UVW 3 phases Brushless DC motor control
Dependencies: QEI mbed-rtos mbed
Fork of BLDCmotor by
Diff: controller.cpp
- Revision:
- 12:a4b17bb682eb
- Child:
- 13:791e20f1af43
--- /dev/null Thu Jan 01 00:00:00 1970 +0000 +++ b/controller.cpp Fri Dec 21 22:06:56 2012 +0000 @@ -0,0 +1,451 @@ +// BLDCmotor.cpp: 各種3相同期モータに対するセンサあり運転のシミュレーション +// Kosaka Lab. 121215 +#include "mbed.h" +#include "QEI.h" + +#include "controller.h" +#include "UVWpwm.h" +#include "fast_math.h" +Serial pc(USBTX, USBRX); // Display on tera term in PC + +motor_parameters p; // モータの定数、信号など +current_loop_parameters il; // 電流制御マイナーループの定数、変数 +velocity_loop_parameters vl; // 速度制御メインループの定数、変数 + +QEI encoder (CH_A, CH_B, NC, N_ENC, QEI::X4_ENCODING); +// QEI(PinName channelA, mbed pin for channel A input. +// PinName channelB, mbed pin for channel B input. +// PinName index, mbed pin for channel Z input. (index channel input Z phase th=0), (pass NC if not needed). +// int pulsesPerRev, Number of pulses in one revolution(=360 deg). +// Encoding encoding = X2_ENCODING, X2 is default. X2 uses interrupts on the rising and falling edges of only channel A where as +// X4 uses them on both channels. +// ) +// void reset (void) +// Reset the encoder. +// int getCurrentState (void) +// Read the state of the encoder. +// int getPulses (void) +// Read the number of pulses recorded by the encoder. +// int getRevolutions (void) +// Read the number of revolutions recorded by the encoder on the index channel. +/*********** User setting for control parameters (end) ***************/ + +AnalogOut analog_out(DA_PORT); +AnalogIn VshuntR_Uplus(p19); // *3.3 [V], Volt of shunt R_SHUNT[Ohm]. The motor current i = v_shunt_r/R_SHUNT [A] +AnalogIn VshuntR_Uminus(p20); // *3.3 [V], Volt of shunt R_SHUNT[Ohm]. The motor current i = v_shunt_r/R_SHUNT [A] +AnalogIn VshuntR_Vplus(p16); // *3.3 [V], Volt of shunt R_SHUNT[Ohm]. The motor current i = v_shunt_r/R_SHUNT [A] +AnalogIn VshuntR_Vminus(p17); // *3.3 [V], Volt of shunt R_SHUNT[Ohm]. The motor current i = v_shunt_r/R_SHUNT [A] + +unsigned long _count; // sampling number +float _time; // time[s] +float _r; // reference signal +float _th=0; // [rad], motor angle, control output of angle controller +float _i=0; // [A], motor current, control output of current controller +float _e=0; // e=r-y for PID controller +float _eI=0; // integral of e for PID controller +float _iref; // reference current iref [A], output of angle th_contorller +float _u; // control input[V], motor input volt. +float _ei=0; // e=r-y for current PID controller +float _eiI=0; // integral of e for current PID controller +unsigned char _f_u_plus=1;// sign(u) +unsigned char _f_umax=0;// flag showing u is max or not +unsigned char _f_imax=0;// flag showing i is max or not +float debug[20]; // for debug +float disp[10]; // for printf to avoid interrupted by quicker process +DigitalOut led1(LED1); +DigitalOut led2(LED2); +DigitalOut led3(LED3); +DigitalOut led4(LED4); + +#ifdef GOOD_DATA +float data[1000][5]; // memory to save data offline instead of "online fprintf". +unsigned int count3; // +unsigned int count2=(int)(TS2/TS0); // +unsigned short _count_data=0; +#endif +DigitalOut debug_p26(p26); // p17 for debug +DigitalOut debug_p25(p25); // p17 for debug +DigitalOut debug_p24(p24); // p17 for debug +//AnalogIn VCC(p19); // *3.3 [V], Volt of VCC for motor +//AnalogIn VCC2(p20); // *3.3 [V], Volt of (VCC-R i), R=2.5[Ohm]. R is for preventing too much i when deadtime is failed. + +unsigned short f_find_origin; // flag to find the origin of the rotor angle theta + +#if 1 //BUG!! if move sqrt2 to fast_math.h, sim starts and completed without working!? +float sqrt2(float x){ // √xのx=1まわりのテイラー展開 √x = 1 + 1/2*(x-1) -1/4*(x-1)^2 + ... +// return((1+x)*0.5); // 一次近似 + return(x+(1-x*x)*0.25); // 二次近似 +} +#endif + +void init_parameters(){ // IPMSMの機器定数等の設定, 制御器の初期化 + float r2, r3; + + + // 対象の機器定数 PA 5HP scroll from IPEC2000 "High Efficiency Control for Interior Permanent Magnet Synchronous Motor" + // outside diameter of stator 150 mm + // outside diameter of rotor 84.0 mm + // width of rotor 70.0 mm + // maximum speed 7500 r/min (min=900rpm) + // maximum torque 15.0 Nm + // Ψa 0.176 Wb + // Ld 3.50 mH + // Lq 6.30 mH + // Ra 0.143Ω + // Rc 200Ω +#ifdef SIMULATION + p.Ld = 0.0035; // H + p.Lq = 0.0063; // H + p.Lq0 = p.Lq; + p.Lq1 = 0; + p.R = 0.143; // Ω + p.phi = 0.176; // V s + p.Jm = 0.00018; // Nms^2 +#endif + p.th[0] = 0; + p.th[1] = 0; + p.w = 0; + p.iab[0] =0; p.iab[1] = 0; // iab = [iα;iβ]; + p.vab[0] =0; p.vab[1] = 0; // vab = [vα;vβ]; + p.p = 2; // 極対数 + // UVW座標からαβ座標への変換行列Cuvwの設定 + r2 = sqrt(2.);//1.414213562373095;//2^(1/2); + r3 = sqrt(3.);//1.732050807568877;//3^(1/2); + // p.Cuvw =[ r2/r3 -1/r2/r3 -1/r2/r3; ... + // 0 1/r2 -1/r2 ]; + p.Cuvw[0][0] = r2/r3; p.Cuvw[0][1] = -1./r2/r3; p.Cuvw[0][2] = -1./r2/r3; + p.Cuvw[1][0] = 0; p.Cuvw[1][1] = 1/r2 ; p.Cuvw[1][2] = -1./r2; + + p.w = 0; + + // 制御器の初期化 + vl.iq_ref=0; // q軸電流指令[A] + vl.w_lpf = 0; // 検出した速度[rad/s] + vl.eI_w = 0; // 速度制御用偏差の積分値(積分項) + il.eI_idq[0] = 0; // 電流制御用偏差の積分値(積分項) + il.eI_idq[1] = 0; // 電流制御用偏差の積分値(積分項) +} + +void idq_control(float idq_act[2]){ +// dq座標電流PID制御器(電流マイナーループのフィードバック制御) +// 入力:指令dq座標電流 idq_ref [A], 実dq座標電流 idq_act [A], PI制御積分項 eI, サンプル時間 ts [s] +// 出力:αβ軸電圧指令 vdq_ref [A] +// [vdq_ref,eI_idq] = idq_control(idq_ref,idq_act,eI_idq,ts); + float Kp_d, Kp_q, Ki_d, Ki_q, e[2]; + // 電流制御ゲイン + Kp_d = iKPd; // P gain (d-axis) + Ki_d = iKId; // I gain (d-axis) + Kp_q = iKPq; // P gain (q-axis) + Ki_q = iKIq; // I gain (q-axis) + + // dq電流偏差の計算 + e[0] = il.idq_ref[0] - idq_act[0]; + e[1] = il.idq_ref[1] - idq_act[1]; + + // dq電流偏差の積分項の計算 + il.eI_idq[0] = il.eI_idq[0] + TS0*e[0]; + il.eI_idq[1] = il.eI_idq[1] + TS0*e[1]; + + // PI制御 + // vdq_ref = [Kp_d 0;0 Kp_q]*e + [Ki_d 0;0 Ki_q]*eI; + il.vdq_ref[0] = Kp_d*e[0] + Ki_d*il.eI_idq[0]; + il.vdq_ref[1] = Kp_q*e[1] + Ki_q*il.eI_idq[1]; + +// koko anti-windup +} + +void current_loop(){ // 電流制御マイナーループ + float th, c, s, Cdq[2][2], iu, iv, iab[2], idq_act[2], vab_ref[2],tmp; + if( f_find_origin==1 ){ + th = 0; + }else{ + // 位置θをセンサで検出 +#ifndef SIMULATION + p.th[0] = (float)encoder.getPulses()/(float)N_ENC*2.0*PI; // get angle [rad] from encoder +#endif + th = p.th[0]; + } + + // αβ座標からdq座標への変換行列Cdqの設定 +#if 1 //BUG!! if move sqrt2 to fast_math.h, sim starts and completed without working!? + c = cos(th); + s = sin(th); +#else + c = (float)(_cos(th/(PI/3.)*(float)DEG60+0.5))/65535.; + s = (float)(_sin(th/(PI/3.)*(float)DEG60+0.5))/65535.; +#endif + Cdq[0][0]= c; Cdq[0][1]=s; //Cdq ={{ c, s} + Cdq[1][0]=-s; Cdq[1][1]=c; // {-s, c]}; + + // 電流センサによってiu, iv を検出 +#ifndef SIMULATION + p.iuvw[0] = (VshuntR_Uplus - VshuntR_Uminus) /R_SHUNT; // get iu [A] from shunt resistance; + p.iuvw[1] = (VshuntR_Vplus - VshuntR_Vminus) /R_SHUNT; // get iv [A] from shunt resistance; +#endif + iu = p.iuvw[0]; + iv = p.iuvw[1]; +// iw = -(iu + iv); // iu+iv+iw=0であることを利用してiw を計算 + + // iab = p.Cuvw*[iu;iv;iw]; +// iab[0] = p.Cuvw[0][0]*iu + p.Cuvw[0][1]*iv + p.Cuvw[0][2]*iw; +// iab[1] = p.Cuvw[1][0]*iu + p.Cuvw[1][1]*iv + p.Cuvw[1][2]*iw; +// iab[0] = p.Cuvw[0][0]*iu + p.Cuvw[0][1]*(iv+iw); +// iab[1] = p.Cuvw[1][1]*(iv-iw); + iab[0] = (p.Cuvw[0][0]-p.Cuvw[0][1])*iu; + iab[1] = p.Cuvw[1][1]*(iu+2*iv); + + // αβ座標電流をdq座標電流に変換 + //idq_act = Cdq * iab; + idq_act[0] = Cdq[0][0]*iab[0] + Cdq[0][1]*iab[1]; + idq_act[1] = Cdq[1][0]*iab[0] + Cdq[1][1]*iab[1]; + + // dq電流制御(電流フィードバック制御) +// [vdq_ref,eI_idq] = idq_control(idq_ref,idq_act,eI_idq,ts); +#ifdef USE_CURRENT_CONTROL + idq_control(idq_act); +#else + il.vdq_ref[0] = il.idq_ref[0]; + il.vdq_ref[1] = il.idq_ref[1]; +#endif + // dq軸電圧指令ベクトルの大きさをMAX制限(コンバータ出力電圧値に設定) + // if( norm(vdq_ref) > vdqmax ){ vdq_ref= vdqmax/norm(vdq_ref)*vdq_ref} + if( (tmp=il.vdq_ref[0]*il.vdq_ref[0]+il.vdq_ref[1]*il.vdq_ref[1])>SQRvdqMAX ){ + tmp = sqrt2(SQRvdqMAX/tmp); + il.vdq_ref[0] = tmp*il.vdq_ref[0]; //= vdqmax/norm(vdq_ref)*vdq_ref + il.vdq_ref[1] = tmp*il.vdq_ref[1]; +// koko anti-windup + } + + // dq座標指令電圧 vd_ref, vq_refからiα, iβを計算 + // vab_ref = Cdq'*vdq_ref; + vab_ref[0] = Cdq[0][0]*il.vdq_ref[0] + Cdq[1][0]*il.vdq_ref[1]; + vab_ref[1] = Cdq[0][1]*il.vdq_ref[0] + Cdq[1][1]*il.vdq_ref[1]; + + // モータに印加するUVW相電圧を計算 (vα, vβからvu, vv, vwを計算) + // vu = √(2/3)*va; + // vv = -1/√6*va + 1/√2*vb; + // vw = -1/√6*va - 1/√2*vb; + // p.Cuvw =[ r2/r3 -1/r2/r3 -1/r2/r3; ... + // 0 1/r2 -1/r2 ]; + // p.vuvw = p.Cuvw'*vab_ref; + p.vuvw[0] = p.Cuvw[0][0]*vab_ref[0]; + p.vuvw[1] = p.Cuvw[0][1]*vab_ref[0] + p.Cuvw[1][1]*vab_ref[1]; + p.vuvw[2] = -p.vuvw[0] - p.vuvw[1]; +// p.vuvw[0] = p.Cuvw[0][0]*vab_ref[0] + p.Cuvw[1][0]*vab_ref[1]; +// p.vuvw[2] = p.Cuvw[0][2]*vab_ref[0] + p.Cuvw[1][2]*vab_ref[1]; + + p.th[1] = p.th[0]; // thを更新 +} + + +void vel_control(){ +// 速度制御器:速度偏差が入力され、q軸電流指令を出力。 +// 入力:指令速度 w_ref [rad/s], 実速度 w_lpf [rad/s], PI制御積分項 eI, サンプル時間 TS1 [s] +// 出力:q軸電流指令 iq_ref [A] +// [iq_ref,eI_w] = vel_control(w_ref,w_lpf,eI_w,ts); + float Kp, Ki, e; + // 速度制御PIDゲイン + Kp = wKp; // 速度制御PIDのPゲイン + Ki = wKi; // 速度制御PIDのIゲイン + + // 速度偏差の計算 + e = vl.w_ref - vl.w_lpf; + + // 速度偏差の積分値の計算 + vl.eI_w = vl.eI_w + TS1*e; + + // PI制御 + vl.iq_ref = Kp*e + Ki*vl.eI_w; +// koko anti-windup +} + +void velocity_loop(){ // 速度制御メインループ(w_ref&beta_ref to idq_ref) + float tmp, idq_ref[2]; + + // 速度ωを求めるために、位置θをオイラー微分して、一次ローパスフィルタに通す。 + tmp = p.th[0]-p.th[1]; + while( tmp> PI ){ tmp -= 2*PI;} + while( tmp<-PI ){ tmp += 2*PI;} + vl.w_lpf = (1-iLPF)*vl.w_lpf + tmp/TS0 *iLPF; + + // 速度制御:速度偏差が入力され、q軸電流指令を出力。 +// [iq_ref,eI_w] = vel_control(w_ref,w_act,eI_w,ts); + vel_control(); + + // q軸電流指令のMAX制限(異常に大きい指令値を制限する) + if( vl.iq_ref > iqMAX ){ + vl.iq_ref = iqMAX; + }else if( vl.iq_ref < -iqMAX ){ + vl.iq_ref = -iqMAX; + } + + // 電流ベクトル制御 + if( vl.iq_ref>=0 ){ tmp = vl.tan_beta_ref;} // 負のトルクを発生させるときはidは負のままでiqを正から負にする + else{ tmp = -vl.tan_beta_ref;}// Tm = p((phi+(Ld-Lq)id) iqより + //idq_ref = {{-tmp, 1}}*iq_ref; + idq_ref[0] = -tmp*vl.iq_ref; idq_ref[1] = vl.iq_ref; + + // dq軸電流の目標値を速度制御メインループから電流制御マイナーループへ渡す。 + il.idq_ref[0] = idq_ref[0]; + il.idq_ref[1] = idq_ref[1]; +} + +void vuvw2pwm(){ // vu, vv, vwより、UVW相の上アームPWMを発生 + float duty_u, duty_v, duty_w; + + duty_u = (p.vuvw[0]/vdqMAX+1)*0.5; + duty_v = (p.vuvw[1]/vdqMAX+1)*0.5; + duty_w = (p.vuvw[2]/vdqMAX+1)*0.5; + uvw[0].duty = duty_u; + uvw[1].duty = duty_v; + uvw[2].duty = duty_w; +} + +#ifdef SIMULATION +void sim_motor(){ +// モータシミュレータ +// 入力信号:UVW相電圧p.vuvw [V]、負荷トルクp.TL [Nm] +// 出力信号:モータ角度p.th[0] [rad], モータ速度p.w [rad/s], モータUVW相電流p.iuvw [A] +// p = motor(p, ts); // IPM, dq座標 + float c, s, Cdq[2][2], idq_dot[2], id,iq, vdq[2], idq[2], Tall,TL, Cdq_inv[2][2]; +analog_out=p.vuvw[0]/100.+0.5;//debug + // vu, vv, vwからvα, vβを計算 + p.vab[0] = p.Cuvw[0][0]*p.vuvw[0] + p.Cuvw[0][1]*p.vuvw[1] + p.Cuvw[0][2]*p.vuvw[2]; + p.vab[1] = p.Cuvw[1][0]*p.vuvw[0] + p.Cuvw[1][1]*p.vuvw[1] + p.Cuvw[1][2]*p.vuvw[2]; +//printf("vab=%f, %f ",p.vab[0],p.vab[1]);scanf("%f",&c); + + // αβ座標からdq座標への変換行列Cdqの設定 + c = cos(p.th[0]); + s = sin(p.th[0]); + // Cdq =[ c s; ... + // -s c]; + Cdq[0][0] = c; Cdq[0][1] = s; + Cdq[1][0] =-s; Cdq[1][1] = c; + + // vα, vβからvd, vqを計算 + // vd = c*p.va + s*p.vb; + // vq =-s*p.va + c*p.vb; + // vdq = Cdq * p.vab; + vdq[0] = Cdq[0][0]*p.vab[0] + Cdq[0][1]*p.vab[1]; + vdq[1] = Cdq[1][0]*p.vab[0] + Cdq[1][1]*p.vab[1]; + + // iα, iβからid, iqを計算 + // id = c*p.ia + s*p.ib; + // iq =-s*p.ia + c*p.ib; + // idq = Cdq * p.iab; + idq[0] = Cdq[0][0]*p.iab[0] + Cdq[0][1]*p.iab[1]; + idq[1] = Cdq[1][0]*p.iab[0] + Cdq[1][1]*p.iab[1]; + + // get id,iq + // id_dot = (1.0/p.Ld) * ( vd - (p.R*id - p.w*p.Lq*iq) ); + // iq_dot = (1.0/p.Lq) * ( vq - (p.R*iq + p.w*p.Ld*id + p.w*p.phi) ); + // idq_dot = [p.Ld 0;0 p.Lq]\( vdq - p.R*idq - p.w*[0 -p.Lq;p.Ld 0]*idq - p.w*[0;p.phi]); + idq_dot[0] = (1.0/p.Ld) * ( vdq[0] - (p.R*idq[0] - p.w*p.Lq*idq[1]) ); + idq_dot[1] = (1.0/p.Lq) * ( vdq[1] - (p.R*idq[1] + p.w*p.Ld*idq[0] + p.w*p.phi) ); + // id = id + ts * id_dot; + // iq = iq + ts * iq_dot; + p.idq[0] = idq[0] + TS0*idq_dot[0]; + p.idq[1] = idq[1] + TS0*idq_dot[1]; + id = p.idq[0]; + iq = p.idq[1]; + + // 磁気飽和を考慮したLqの計算 + p.Lq = p.Lq0 + p.Lq1*abs(iq); + if( p.Lq < p.Ld ) + p.Lq = p.Ld; + + // モータトルクの計算 + p.Tm = p.p * (p.phi + (p.Ld-p.Lq)*id) * iq; + + // モータ速度ωの計算 + if( abs(p.w) > 5*2*PI ) + if( p.w>=0 ) TL= p.TL; + else TL=-p.TL; + else + TL = p.w/(5*2*PI)*p.TL; + + Tall = p.Tm - TL; + p.w = p.w + TS0 * (1.0 / p.Jm) * Tall; + + // モータ角度θの計算 + p.th[0] = p.th[0] + TS0 * p.w; + if( p.th[0]>4*PI) + p.th[0] = p.th[0] - 4*PI; + + if( p.th[0]<0 ) + p.th[0] = p.th[0] + 4*PI; + + // dq座標からαβ座標への変換行列Cdq_invの設定 + c = cos(p.th[0]); + s = sin(p.th[0]); + // Cdq_inv =[ c -s; ... + // s c]; + Cdq_inv[0][0] = c; Cdq_inv[0][1] =-s; + Cdq_inv[1][0] = s; Cdq_inv[1][1] = c; + + // id, iqからiα, iβを計算 + //p.iab = Cdq_inv * p.idq; + p.iab[0] = Cdq_inv[0][0]*p.idq[0] + Cdq_inv[0][1]*p.idq[1]; + p.iab[1] = Cdq_inv[1][0]*p.idq[0] + Cdq_inv[1][1]*p.idq[1]; + + // αβ座標からUVW座標への変換行列Cuvw_inv=Cuvw' + // iα, iβからiu, iv, iwを計算 + // iu = r2/r3*ia; + // iv = -1/r2/r3*ia + 1/r2*ib; + // iw = -1/r2/r3*ia - 1/r2*ib; + //p.iuvw = p.Cuvw' * p.iab; + p.iuvw[0] = p.Cuvw[0][0]*p.iab[0] + p.Cuvw[1][0]*p.iab[1]; + p.iuvw[1] = p.Cuvw[0][1]*p.iab[0] + p.Cuvw[1][1]*p.iab[1]; + p.iuvw[2] = p.Cuvw[0][2]*p.iab[0] + p.Cuvw[1][2]*p.iab[1]; +} +#endif + +void data2mbedUSB(){ // save data to mbed USB drive + if( _count_data<1000 ){ + data[_count_data][0]=p.th[0]/*vl.w_ref*/; data[_count_data][1]=p.vuvw[0]; + data[_count_data][2]=vl.w_lpf; data[_count_data][3]=_count*TS0; data[_count_data][4]=il.vdq_ref[1]; + _count_data++; + } +#if 0 + if( _count_data<500 ){ + debug[0]=p.vab[0]; debug[1]=p.vab[1]; debug[2]=il.vdq_ref[0]; debug[3]=il.vdq_ref[1]; debug[4]=p.iab[0]; + debug[5]=p.iab[1]; debug[6]=p.vuvw[0]; debug[7]=p.vuvw[1]; debug[8]=p.vuvw[2]; debug[9]=p.iuvw[0]; + debug[10]=p.iuvw[1]; debug[11]=p.iuvw[2]; debug[12]=p.idq[0]; debug[13]=p.idq[1]; debug[14]=p.TL; + debug[15]=p.Tm; debug[16]=p.w; debug[17]=vl.w_lpf; debug[18]=p.th[0]; debug[19]=_count*TS0;//_time; +//BUG for(j=0;j<19;j++){ fprintf( fp, "%f, ",debug[j]);} fprintf( fp, "%f\n",debug[19]); + for(j=0;j<19;j++){ printf("%f, ",debug[j]);} printf("%f\n",debug[19]); +// for(j=0;j<19;j++){ pc.printf("%f, ",debug[j]);} pc.printf("%f\n",debug[19]); + } +#endif +} +void timerTS0(){ // timer called every TS0[s]. + debug_p26 = 1; + _count++; + _time += TS0; + + current_loop(); // 電流制御マイナーループ(idq_ref to vuvw) + vuvw2pwm(); // vuvw to pwm + #ifdef SIMULATION + // モータシミュレータ + sim_motor(); // IPM, dq座標 + #endif + debug_p26 = 0; +} +void timerTS1(void const *argument){ + debug_p25 = 1; + velocity_loop(); // 速度制御メインループ(w_ref&beta_ref to idq_ref) + debug_p25 = 0; +} + +void display2PC(){ // display to tera term on PC + pc.printf("%8.1f[s]\t%8.5f[V]\t%4d [Hz]\t%d\r\n", _time, il.vdq_ref[0], (int)(vl.w_lpf/(2*PI)+0.5), (int)(vl.w_ref/(2*PI)+0.5)); // print to tera term +// pc.printf("%8.1f[s]\t%8.5f[V]\t%4d [deg]\t%8.2f\r\n", _time, _u, (int)(_th/(2*PI)*360.0), _r);//debug[0]*3.3/R_SHUNT); // print to tera term +} +void timerTS2(){ +} +void timerTS3(){ + data2mbedUSB(); // data2mbedUSB() is called every TS3[s]. +} +void timerTS4(){ + display2PC(); // display to tera term on PC. display2PC() is called every TS4[s]. +}