基于LabVIEW的PMSM參數(shù)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)*

陳 震， 趙不賄

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

永磁同步電機(jī)(PMSM)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、損耗小、可靠性強(qiáng)、具有較高的功率因數(shù)，正得到越來越廣泛的應(yīng)用.矢量控制是永磁同步電機(jī)的主要控制方式，而矢量控制主要依賴于電機(jī)的電壓模型及其參數(shù)的準(zhǔn)確性.電機(jī)參數(shù)的精度對(duì)其影響較大，為了精準(zhǔn)地完成矢量控制，必須對(duì)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí).永磁同步電機(jī)參數(shù)的測(cè)量目前主要是由人工采用特定的測(cè)量?jī)x器來完成[1-3]，無法在線調(diào)整.

為此，本文在深入分析永磁同步電機(jī)矢量控制的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出一種自動(dòng)辨識(shí)永磁同步電機(jī)參數(shù)的方法，利用虛擬儀器技術(shù)，以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種PMSM參數(shù)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng).該系統(tǒng)能自動(dòng)測(cè)量出電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，包括定子電阻R、交軸電感Lq、直軸電感Ld、反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ke、轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt、摩擦系數(shù)B和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J.

1 矢量控制永磁同步電機(jī)參數(shù)的識(shí)別

1.1 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

PMSM在d-q坐標(biāo)系下的定子電壓方程為[4-5]：

(1)

(2)

當(dāng)采用id=0的矢量控制方法時(shí)，轉(zhuǎn)矩方程為：

(3)

機(jī)械方程為：

(4)

式(1)～(4)中，ud、id是d軸的電壓和電流，uq、iq是q軸的電壓和電流，φm是永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁鏈，ωm是電機(jī)的機(jī)械角速度，ωr是電機(jī)的電氣角速度，P是電機(jī)的極對(duì)數(shù)，TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩.由式(1)可得反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ke=Pφm，由式(3)可得轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt=3/2Pφm，即Kt=3/2Ke.

本文提出的電機(jī)參數(shù)辨識(shí)方法是根據(jù)PMSM的數(shù)學(xué)模型，對(duì)電機(jī)q軸和d軸分別注入不同的電壓，產(chǎn)生相應(yīng)的q軸和d軸電流，從而自動(dòng)辨識(shí)電機(jī)的相關(guān)參數(shù).具體的辨識(shí)方法如下.

1.2 定子電阻的辨識(shí)

1.3 交直軸電感的辨識(shí)

分別向q軸和d軸注入脈沖電壓，控制脈沖電壓時(shí)長(zhǎng)h小于電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)，忽略電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)量和定子兩端的壓降，化簡(jiǎn)式(1)和式(2)可得：

(5)

(6)

由式(5)和式(6)可知，只要測(cè)量出交直軸電流的變化量，就可以計(jì)算出交直軸電感.與定子電阻測(cè)量的方法相似，測(cè)量時(shí)分別加上兩個(gè)大小不同但同相的電壓，分別測(cè)量出電流變化量，通過相減，來消除驅(qū)動(dòng)電路帶來的影響.交直軸電感修正后的估測(cè)值：

1.4 反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)的辨識(shí)

令id*=0，適當(dāng)加入iq*使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將式(2)進(jìn)行拉氏變換可得：

(7)

變換式(7)可得反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ke估測(cè)值：

(8)

可見，加上一定的交軸電流iq*，分別測(cè)出交軸電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速，利用前面測(cè)出的定子電阻和交軸電感，就可以估算出反電動(dòng)勢(shì)系數(shù).

1.5 機(jī)械參數(shù)辨識(shí)

電機(jī)空載時(shí)，通過在不同的時(shí)刻加入不同的交軸電流，使電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?增加到穩(wěn)定值，然后再逐漸降為0的方法測(cè)出電機(jī)的機(jī)械參數(shù).

如圖1所示，0時(shí)刻，設(shè)定q軸電流iq*=i1，使電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，由于耦合電壓尚未加入電流控制器，q軸電流會(huì)受轉(zhuǎn)速影響拉回至i2，而轉(zhuǎn)速在t2時(shí)刻前穩(wěn)定于ω1，接著將解耦電壓加入電流控制器，使q軸電流到達(dá)其給定值.加入解耦電壓后電機(jī)加速，在t3時(shí)刻轉(zhuǎn)速上升到穩(wěn)定值ωm*.由于機(jī)械參數(shù)還未知，此時(shí)啟動(dòng)速度環(huán)控制，將速度環(huán)的比例增益Ki設(shè)為0，積分增益Kp設(shè)為1.在速度環(huán)的控制下，電機(jī)轉(zhuǎn)速通過較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).

接著，撤銷電流iq*使其為0，電機(jī)開始減速，在t5時(shí)刻轉(zhuǎn)速降到零.假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速是線性變化的，那么代入式(4)后整理可得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J=B(t5-t4).

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

依據(jù)前述的辨識(shí)方法，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW技術(shù)的測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示.測(cè)試系統(tǒng)由上位機(jī)和控制電路組成.控制電路采用Microchip的PIC33FJ32MC204作為主控芯片，通過霍爾電流傳感器CS010GT檢測(cè)PMSM兩相定子電流，根據(jù)FOC算法實(shí)現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)調(diào)節(jié)，生成6路帶死區(qū)保護(hù)的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)IPM模塊，IPM模塊采用三菱公司的PS21265，實(shí)現(xiàn)DC/AC變換.控制電路通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信.控制電路接收上位機(jī)發(fā)出的測(cè)試指令，對(duì)電機(jī)相電流進(jìn)行采樣，根據(jù)FOC算法產(chǎn)生相應(yīng)的三相電壓加到電機(jī)，并將ud、uq、id、iq等數(shù)據(jù)，通過串口回傳給上位機(jī)，上位機(jī)軟件根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算處理、顯示和存儲(chǔ)，并將計(jì)算得到的參數(shù)發(fā)送給控制電路.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

PMSM參數(shù)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)上位機(jī)操作界面如圖3所示，程序主要完成串口通訊參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)處理和顯示，數(shù)據(jù)保存.

(1) 串口通信.LabVIEW中串口通信由串口配置、串口寫、串口讀、串口關(guān)閉4個(gè)步驟構(gòu)成[6-7].串口配置的程序框圖如圖4所示.

(2) 數(shù)據(jù)處理.串口配置后，上位機(jī)通過串口寫子vi發(fā)出參數(shù)識(shí)別指令，然后根據(jù)串口的Bytes at Port 屬性節(jié)點(diǎn)判斷從控制電路接收的字節(jié)數(shù)是否達(dá)到規(guī)定數(shù)量，若達(dá)到，通過串口讀子vi將數(shù)據(jù)讀出送到數(shù)據(jù)處理子vi計(jì)算出定子電阻和交直軸電感.程序框圖如圖5所示.

控制電路根據(jù)識(shí)別方法經(jīng)過一定時(shí)間的延時(shí)，將新的一組數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)結(jié)合計(jì)算出的定子電阻和交直軸電感，根據(jù)估算公式，計(jì)算出反電勢(shì)系數(shù)Ke、摩擦系數(shù)B、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J.其中反電勢(shì)系數(shù)在計(jì)算時(shí)需要將式(8)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，轉(zhuǎn)換到數(shù)字域的反電勢(shì)系數(shù)計(jì)算公式為：

(3) 數(shù)據(jù)存取.利用免費(fèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問工具包LabSQL[8]對(duì)計(jì)算的電機(jī)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ).LabSQL利用Microsoft的ADO以及SQL語(yǔ)言來完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的各種訪問.通過調(diào)用LabSQL工具包中的子VIs，將計(jì)算得到的定子電阻、交直軸電感、反電勢(shì)系數(shù)、摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩系數(shù)保存到Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便用戶今后調(diào)出歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱研究.程序框圖如圖7所示.

3.2 單片機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示.單片機(jī)通過串口接收上位機(jī)發(fā)出的指令，根據(jù)相關(guān)指令按照FOC算法輸出適當(dāng)?shù)膗d和uq，采樣相電流計(jì)算出id和iq，將相關(guān)數(shù)據(jù)通過串口回傳給上位機(jī)，等待上位機(jī)計(jì)算，并將結(jié)果發(fā)送給控制器，控制器接收到相關(guān)的電機(jī)參數(shù)后，將其寫入EEPROM中供電機(jī)進(jìn)行矢量控制.

在單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)中，F(xiàn)OC算法是整個(gè)程序設(shè)計(jì)的核心，F(xiàn)OC算法的流程圖如圖8所示.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證參數(shù)識(shí)別方法和系統(tǒng)的正確性，采用400 W、8極的永磁交流電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)做了大量的實(shí)驗(yàn).圖3是測(cè)試程序的前面板，從圖中可以看到自動(dòng)識(shí)別的結(jié)果.識(shí)別生成的Access數(shù)據(jù)表格如圖9所示.

自動(dòng)識(shí)別的結(jié)果與傳統(tǒng)方法測(cè)量結(jié)果的比較見表1.從表1中可以看出，參數(shù)自動(dòng)識(shí)別的結(jié)果與采用傳統(tǒng)方式得到的結(jié)果相比誤差很小，精度很高，所有參數(shù)的測(cè)量誤差都在10%以內(nèi).由此可見，該參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)的測(cè)試精度和準(zhǔn)確度達(dá)到了設(shè)計(jì)需求.

表1 自動(dòng)識(shí)別與傳統(tǒng)方法參數(shù)測(cè)量比較

5 結(jié) 論

本文采用一種新穎的在線自動(dòng)辨識(shí)方法，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的PMSM參數(shù)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng).該系統(tǒng)界面友好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，無需任何特定儀器，能自動(dòng)辨識(shí)矢量控制永磁同步電機(jī)的電氣和機(jī)械參數(shù)，提高了工作效率.

(陳震兼任泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授)

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