基于RT-LAB的永磁同步電機硬件在環(huán)實時仿真平臺的實現(xiàn)

邱華靜，李鴻彪，鄒毅軍

（1.上海科梁信息工程有限公司，上海 200233;2.揚州大學能源與動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

從上世紀八十年代開始，各工業(yè)發(fā)達國家競相研究高性能的永磁同步電機。永磁同步電機具有體積小、質量輕、功率密度低、低速輸出轉矩大、效率高和維護簡單等優(yōu)點，受到工業(yè)自動化、新能源汽車等行業(yè)的青睞，成為研究與利用的熱點［1］。

硬件在環(huán)（Hardware In The Loop，HIL）是實時仿真技術的一種新穎的工程應用形式，在工程實踐中充分發(fā)揮了它的優(yōu)勢:置信度高、方便方案驗證與設計、縮短開發(fā)周期、減小開發(fā)成本。本文實現(xiàn)了基于RT－LAB的永磁同步電機HIL實時仿真平臺的搭建，基于此平臺我們研究了永磁同步電機的運行特性，通過觀察電流電壓等電量特性確定了控制參數(shù)，驗證了所用控制策略的性能，實驗過程及結果證明了 HIL的優(yōu)越性［2－3］。

1 基于RT－LAB的運動控制實時仿真平臺

RT－LAB是加拿大Opal－rt公司開發(fā)的基于模型的仿真系統(tǒng)平臺軟件包，可以直接應用MATLAB/Simulink建立的動態(tài)數(shù)學模型應用于實時仿真、控制、測試及其他相關領域。基于RTLAB的PMSM HIL實時仿真平臺將用MATLABSimulink設計的PMSM及RT－LAB庫中的逆變器模型添加相關RT－LAB模塊后，編譯、下載到高精度實時仿真機eDRIVEsim中運行，即實現(xiàn)控制對象的建立?？刂破鞑捎肨I的DSP開發(fā)套件F28335 eZdsp。

本仿真平臺所用的eDRIVEsim仿真機是Opal－RT公司專為電機驅動與電力電子系統(tǒng)的各種HIL測試而開發(fā)的一款高精度實時仿真機。它集成了強大的Intel i7多核處理器，每個機箱配備多達12核計算單元;擁有專用電力電子模型庫，高精度的實時解算算法，以及一系列高速I/O，所有I/O由Spartan 3 FPGA控制，I/O采樣精度高達20 ns，F(xiàn)PGA片上仿真可達250 ns;配有高速低延遲模擬和數(shù)字I/O，帶有信號調理;支持多種PCI和PCIe通訊接口卡;還包括一系列客戶可定制的信號生成和信號處理模塊，如PWM，正交編碼器等。這些特點共同確保eDREIVEsim能滿足電機控制與電力電子領域對高精度實時仿真的嚴格要求［4－5］。

基于RT－LAB的永磁同步電機硬件在環(huán)實時仿真平臺結構由圖1所示，在MATLABSimulink中設計PMSM與三相逆變器模型加上RT－LAB相關模塊使之可以編譯下載到eDRIVEsim仿真機中實時運行，通過eDRIVEsim的高速I/O與控制器（TI的DSP開發(fā)板eZdsp 28335）連接。控制器DSP28335采樣電機電流、轉速反饋信號與同樣通過AD采樣給定的速度信號比較執(zhí)行DSP中運行的算法產生空間矢量脈寬調制波（SVPWM），經過OP5353數(shù)字IO卡輸入eDRIVEsim中控制PMSM的運行。仿真機中OP5142 FPGA負責管理所有模擬數(shù)字量的板卡，高速采樣的數(shù)據(jù)通過PCIe總線和CPU實時交互。

2 仿真機部分:PMSM本體與三相逆變器模型的建立

如圖2建立了運行于eDRIVEsim仿真機中的PMSM本體與三相逆變器的模型，PMSM模型選用MATLABSimulink中提供的模型，逆變器為RT－LAB庫中的模型。將電機測量模塊（Machines Measurement Demux）測量的電機三相電流、電機轉速、轉子位置角經調理后輸出到仿真機模擬量輸出口OP5142EX1 Analo-gOut，RT－LAB中OP5142EX1 AnalogOut模塊用于eDRIVEsim仿真機模擬量輸出口的選擇。將PMSM電流信號進行調理的目的在于滿足所用DSP芯片AD采樣信號必須滿足0～3 V范圍的要求，在實際調試時發(fā)現(xiàn)電流有漂移故在調理時也進行了校正。

圖1 基于RT－LAB的永磁同步電機硬件在環(huán)實時仿真平臺系統(tǒng)結構

圖2 仿真機部分:PMSM本體與三相逆變器模型

在本實驗平臺上選用由Opal－RT開發(fā)的RTE－Drive模塊包下IGBT逆變橋模塊，它針對于電力電子系統(tǒng)高頻PWM波使用插值法以獲得高精度。在MATLAB/SimPowerSystems（SPS）下的一個普通的交流電機驅動模型中我們將其中的逆變橋換為RTE－Drive IGBT逆變橋模塊，使用RTE－Drive和SPS模塊的電機驅動仿真電流波形效果分析如表1。

表1 使用RTE-Drive和SPS模塊的電機驅動仿真電流波形效果比較

從以上對比可以看出經過優(yōu)化的IGBT逆變橋模塊可以使算法運行在更小的步長，實現(xiàn)更高的精度，非常適用于電機、電力電子等對步長要求嚴格的系統(tǒng)仿真。

3 PMSM磁場定向控制算法及其實現(xiàn)

為實現(xiàn)PMSM高性能的轉矩控制，本實驗平臺采用采用矢量控制，也稱為磁場定向控制，其原理框圖如圖3所示。矢量控制最基本的思想就是通過變換將交流異步電機能像直流他勵電機那樣能夠獨立控制勵磁和轉矩，得到優(yōu)良的調速特性。矢量控制巧妙地通過坐標變換和旋轉變換將三相交流電流變換成為二相（直軸的勵磁分量和交軸的轉矩分量）恒定的電流，這樣使電流內環(huán)（PID）控制成為可能，控制器輸出再通過反變換產生控制信號作為SVPWM的輸入，而SVPWM和逆變器產生驅動電機旋轉的變頻變壓電源。這樣交流電機也像直流電機那樣可以引入雙環(huán)、三環(huán)控制大大提高了交流電機的速度、位置控制性能，使交流電機變速傳動進入新的紀元［6］。

圖3 空間電壓矢量控制詳細框圖

隨著控制模型的日益復雜，電子系統(tǒng)的日益龐大，傳統(tǒng)的手工編寫代碼的方式已不能適應超大代碼量工程的實現(xiàn)，因此基于模型的設計方法在世界范圍內迅猛發(fā)展。不斷更新的MATLAB軟件具有強大的工具庫，以適應基于模型的圖形化設計方法的需求。在本實驗平臺中我們實現(xiàn)了基于模型的PMSM磁場定向（FOC）控制算法的TI C2000 DSP代碼生成，控制模型如圖4所示。

控制算法模型中使用MATLABTarget Support Package集成的TI的c2000 DSP寄存器設置模塊ADC、SCI、ePWM等，圖形化的交互界面使得用戶方便的設置DSP各個寄存器。同時采用TI與MATH WORKS公司合作開發(fā)的電機控制模塊，包括:CLARKE、PARK、反PARK、PID等模塊，優(yōu)化了資源占用量，提高了執(zhí)行效率。

圖4PMSM FOC算法模型

實踐證明，基于MATLAB的TI c2000 DSP控制算法建模的代碼生成方法使得對PMSM的研究可以集中精力于算法的革新與參數(shù)的調試上而不再在代碼的編寫上投入大量精力。

4 仿真結果

在完成平臺軟硬件設計、調試后，做了負載轉矩不變，改變轉速給定;給定轉速不變，改變轉矩給定的實驗。

圖8 轉速從－150RPM升至+750RPM三相電流波形

圖5 轉速跟蹤給定轉速情況

圖6 轉速給定由－150RPM改為+750RPM實際轉速跟蹤給定轉速過程

圖7 轉速給定由－150RPM改為+750RPM時刻電磁轉矩瞬時變化情況

由圖5～圖8可見，負載轉矩不變、給定速度改變情況下的電機實際轉速、電磁轉矩變化、電流波形都可以清晰的呈現(xiàn)出來，電機實際轉速跟蹤給定轉速，穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)定的跟蹤轉速給定值。

5 結束語

本文設計了一種基于RT－LAB的硬件在環(huán)實時仿真平臺，并通過實現(xiàn)永磁同步電機的磁場定向控制來驗證了HIL實時仿真的優(yōu)異性能，同時生成了經過控制器在環(huán)實時仿真驗證的DSP代碼。

［1］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.242－253.

［2］王堅.電力電子硬件在回路仿真技術的探討［J］.大功率變流技術，2011，2:1 －5.

［3］張衛(wèi)豐，余岳輝.基于RTW的SVPWM DSP控制系統(tǒng)［J］.電工技術學報，2007，3:102 －106.

［4］ M.Harakawa，H.Yamasaki，T.Nagano，S.Abourida，C.Dufour and J.Belanger，Real-time simulation of a complete PMSM drive at 10us time step，Proceedings of the 2005 international power electronics conference（IPEC2005）［C］.Niigata，Japan，2005.

［5］ M.Hong，Y.Miura，T.Ise，Y.Sato，T.Momose and C.Dufour.Stability and accuracy analysis of power hardware-in-the-loop simulation of inductor coupled systems［J］.IEEJ Trans，2010，130（7）:902 －912.

［6］王成元.現(xiàn)代電機控制技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.