of PWM module
47static int smer, smer2, citac, citac2, citac_PR, modulace;
48
49// internal variables of PMSM model
50static double dIsx,dIsx1,dIsx2,dIsx3,dIsy,dIsy1,dIsy2,dIsy3;
51static double dTheta,dTheta1,dTheta2,dTheta3;
52static double dw,dw1,dw2,dw3;
53
54// system measures
55static double Isx, Isy, theta, speed;
56
57// control
58static double u[2]={0.,0.};             // format u={Um, beta}
59static double us[2]={0.,0.};    // format us={us_alfa, us_beta}
60
61// variables for calculation of mean values of stator voltage components
62static double usx_av=0., usy_av=0.,sum_usx_av=0.,sum_usy_av=0.;
63
64// variables for calculation of mean values of stator current components - (alfa, beta)
65static double isx_av=0., isy_av=0.,sum_isx_av=0.,sum_isy_av=0.;
66
67// stator voltage components filtering
68static double usxf=0.,usyf=0.,Tf=0.01;
69static unsigned int start_filter=1;
70
71// output for EKF (voltages and measured currents, which are fed to KalmanObs)
72double KalmanObs[10]={0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.,0.};      // usx, usy, Isx, Isy, usx_av, usy_av
73
74// real-time
75double t=0.; //VS removed static due to clash with export in .h
76
77// stator voltage components in alfa beta (inluding impact of the real dc-link voltage)
78static double ualfa=0., ubeta=0.;
79
80// PWM - improvement of dead-time effect emulation
81static unsigned int start_pwm=1;
82static int uact[3]={1,1,1};
83static int ureq[3]={1,1,1};
84static unsigned int DT_counter[3]={0,0,0};
85static unsigned int DT_counter_mez;
86
87// debug
88static double debug_pwm;
89FILE *fdebug;
90
91/////////////////// POMOCNE FUNKCE //////////////////////////////////
92double uhel(double x, double y)
93{
94  double th;
95
96  if (x==0)
97    if (y==0) th=0.;
98        else if (y>0) th=M_PI/2.;
99             else th=-M_PI/2.;
100  else
101    th=atan(y/x);
102
103  if (x<0) th+=M_PI;
104
105  return th;
106}
107/////////////////////////////////////////////////////////////////////
108
109
110void pmsmsim_set_parameters(double Rs0, double Ls0, double Fmag0, double Bf0, double p0, double kp0, double J0, double Uc0, double DT0, double dt0)
111{
112  int tmp_i;
113
114  // simulator parameters setup
115  Rs=Rs0;
116  Ls=Ls0;
117  Fmag=Fmag0;
118  Bf=Bf0;
119  p=p0;
120  kp=kp0;
121  J=J0;
122  Ucn=600.;
123  Uc=Uc0;
124  DT=DT0;
125
126  // control setup
127  Urm_max=0.95;
128
129  // simulator sampling - fixed setup
130  h=dt0;
131  h_reg=125e-6;         // fpwm = 4kHz
132  h_reg_counter_mez=(int)(h_reg/h);         // emulation of operation of DSP timer
133  //h_reg_counter=h_reg_counter_mez;
134  h_reg_counter=1;
135  h_reg_real=h_reg_counter_mez*h;           // real sampling period
136
137  // reset of the system state variables
138  for (tmp_i=0;tmp_i<9;tmp_i++)
139    x[tmp_i]=0.;
140
141  // emulation of the first measure
142  Isx=0.;Isy=0.;theta=x[3];speed=x[2];
143
144// === init of particular modules of simulator ===
145  // PWM init
146  smer=-1; smer2=-1;
147  citac=0;
148  citac2=abs(0-(int)(DT/h)); //VS: oprava, je to spravne?
149  citac_PR=h_reg_counter_mez;
150  DT_counter_mez = (int)(DT/h);
151
152  // first interrupt occur after first period match => add 1 to both counter registers
153  citac++;smer=1;
154  citac2--;
155
156  modulace=0;           // THIPWM
157  if (modulace==1)
158    U_modulace=Ucn/sqrt(3.);
159  else
160    U_modulace=Ucn/2.;
161
162  // PMSM model init
163  dIsx=0;dIsx1=0;dIsx2=0;dIsx3=0;dIsy=0;dIsy1=0;dIsy2=0;dIsy3=0;
164  dTheta=0;dTheta1=0;dTheta2=0;dTheta3=0;
165  dw=0;dw1=0;dw2=0;dw3=0;
166
167  init_regulace(Ls,Fmag,kp,p,h_reg_real);
168 
169  // !!d!!
170//  fdebug=fopen("data_debug.txt","w");
171}
172
173
174static void pwm(unsigned int mod)
175// mod ... mod=0 - sinusoidal PWM; mod=1 - PWM with injected 3rd harmonic
176{
177  unsigned int i;
178  double iabc[3], ur[3],ustr[3],ua,ub,uc;
179  double dtr[3],dd[3];
180  double Um, beta;
181  double U3;
182  double up, up2;
183
184  Um=*u;
185  beta=*(u+1);
186
187  // emulation of carrier - timer
188  up=((double)citac/citac_PR-0.5)*Ucn;
189   
190  iabc[0]=*x;
191  iabc[1]=(-*x+sqrt(3.)**(x+1))/2.;
192  iabc[2]=(-*x-sqrt(3.)**(x+1))/2.;
193
194  if (mod==0)   // sin. PWM
195  {
196    ur[0]=Um*cos(beta);
197    ur[1]=Um*cos(beta-2./3.*M_PI);
198    ur[2]=Um*cos(beta+2./3.*M_PI);
199  }
200  else                  // PWM with injected 3rd harmonic
201  {
202    U3=0.17*cos(3.*beta);
203    ur[0]=Um*(cos(beta)-U3);
204    ur[1]=Um*(cos(beta-2./3.*M_PI)-U3);
205    ur[2]=Um*(cos(beta+2./3.*M_PI)-U3);
206  }
207
208  for (i=0;i<3;i++)
209  { dtr[i]=ubytek(fabs(iabc[i]));
210    dd[i]=dtr[i]*.73;
211  }
212 
213  // mitigation of the voltage drops
214/* for (i=0;i<3;i++)
215 {
216   dtr[i]=0.;
217   dd[i]=0.;
218 }
219/**/ 
220 
221 // PWM compare emulation
222  for (i=0;i<3;i++)
223          if (ur[i]>up)
224                  ureq[i]=1;
225      else
226                  ureq[i]=-1;
227
228  // First entrace into PWM - actual switching combination is initiated with required switching state
229  if (start_pwm == 1)
230  {       
231          for (i=0;i<3;i++)
232                  uact[i]=ureq[i];
233          start_pwm=0;
234  }
235 
236  // Dead-time effect has no impact on switching combination, when switching from transistor to diode
237  for (i=0;i<3;i++)
238  {
239          if ((iabc[i]>0.5) && (uact[i]==1))
240            uact[i]=ureq[i];
241                 
242          if ((iabc[i]<-0.5) && (uact[i]==-1))
243            uact[i]=ureq[i];
244  }
245/**/
246   
247/*  for (i=0;i<3;i++)
248          uact[i]=ureq[i];*/
249 
250  // Dead-time effect emulation
251  for (i=0;i<3;i++)
252    if ((uact[i]!=ureq[i]) && (DT_counter[i]<DT_counter_mez))
253      DT_counter[i]++;
254    else
255        {
256          uact[i]=ureq[i];
257          DT_counter[i]=0;
258        }
259       
260        // inverter phase voltage computation
261        for (i=0;i<3;i++)
262                ustr[i]=uact[i]*Uc/2.;
263       
264        // implementation of voltage drops
265        for (i=0;i<3;i++)
266          if (iabc[i]>0)
267                if (uact[i]==1)
268                  ustr[i]-=dtr[i];
269            else
270                  ustr[i]-=dd[i];
271          else
272                if (uact[i]==-1)
273                  ustr[i]+=dtr[i];
274            else
275                  ustr[i]+=dd[i];
276/**/ 
277  // phase voltages
278  ua=(2.*ustr[0]-ustr[1]-ustr[2])/3.;
279  ub=(2.*ustr[1]-ustr[0]-ustr[2])/3.;
280  uc=(2.*ustr[2]-ustr[0]-ustr[1])/3.;
281
282// voltage vector in stationary reference frame (x,y)
283  *us=(2.*ua-ub-uc)/3.;
284  *(us+1)=(ub-uc)/sqrt(3.);
285 
286  // sinusoidal inverter!!!!
287//  *us=ur[0];
288//  *(us+1)=(ur[1]-ur[2])/sqrt(3.);
289
290  // emulation of DSP timers
291  if ((citac==citac_PR)||(citac==0))
292  {
293    smer*=-1;
294    // calculation of stator voltage components mean values
295    usx_av=h/h_reg*sum_usx_av;
296    usy_av=h/h_reg*sum_usy_av;
297    // reset of sum accumulators
298    sum_usx_av=0.;
299    sum_usy_av=0.;
300
301    // stator current components mean values - reference frame (alfa, beta)
302    isx_av=h/h_reg*sum_isx_av;
303    isy_av=h/h_reg*sum_isy_av;
304    // reset of sum accumulators
305    sum_isx_av=0.;
306    sum_isy_av=0.;
307  }
308  if ((citac2==citac_PR)||(citac2==0)) smer2*=-1;
309  citac+=smer;
310  citac2+=smer2;
311
312  // calculation of stator voltage components mean values - sum
313  sum_usx_av+=*us;
314  sum_usy_av+=*(us+1);
315
316  // stator voltage components filtering
317  //if (start_filter==1)
318  usxf+=(*us-usxf)*h/h_reg;
319  usyf+=(*(us+1)-usyf)*h/h_reg;
320
321  // stator current components mean values - reference frame (alfa, beta)
322  sum_isx_av+=*x;
323  sum_isy_av+=*(x+1);
324 
325  debug_pwm = ur[0]; // !!!!
326  // !!d!!
327//  fprintf(fdebug,"%f %f %f \n",ustr[0],*us,x[0]);
328}
329
330static double ubytek(double I)
331{
332  unsigned int ii;
333  double delta_u;
334
335  ii=0;
336  while ((*(va_char+ii)<I) && (ii<(pocet-1)))
337    ii++;
338
339  if (ii==(pocet-1))
340    delta_u=*(va_char+ii+pocet);
341  else
342    if (ii==0)
343      delta_u=0;
344    else
345      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));
346
347  return delta_u;
348}
349
350
351static void pmsm_model(unsigned int mod)
352// mod<5...Euler, mod>4 ... Adams of 4th order
353{
354  double usx, usy;
355
356  usx=*us;
357  usy=*(us+1);
358
359  dIsx=-Rs/Ls*x[0]+Fmag/Ls*x[2]*sin(x[3])+usx/Ls;
360  dIsy=-Rs/Ls*x[1]-Fmag/Ls*x[2]*cos(x[3])+usy/Ls;
361  dTheta=x[2];
362
363  if (J>0)
364    dw=kp*p*p*Fmag/J*(x[1]*cos(x[3])-x[0]*sin(x[3]))-Bf/J*x[2]-p/J*x[8];
365  else
366    dw=0;
367
368  // integration
369  if (mod<5)  // Euler
370  { x[0]+=dIsx*h;
371    x[1]+=dIsy*h;
372    x[2]+=dw*h;
373    x[3]+=dTheta*h;
374  }
375  else                  // Adams (4th order)
376  { x[0]+=h/24.*(55.*dIsx-59.*dIsx1+37.*dIsx2-9.*dIsx3);
377    x[1]+=h/24.*(55.*dIsy-59.*dIsy1+37.*dIsy2-9.*dIsy3);
378    x[2]+=h/24.*(55.*dw-59.*dw1+37.*dw2-9.*dw3);
379    x[3]+=h/24.*(55.*dTheta-59.*dTheta1+37.*dTheta2-9.*dTheta3);
380  }
381
382  // saturation of theta to (-pi,pi)
383  if (x[3]>M_PI) x[3]-=(2*M_PI);
384  if (x[3]<-M_PI) x[3]+=(2*M_PI);
385
386  // diff. shift - Adams
387  dIsx3=dIsx2;dIsx2=dIsx1;dIsx1=dIsx;
388  dIsy3=dIsy2;dIsy2=dIsy1;dIsy1=dIsy;
389  dTheta3=dTheta2;dTheta2=dTheta1;dTheta1=dTheta;
390  dw3=dw2;dw2=dw1;dw1=dw;
391
392  // calculation of Isd, Isq
393  x[6]=x[0]*cos(x[3])+x[1]*sin(x[3]);         // Isd
394  x[7]=x[1]*cos(x[3])-x[0]*sin(x[3]);         // Isq
395
396  // Fsd ... d-component of stator flux
397  x[5]=Ls*x[6]+Fmag;
398
399  // Torque
400  x[4]=kp*p*Fmag*(x[1]*cos(x[3])-x[0]*sin(x[3]));
401}
402
403//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
404void pmsmsim_step(double Ww, double Mz)            // you must link array KalmanObs[] to EKF modul
405{
406  double Umk, ub, uc;
407
408//  while (t<=t_end)
409  {
410    pwm(modulace);
411//    *us=KalmanObs[0]; *(us+1)=KalmanObs[1];
412//     *us=ualfa; *(us+1)=ubeta;
413        //Mz
414        x[8]= Mz;
415       
416    pmsm_model(5);
417
418    if (h_reg_counter>=h_reg_counter_mez)           // pocatek ISR
419    {
420      // voltages and measured currents for EKF
421//       Umk=*u*Uc/Ucn;
422//       ualfa=Umk*cos(*(u+1));
423//       ub=Umk*cos(*(u+1)-2./3.*M_PI);
424      KalmanObs[0]=ualfa; //debug_pwm;                     // usx
425      //KalmanObs[1]=(ualfa+2.*ub)/sqrt(3.);    // usy
426      KalmanObs[1]=ubeta;    // usy
427     
428      // real sampling - considered transport delay equal to the sampling period
429/*     KalmanObs[2]=Isx;
430     KalmanObs[3]=Isy;*/
431      // ideal sampling
432      KalmanObs[2]=x[0];
433      KalmanObs[3]=x[1];
434     
435      // diagnostic - mean values of stator voltage components - pwm()
436      KalmanObs[4]=usx_av;
437      KalmanObs[5]=usy_av;
438      KalmanObs[6]=usxf;
439      KalmanObs[7]=usyf;
440      KalmanObs[8]=isx_av;
441      KalmanObs[9]=isy_av;     
442
443       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
444                                                                                                                // rezim=2 ... Iqw=sqrt(Imax^2-Idw^2)
445     
446/*        *u=2*15.0;
447          *(u+1)+=2*0.00157;*/
448// emulation of the real sampling of A/D converter
449      Isx=x[0];Isy=x[1];speed=x[2];theta=x[3];
450
451      // include ideal commanded stator voltage
452      Umk=*u*Uc/Ucn;// !!!!
453      ualfa=Umk*cos(*(u+1));               // usx = usa
454      ub=Umk*cos(*(u+1)-2./3.*M_PI);
455      ubeta=(ualfa+2.*ub)/sqrt(3.);    // usy
456//       uc=-ualfa-ub;
457//       ubeta=(ub-uc)/sqrt(3.);
458
459      h_reg_counter=0;
460    }
461
462    t+=h;
463    h_reg_counter++;
464  }
465}
466
467void pmsmsim_noreg_step(double ua, double ub)            // you must link array KalmanObs[] to EKF modul
468{
469  double kor_Uc;
470
471   *u=sqrt(ua*ua+ub*ub);
472   *(u+1)=uhel(ua,ub);
473 
474/*  *u=5.0;
475  *(u+1)+=0.00157;*/
476  // uprava velikosti vzhledem k Uc!=Ucn
477  kor_Uc=Ucn/230.;
478  *u*=kor_Uc; /**/
479
480  pwm(modulace);
481
482//  *us=*u*cos(*(u+1));
483//  *(us+1)=*u*sin(*(u+1));;
484
485  pmsm_model(5);
486}
487//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
488//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
Note: See TracBrowser for help on using the browser.