基于V模式的dSPACE電機(jī)控制器開發(fā)

張 奇

(山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250061)

0 引 言

近年來，控制器性能飛速發(fā)展，產(chǎn)品的控制代碼呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)。早期第四代戰(zhàn)機(jī)F35的軟件代碼就已高達(dá)800萬行，而現(xiàn)在一臺(tái)中高檔汽車的執(zhí)行代碼也已超過1 000萬行。在電機(jī)控制領(lǐng)域，一臺(tái)電機(jī)的控制代碼有時(shí)也達(dá)數(shù)千行。隨著代碼量的迅速膨脹，傳統(tǒng)開發(fā)模式的缺陷日益明顯，手工編程面臨著產(chǎn)品開發(fā)周期拉長(zhǎng)，開發(fā)成本倍增，可靠性難以保障等諸多問題，已很難適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)對(duì)產(chǎn)品研發(fā)的要求[1]。

V模式流程解決了傳統(tǒng)開發(fā)的諸多問題，逐漸成為航空航天、汽車、工業(yè)控制等行業(yè)廣泛采用的控制器開發(fā)模式。其流程主要包括需求分析與離線仿真、快速控制原型設(shè)計(jì)、代碼生成與原型在環(huán)、控制器硬件在環(huán)測(cè)試和在線標(biāo)定等五個(gè)階段。相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，如圖1所示，基于V模式的各個(gè)階段是相互關(guān)聯(lián)在一起的，任何錯(cuò)誤都能在同一平臺(tái)解決，代碼可采用 Code GeneratorTM、RTI等代碼生成工具自動(dòng)生成[2]，縮減了手工編程所需的人力、物力和時(shí)間，開發(fā)者可以把主要的精力放在算法和測(cè)試用例的建模研究上[3]。本文基于V模式開發(fā)流程的思想，借助dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)的矢量控制。

1 控制系統(tǒng)建模與離線仿真

需求分析與離線仿真階段，主要是根據(jù)被控對(duì)象模型，搭建滿足要求的控制器算法模型。

1.1 控制對(duì)象模型

異步電機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用廣泛，在設(shè)計(jì)電機(jī)控制算法之前必須對(duì)其復(fù)雜的內(nèi)部電磁關(guān)系有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)[4]，根據(jù)異步電機(jī)物理模型的電壓方程、磁鏈方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程，可得到在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，建模過程較為簡(jiǎn)單，不再詳述，異步電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 交流異步電機(jī)主要參數(shù)

1.2 矢量控制器建模

矢量控制實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)調(diào)速范圍寬、動(dòng)態(tài)性能好、零速時(shí)輸出額定轉(zhuǎn)矩等高性能控制，應(yīng)用廣泛。

為了對(duì)比控制效果，建立了電流滯環(huán)PWM調(diào)制方式的三相電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，其原理如圖3所示。

理論上講，兩者電流閉環(huán)作用相同，差異是后者一般采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，多見于早期產(chǎn)品；前者可采用軟件實(shí)現(xiàn)，隨著控制器性能的不斷提高，現(xiàn)代產(chǎn)品多采用軟件電流閉環(huán)方式，可用dSPACE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[5]。

1.3 仿真結(jié)果分析

電機(jī)模型的參數(shù)采用表1，仿真過程固定步長(zhǎng)取1e-5。為驗(yàn)證轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度和對(duì)轉(zhuǎn)矩突變的抗干擾性，在電機(jī)帶負(fù)載0.2 N·m的條件下，給定初始轉(zhuǎn)速為92 rad/s，在0.06 s時(shí)給定轉(zhuǎn)速變?yōu)?00 rad/s，在0.12 s時(shí)突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)0.4 N·m，仿真結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 負(fù)載實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

從仿真結(jié)果可知，兩者的轉(zhuǎn)速響應(yīng)都很快，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到期望的轉(zhuǎn)速；電機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)速的影響很小，系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)性能較強(qiáng)。電流滯環(huán)的矢量控制的轉(zhuǎn)速響應(yīng)更快，但存在較大的超調(diào)，究其原因，其采用電流兩點(diǎn)式控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但電流紋波相對(duì)較大； SVPWM調(diào)制方式的矢量控制因其采用連續(xù)的PI控制，轉(zhuǎn)速響應(yīng)較慢，但超調(diào)很小，一般來說電流紋波也略小。

從轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線可知，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩和擾動(dòng)已知的情況下，三相電流閉環(huán)矢量控制對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的抑制能力較好，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，但轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)誤差較大；轉(zhuǎn)矩分量和磁鏈分量的矢量控制對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的響應(yīng)較慢，但穩(wěn)態(tài)精度較高。

圖5 空載實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

2 快速控制原型與自動(dòng)代碼生成

本文采用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)MicroAutoBOxII取代以往的單片機(jī)、DSP等，控制算法能夠在線修正，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器的快速開發(fā)[6]。

2.1 程序流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序首先完成對(duì)系統(tǒng)的初始化操作，包括dSPACE各硬件接口、編碼器單元的初始化配置、全局變量初始化等，確定dSPACE的I/O及外圍器件的初始狀態(tài)，然后配置控制器參數(shù)，完成系統(tǒng)工作狀態(tài)故障檢測(cè)，若系統(tǒng)工作狀態(tài)正常則進(jìn)入正常的控制主程序。矢量控制程序根據(jù)轉(zhuǎn)速、定子電流的采樣數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)變換與反變換、轉(zhuǎn)差頻率計(jì)算、數(shù)據(jù)處理等功能，完成了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的精確控制[7-8]。

2.2 實(shí)時(shí)快速控制模型

電機(jī)控制程序的實(shí)現(xiàn)，只需在建立的Simulink仿真模型的基礎(chǔ)上，保留控制算法模塊，用RTI的I/O接口模塊替換原來的邏輯運(yùn)算即可[9]，如圖6所示。

圖6 dSPACE控制程序的實(shí)現(xiàn)

2.3 自動(dòng)代碼生成

通過RTW實(shí)現(xiàn)了控制模型到控制代碼的自動(dòng)生成與下載[10]。通過CCP編譯器自動(dòng)生成的部分C代碼程序。與人工編寫的代碼相比，自動(dòng)生成的C代碼可讀性不高，但結(jié)構(gòu)緊湊，代碼量少，容錯(cuò)性較好，精確度較高。通過對(duì)生成代碼的頭文件、配置文件的修改，可實(shí)現(xiàn)代碼重用和可移植性，為快速在單片機(jī)、DSP等處理器中的應(yīng)用提供了方便。

3 dSPACE硬件在環(huán)測(cè)試[11-14]

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成

控制器原型設(shè)計(jì)完成之后，需要在半實(shí)物仿真平臺(tái)上進(jìn)行硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)、控制計(jì)算機(jī)、 電機(jī)及DR系列功率驅(qū)動(dòng)器、位置/轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元、調(diào)壓器、磁滯測(cè)功機(jī)、上位機(jī)監(jiān)控軟件ControlDesk、數(shù)字示波器等組成，如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件連接原理示意圖

圖8 ControlDesk編制的虛擬儀表監(jiān)控和測(cè)試界面

傳感器、編碼器等實(shí)現(xiàn)了定子兩相電流、直流母線電壓、溫度、轉(zhuǎn)速的檢測(cè)；由于dSPACE輸出的PWM波為高電平有效，而IPM輸入PWM的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平有效，為保證死區(qū)電平為高電平，PWM必須先經(jīng)過74HC14反相，才能控制IGBT的通斷。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過載、過流等異常時(shí)，IPM保護(hù)電路在實(shí)施保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)，發(fā)出一個(gè)故障檢測(cè)信號(hào)送到 dSPACE的數(shù)字量輸入接口，觸發(fā)dSPACE封鎖PWM脈沖使系統(tǒng)停止工作，防止損壞電機(jī)和逆變器。

3.2 實(shí)驗(yàn)在線監(jiān)控

使用RTW自動(dòng)生成目標(biāo)C文件、系統(tǒng)配置和描述文件后，用ControlDesk綜合實(shí)驗(yàn)軟件來實(shí)時(shí)監(jiān)控程序運(yùn)行、在線調(diào)整參數(shù)、繪制曲線、記錄數(shù)據(jù)等[15]。

圖8為使用ControlDesk編制的虛擬儀器監(jiān)控測(cè)試界面，故障信號(hào)、系統(tǒng)和PWM輸出使能狀態(tài)、PWM輸出占空比、三相電流、直流母線電壓、轉(zhuǎn)速、溫度等都可以在線顯示或修改。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 死區(qū)時(shí)間設(shè)置

為防止同相上下橋臂IGBT同時(shí)導(dǎo)通而燒毀IPM， 實(shí)驗(yàn)中根據(jù)IGBT的開關(guān)速度，設(shè)置死區(qū)時(shí)間為5 μs。由圖9觀測(cè)的PWM波形可知，a相上下橋臂的PWM控制通斷的波形為互補(bǔ)模式，但兩者之間有一定的相位差，即死區(qū)時(shí)間。同時(shí)74HC14不僅實(shí)現(xiàn)了PWM反相，而且消除了PWM的干擾和毛刺。

圖9 dSPACE 輸出PWM與經(jīng)74HC14反相后的波形對(duì)比

4.2 信號(hào)采集濾波

圖10(a)是三相定子電流ia的波形曲線，可以看出，電流霍爾傳感器的輸出存在大量的干擾諧波分量，嚴(yán)重影響了矢量控制精度，必須加入濾波環(huán)節(jié)，但同時(shí)會(huì)帶來延滯，為了平衡延滯作用，需要在電流給定環(huán)節(jié)中加入一個(gè)相同時(shí)間常數(shù)的給定濾波慣性環(huán)節(jié)[16]。 圖10(b)是加入濾波環(huán)節(jié)之后，測(cè)得的定子電流ia的波形，可以看出電流波形得到修正，濾波效果明顯。

4.3 矢量控制轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)

從圖11電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線可知，矢量控制可以控制電機(jī)快速無超調(diào)地至給定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)態(tài)精度高。

5 結(jié) 語

V模式開發(fā)使控制算法能在實(shí)時(shí)硬件上方便快速地進(jìn)行修改和進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試，從而在設(shè)計(jì)初期就能發(fā)現(xiàn)存在的問題，整個(gè)開發(fā)過程基于同一平臺(tái)、循環(huán)往復(fù)，大大縮短項(xiàng)目的開發(fā)周期，在復(fù)雜控制算法的實(shí)現(xiàn)上其優(yōu)勢(shì)更加明顯，該開發(fā)模式可以廣泛用于各行業(yè)控制器從設(shè)計(jì)仿真到具體實(shí)現(xiàn)的開發(fā)過程。

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