維吉尼亞理工大學 (Virginia Tech) 使用 NI LabVIEW FPGA 與 CompactRIO 即時控制切換式磁阻馬達 (Switched Reluctance Motor)

Author(s):
Keunsoo Ha - Virginia Tech, Electrical and Computer Engineering

Industry:
University/Education, Research, Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
CompactRIO, Simulation Module, FPGA Module

The Challenge:
針對切換式磁阻馬達 (SRM) 驅動，開發即時速度控制系統。

The Solution:
使用 NI LabVIEW FPGA Module 與 CompactRIO 嵌入式系統，設計、原型製作，並佈署實驗環境，以開發新的 SRM 模擬、控制系統，與驅動技術。 由於 SRM 的簡易度與低廉價格，因而成為電子馬達驅動領域中受到眾多矚目的主題。維吉尼亞理工大學 (Virginia Tech) 的 The Center for Rapid Transit Systems，為國際知名的驅動系統與運動控制研究團隊；專精於設計、模擬，並控制 SRM 與功率轉換器 (Power Converter) 拓撲。

LabVIEW 中的快速設計與模擬

 

我們使用 NI LabVIEW 建立設計與模擬平台，以開發新的控制運算式與功率電子。透過 LabVIEW 模擬模組 (Simulation Module)，我們可以模擬 SRM 的閉迴路系統動力，並使用 LabVIEW 控制設計工具組，以設計馬達的電流與速度控制迴路。我們使用 LabVIEW 中的查表運算 (Lookup Table，LUT) 函式，以表現模擬模型中的非線性關係。SRM 具有非線性的三維 (Three-dimensional) 關係，可串起磁阻與轉矩至電流和位置的關係。接著我們新增功率電子 N+1 轉換器的模型；此模型是由維吉尼亞理工大學的 Krishnan Ramu 教授所發明。我們又新增 LabVIEW 程式區 (可控制轉換器的通訊邏輯) 至模型，並透過模擬驗證程式區 (Block)。

我們以 1,000 rpm 進行模擬，以證明通訊邏輯與閉迴路速度控制系統的功能。模擬作業的精確模型，包含雙相位 (Two-phase) SRM、N+1 轉換器、換位邏輯 (Commutation Logic)、2 組比例積分微分 (proportional integral derivative，PID) 控制器，與 2 組常式，可從馬達的電磁特性 LUT 中尋找磁阻與轉矩。針對連續性的 Solver 方式，我們則使用 Runge-Kutta 4 solver。在調整過後，於無負載狀態下的控制系統，將以低於 1% 的速度過衝 (Speed overshoot) 與約 50 ms 的趨穩時間進行穩定運作。

由於機器磁阻即便於小型電流中，同時為轉子 (Rotor) 與激發電流的函式，因此相較於其他類型馬達，SRM 驅動系統的控制方式開發更形複雜。透過 LabVIEW 環境，我們可以開發複雜的動態模擬模型，於其中包含完整程式語言的所有程式設計結構；如迴路的條件結構 (Case structure) 與公式節點 (Formula node)。我們使用公式節點輕鬆建立數個控制區塊，如雙相位 SRM、N+1 轉換器、與換位邏輯。LabVIEW 環境亦可輕鬆針對特殊現象 (phenomena) 製作模型，如降低運轉中馬達的負轉矩 (Negative torque)。在 LabVIEW 模擬方塊圖中，我們可輕鬆混合傳統 LabVIEW 程式碼與模型架構的模擬物件，如移轉函式方塊。透過實際的程式設計語言，我們並未受限於單一的執行模型，與傳統動態模擬工具的有限函式範例 (Function palette)。同樣的，我們的 LabVIEW 程式碼具有十足的可攜性，因此可於稍後開發的即時控制程序中，輕鬆再使用控制運算式與邏輯。透過這些模擬，我們亦可驗證於即時系統中使用的實際程式碼，並利用 LabVIEW 的完整除錯與使用者介面呈現功能。

 

使用CompactRIO 進行馬達的即時速度控制

 

為了呈現 SRM 的即時速度控制，我們將 N+1 轉換器與雙相位 SRM，連接至 NI CompactRIO 工業級控制與擷取平台。CompactRIO I/O 模組與使用者可程式化的 FPGA，可輕鬆連接控制運算式至實際的馬達硬體。FPGA 則可針對功率轉換器電路與馬達電流，進行高速控制。即時控制系統軟體具有 5 種主要模組 –- 脈寬調變 (PWM)、包含可程式化的進階與導通角 (Commutation angle) 的換位邏輯、高速內電流控制迴路、較低的外部速度控制迴路，與自發性 (Self-starting) 邏輯。透過 LabVIEW 的階層 (hierarchical) 本質，我們可於直覺性的圖形化嵌入式軟體應用中，擷取多重速率 (Multirate) 串連的控制系統邏輯。由於我們可在設計與模擬期間，再使用 LabVIEW 控制運算式程式碼，我們亦可於模擬期間，根據所計算的 PI 增益，微調目前的控制迴路。因此，我們可使用經量測的實用資料，迅速區別模擬模型；並建立可重新設定的平台，以持續提升我們的模擬模型、功率電子 (power electronic)，與控制系統的設計。

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Keunsoo Ha
Virginia Tech, Electrical and Computer Engineering
Tel: (540) 231-6058
ksha@vt.edu

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