基于dSPACE的永磁同步电机矢量控制平台的设计

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  [摘 要]电机的数学模型一般较复杂,离线仿真出来的算法在实际应用中较难得到理想的结果。利用dSPACE 与Simulink 无缝连接技术,可以实现离线仿真到半实物仿真的快速过渡,提高运动控制系统研究工作的效率。 本文介绍了dSPACE 的软硬件环境,借助计算机辅助设计手段,组建了一套基于dSPACE 的合适功率等级的电机控制系统,进而确定控制系统中电机的驱动控制策略和有关控制参数,验证了dSPACE半实物仿真平台的高效性.
  [关键词]dSPACE,电机控制平台,半实物仿真
  中图分类号:TM341 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)03-0127-01
  电机的数学模型一般是高阶、非线性的多变量系统,离线仿真得到的控制算法在实际应用中不容易取得理想效果,而在采用单片机或DSP的硬件环境中开发运动控制系统需要手工编程,工作量大、不灵活、开发效率低。dSPACE( digital Signal Processing and Control Engineering)是一套基于Matlab /Simulink的半实物仿真平台,它由硬件系统和软件环境两部分组成。将dSPACE用在运动控制系统的开发研究中,可以实现快速控制原型RTP(Rapid Control Protocol)驱动实际永磁同步电机进行硬件在环仿真,并能灵活的完成算法的调试和更改,具有很高的效率。
  1 永磁同步电机控制平台的总体规划
  永磁电机试验台包括电机安装平台、永磁同步电机(被测电机)、异步电机(陪测电机)、通用IGBT 模块、dSPACE、计算机、转矩转速传感器、转矩转速测量仪(二次仪表)、光电码盘2个(被测电机和陪测电机各一个)、控制柜、操作台、数据采集控制电脑、数采板卡与调理、整流逆变、能量回馈和风冷系统组成。其中永磁同步电机、转矩传感器、异步电机以及编码器同轴安装在电机安装平台上,被试侧和陪试侧各自组成相对独立的系统,进行控制、采集和显示。硬件系统结构如图1所示。
  2 转接电路板设计
  转接电路板是整个控制系统的关键,参考图2,它向上与dSPACE进行信号交换,向下与主板进行信号交换,主板主要实现功率驱动作用。转接电路板应该具备以下主要功能:
  1) 设计双电源变换模块,可选择用dSPACE或外部电源为此电路板及传感器供电;
  2) 实现dSPACE与电机驱动主板的信号连接;
  3) 对dSPACE输出信号进行调理。dSPACE的PWM输出口是高电平有效,且上电便为有效电平,若这样直接驱动IGBT便会出现直通而烧掉驱动模块;
  4) 对电机电流、转速及IGBT直流母线电压进行检测和调理;
  5) 产生过流、过压、欠压等故障信号,并对故障信号进行硬件响应及锁存上报。
  根据上述功能要求,本文在设计时使用模块化的设计方法,即把电路划分为各功能块分别予以实现,这样可使转接电路更加条理化,具有更高的维护性。转接电路分为:信号检测调理功能块、PWM 输出功能块、电源功能块、dSPACE信号交换功能块、故障信号产生功能块及信号锁存上报功能块。从总的角度来看,这些功能模块可分为模拟和数字块,模拟块主要包括电流电压的检测处理部分,数字块主要实现故障信号锁存上报及PWM 信号处理等功能。
  控制系统采用霍尔传感器检测电压、电流,采用增量式光电编码器检测转速。 转接板对电流、电压信号的调理是实现放大、偏置、滤波和钳位; 故障信号的产生通过比较器实现,电路设计相对较为简单。故障信号响应及锁存上报决定了整个控制系统的可靠性和容错性。
  3 永磁同步电机雙闭环矢量控制
  由于没有直轴电流,电机没有直轴电枢反应,不会使永磁体退磁,电机的所有电流均用来产生电磁力矩,电流控制效率高。永磁同步电机双闭环矢量控制模型如图2所示。其外环为速度环,实际转速与给定转速的差值经过PI调节器,作为内环(电流环)的给定。内环分为直轴电流和交轴电流,他们的差值经过PI调节器,就变成直轴电压和交轴电压。然后经过,逆PARK变换,变成静止坐标系下的电压,送入SVPWM模块,输出三相桥式电路的开关信号,来控制电机。
  4 结论
  永磁同步电机速度环矢量控制模型的转速仿真波形如图 3所示,电流环PI调节器参数KP为20,KI为3。速度环PI调节器参数KP为200,KI为0.3。在0s突加3000rpm,带载起动,起动转矩30N.m;在0.1s突然加载,从30 N.m变到57.3 N.m。从图4中可以看出,电机可以带载起动到3000rpm,且速度很快,这个主要依据速度环的PI调节器来控制。当突加负载后,电机转速就有一点下降,但是它能够立即回到3000 rpm,说明控制系统的动态性能优越。而且稳态误差也很小,说明PI调节器的I参数选择合适。
  资助项目:国内访问学者项目(FX2013197),国家大学生创新项目(201411488007),浙江省教育厅科研(Y201329552)。
  参考文献
  [1]王广玮,dSPACE快速控制原型技术在无刷直流电动机控制中的应用[J].现代制造工程,2015(01).
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