永磁同步電動(dòng)機(jī)控制半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周林娜， 金南南， 王 海， 楊春雨

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，江蘇徐州 221008）

0 引 言

電機(jī)控制是控制科學(xué)與工程、電氣工程、機(jī)械電子等專業(yè)的重要教學(xué)研究?jī)?nèi)容，而永磁同步電動(dòng)機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）因具有體積小、輸出轉(zhuǎn)矩大、制動(dòng)性能優(yōu)異等特性，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)制造等領(lǐng)域［1-4］，將PMSM控制引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在Matlab仿真中，電動(dòng)機(jī)矢量控制模型是忽略電動(dòng)機(jī)渦流、高次諧波等條件下建立的，與實(shí)際的電動(dòng)機(jī)存在著差異，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需考慮硬件接口電氣特性、電動(dòng)機(jī)參數(shù)在實(shí)際運(yùn)行中受溫度的影響、驅(qū)動(dòng)裝置的內(nèi)部電氣特性等諸多因素［5-6］。采用這種Matlab仿真無(wú)法反應(yīng)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。為研究電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了將FPGA、DSP和MCU應(yīng)用到電動(dòng)機(jī)控制實(shí)驗(yàn)中［7-11］，需要花大量時(shí)間去編寫程序和設(shè)計(jì)電路，時(shí)間長(zhǎng)、重復(fù)性工作多，不滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。本文利用dSPACE軟硬件環(huán)境設(shè)計(jì)了一套PMSM半實(shí)物仿真系統(tǒng)且加以傳統(tǒng)的PI控制算法和較先進(jìn)的滑?？刂扑惴ㄟM(jìn)行驗(yàn)證［12］，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)用自己設(shè)計(jì)的控制算法替換模型中的調(diào)節(jié)器便可輕松驗(yàn)證自己的控制算法的合理性，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得了顯著的效果［13-16］。

dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)與Matlab/Simulink完全無(wú)縫連接，dSPACE具有高速運(yùn)算的處理器和豐富的I/O接口，在航天航空、汽車、機(jī)器人及工業(yè)控制等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。很多高校使用dSPACE來(lái)彌補(bǔ)理論知識(shí)無(wú)法應(yīng)用到實(shí)際的缺陷，使得控制算法實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單、方便、快捷，降低了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)成本，成為理論知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間的橋梁［17］。本文dSPACE半實(shí)物仿真系統(tǒng)將Matlab仿真模型中的部分模塊用實(shí)物代替。其中，PMSM模塊采用實(shí)際電動(dòng)機(jī)；逆變器模塊用調(diào)壓器和變流器代替來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；上位機(jī)代替模型中示波器及參數(shù)給定端口；實(shí)際的硬件連接線代替模型中的邏輯連接線。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、坐標(biāo)變換和SVPWM模塊保持不變，用硬件接口替代原來(lái)的連接關(guān)系，在Matlab仿真和半實(shí)物仿真之間添加并配置相應(yīng)的I/O接口，這樣便構(gòu)成了完整的仿真模型。dSPACE半實(shí)物仿真系統(tǒng)可以生成PMSM運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)變化曲線圖，讓學(xué)生實(shí)時(shí)觀測(cè)和調(diào)整參數(shù)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，為教學(xué)和科研創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

1 基于d SPACE的PMSM半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為半實(shí)物仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理框圖，主要有3部分組成，分別是上位機(jī)、dSPACE硬件平臺(tái)和PMSM硬件系統(tǒng)。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

基于dSPACE的PMSM半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件系統(tǒng)包括MicroLabBox控制器、轉(zhuǎn)接板、調(diào)壓器、變流器、永磁同步電動(dòng)機(jī)、上位機(jī)以及一些硬件連接線，PMSM控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。

圖2 PMSM控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)

MicroLabBox控制器是用于實(shí)驗(yàn)室一體化開發(fā)的緊湊型系統(tǒng)，能快速簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制測(cè)試或測(cè)量，擁有專門的電動(dòng)機(jī)控制功能以及CAN總線和以太網(wǎng)接口，控制器面板上有豐富的高性能I/O通道，可以高速運(yùn)行PMSM控制回路。MicroLabBox中RTI模塊為I/O接口提供簡(jiǎn)單、便捷、全面的配置選項(xiàng)，PMSM的輸出信號(hào)可以通過(guò)BNC和Sub-D連接器輕松訪問(wèn)模擬量和數(shù)字量的I/O通道。

上位機(jī)與MicroLabBox通過(guò)UTP網(wǎng)線連接；變流器連接到轉(zhuǎn)接板之后通過(guò)BNC線和DB50線分別實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的傳輸；調(diào)壓器連接到變流器用來(lái)提供三相電壓可變的交流電（逆變器的直流母線電壓是調(diào)壓器輸出電壓值倍）；實(shí)驗(yàn)中用的電動(dòng)機(jī)為ACSM60-G00630LZ。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)線和編碼器信號(hào)線連接到變流器中的對(duì)應(yīng)接口。這樣便構(gòu)成了完整的PMSM半實(shí)物仿真硬件系統(tǒng)。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Matlab仿真模型主要由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、i-park坐標(biāo)變換、SVPWM、逆變器、PMSM等模塊組成，PMSM矢量控制模型如圖3所示［18］。本文采用單臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)id=0雙閉環(huán)矢量控制方法，首先，轉(zhuǎn)速誤差通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制；dq軸電流誤差經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制，輸出uq和ud；和電動(dòng)機(jī)的反饋角θ一起經(jīng)過(guò)i-park模塊將dq坐標(biāo)系下的值轉(zhuǎn)變?yōu)棣力伦鴺?biāo)系下的值，輸出了uα和uβ；再經(jīng)過(guò)SVPWM模塊與三角波對(duì)比調(diào)制出方波脈沖，脈沖通過(guò)逆變器模塊的開關(guān)特性生成可直接供給電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的三相電；Clark模塊將參考定子的三軸二維坐標(biāo)系下的采樣值（ia，ib，ic）轉(zhuǎn)換為雙軸靜止坐標(biāo)系下的值（id、iq）；示波器用來(lái)觀測(cè)速度、電流、轉(zhuǎn)矩等反映電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的值。

圖3 PMSM矢量控制Matlab仿真模型

Matlab仿真模型是完全在軟件環(huán)境中建立的，而半實(shí)物仿真模型保留了部分模塊，并基于RTI實(shí)時(shí)接口庫(kù)配置合適的I/O端口。圖4為基于dSPACE的PMSM控制系統(tǒng)原理圖，在ControlDesk交互界面中給定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，速度偏差通過(guò)調(diào)節(jié)器后調(diào)節(jié)PMSM實(shí)際轉(zhuǎn)速，通過(guò)編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)換在ControlDesk交互界面中顯示PMSM的狀態(tài)參數(shù)變化。

圖4 基于dSPACE的PMSM控制原理圖

在Matlab仿真模型基礎(chǔ)上建立基于dSPACE的Simulink模型，如圖5所示為基于dSPACE的PMSM矢量控制模型，實(shí)驗(yàn)中各模塊參數(shù)和Matlab仿真中完全一致。dSPACE提供了多個(gè)軟件組合其中包括RTI（Real-TimeInterface）、RTW（Real-Time Workshop）及ControlDesk。RTI實(shí)時(shí)接口庫(kù)可通過(guò)圖標(biāo)的方式輕松指定用戶I/O，RTI和RTW共同生成dSPACE可執(zhí)行的c代碼，編譯系統(tǒng)Simulink模型便可自動(dòng)下載到dSPACE控制器中，通過(guò)ControlDesk在線觀測(cè)PMSM運(yùn)行狀態(tài)［19］。

圖5 基于dSPACE的PMSM矢量控制模型

在Simulink下建立的PMSM半實(shí)物仿真模型包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、傳感器數(shù)字信號(hào)輸入輸出模塊、傳感器模擬信號(hào)輸出單元以及PWM生成與軟保護(hù)單元。上位機(jī)中的ControlDesk軟件可供用戶自行設(shè)計(jì)觀測(cè)PMSM參數(shù)變化的虛擬儀表界面，在ControlDesk界面主要設(shè)計(jì)有示波區(qū)、算法參數(shù)調(diào)整區(qū)和系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)3部分。

2 半實(shí)物仿真系統(tǒng)工作流程

半實(shí)物仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和整定，實(shí)驗(yàn)流程如圖6所示。

圖6 基于dSPACE半實(shí)物仿真系統(tǒng)建模流程

具體流程如下：

（1）在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下，建立PMSM矢量控制仿真模型，仿真優(yōu)化系統(tǒng)模型。

（2）加入dSPACE的I/O端口，配置I/O參數(shù)。保留轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器主閉環(huán)不變，添加適量的模擬量和數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊并配置與dSPACE硬件接口相對(duì)應(yīng)的I/O參數(shù)，在線調(diào)試運(yùn)行程序，確保系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量到PMSM的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)。

（3）基于dSPACE控制模型調(diào)試優(yōu)化完成后，用RTW的“Build”命令生成dSPACE控制器可執(zhí)行實(shí)時(shí)c代碼和工程索引文件，自動(dòng)完成編譯、連接和下載。

（4）ControlDesk加載工程索引文件完成后，便可在ControlDesk界面的算法參數(shù)調(diào)整區(qū)在線調(diào)整給定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器等參數(shù)；在示波區(qū)觀測(cè)電動(dòng)機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等曲線圖；在系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)可通過(guò)指示燈了解系統(tǒng)硬件狀態(tài)，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障即指示燈出現(xiàn)紅色警報(bào)，學(xué)生可通過(guò)按下變流器急停按鈕及時(shí)終止實(shí)驗(yàn)，以免對(duì)設(shè)備造成損壞。

3 系統(tǒng)測(cè)試

針對(duì)基于dSPACE的PMSM半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行2個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：額定功率PN=0.2 kW，反電勢(shì)E=29.5 V/103r·min-1，額定電壓UN=220 V，額定電流為IN=1.5 A，額定力矩為TN=0.6 N·m，額定轉(zhuǎn)速nN=3 000 r/min，峰值力矩TN=1.8 N·m，線電感L=9.8 mH，轉(zhuǎn)子慣量J=2.1×10-5kg·m2，線電阻為R=10.7Ω，極對(duì)數(shù)np=4。實(shí)驗(yàn)要求Matlab仿真和半實(shí)物仿真中給定轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)器參數(shù)、SVPWM模塊、逆變器、電動(dòng)機(jī)參數(shù)、坐標(biāo)變換模塊均相同。

實(shí)驗(yàn)1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器用傳統(tǒng)的PI控制算法，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，上位機(jī)虛擬儀表中設(shè)置控制算法參數(shù)，具體為：ASR的PI參數(shù)KP=0.04、KI=0.015；ACQR的PI參數(shù)為KP=0.02、KI=0.2；ACDR的PI參數(shù)為KP=0.02、KI=0.2；給定角速度150 rad/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、8所示。由圖可見(jiàn)，半實(shí)物仿真系統(tǒng)的仿真波形與純Matlab仿真波形近似度很高，說(shuō)明半實(shí)物仿真系統(tǒng)有效。

圖7 基于PI調(diào)節(jié)器的MATLAB仿真波形

圖8 基于PI調(diào)節(jié)器的半實(shí)物仿真波形

實(shí)驗(yàn)2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用如圖9所示滑?？刂扑惴ǎ?0］，其中參數(shù)c=1 200，其大小決定滑模面表達(dá)式中速度偏差或偏差導(dǎo)數(shù)所占的權(quán)重；α=10，在設(shè)計(jì)時(shí)要大于干擾項(xiàng)的幅值；β=100，其大小決定趨近滑模面的速度；γ=1 200，與參數(shù)c作用相同；Δ=1.24×10-5，是根據(jù)PMSM的極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)和磁鏈計(jì)算所得。給定角速度150 rad/s。圖10為基于滑模調(diào)節(jié)器的Matlab仿真速度和電流波形。圖11為基于滑模調(diào)節(jié)器半實(shí)物仿真速度和電流波形?？梢?jiàn)，半實(shí)物仿真系統(tǒng)能夠有效驗(yàn)證滑?？刂扑惴?。

圖9 滑模調(diào)節(jié)器工作原理

圖10 基于滑模調(diào)節(jié)器的MATLAB仿真波形

圖11 基于滑模調(diào)節(jié)器的半實(shí)物仿真波形

2個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PMSM的Matlab仿真和半實(shí)物仿真結(jié)果一致?；？刂票葌鹘y(tǒng)的PI控制速度跟蹤快、超調(diào)小且具有更強(qiáng)的魯棒性?；？刂票举|(zhì)是不連續(xù)的開關(guān)特性決定了系統(tǒng)存在“抖振”問(wèn)題。由以上分析可得，基于dSPACE的PMSM半實(shí)物仿真系統(tǒng)可以輕松運(yùn)行不同控制算法，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信度高。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用dSPACE軟硬件環(huán)境設(shè)計(jì)了一套PMSM半實(shí)物仿真系統(tǒng)，通過(guò)PI控制和滑?？刂?個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性和有效性。學(xué)生在PMSM模型的速度環(huán)替換控制算法便可輕松驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的控制算法的實(shí)際運(yùn)行效果，節(jié)約了編程時(shí)間，通過(guò)ContolDesk可視化界面在線調(diào)整模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同算法的靈活配置，克服了純Matlab仿真實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)。在傳授學(xué)生理論知識(shí)的同時(shí)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式，可使學(xué)生學(xué)以致用，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，提高教學(xué)效率。