戴茵茵，林宇洲

（1.華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門361021；2.華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢430074）

橫向磁通永磁電機（transverse-flux permanent magnet motor，簡稱TFPMM）是德國教授 Weh提出的一種新型電機結構形式.該結構理論上克服了傳統(tǒng)電機齒槽處在同一截面，幾何尺寸相互制約的缺陷，并可同時增大電機電負荷和磁負荷，從根本上提高了電機轉矩密度，特別適合低速、大轉矩、直接驅動等場合［1-2］.目前，國內外對TFPMM的研究主要集中在電機本體結構設計和電磁場分析這兩方面，而對驅動控制系統(tǒng)方面的研究相對較少［3］.雖然TFPMM驅動控制策略可借鑒傳統(tǒng)電機的控制，但作為一種新型電機結構，畢竟有其特殊性.德國dSPACE公司開發(fā)了一套基于MATLAB／Simulink的dSPACE實時仿真系統(tǒng).該仿真系統(tǒng)能將被控對象以實物的形式連接在仿真回路上，允許反復修改控制器模型并進行實時仿真，直至找到理想的控制方案，這為研究驅動TFPMM更加復雜的控制算法提供了基礎.本文在MATLAB／Simulink離線仿真基礎上，設計了以dSPACE為核心的橫向磁通永磁電機控制系統(tǒng)實驗平臺.

1 MATLAB／Simulink離線仿真

1.1 TFPMM數學模型

TFPMM雖是一種新型結構的電機，但仍屬于同步電機范疇［4］，工作于無刷直流驅動模式下.因此，其數學模型可仿照無刷直流電機的數學模型建立.與無刷直流電機不同的是，TFPMM三相磁路無耦合，相之間不存在互感.TFPMM電壓方程、電磁轉矩方程及運動方程分別為

式（1）～（3）中：ua，ub，uc均為定子相電壓；ia，ib，ic均為定子相電流；ea，eb，ec均為定子相繞組反電動勢；R為相電阻；L為每相繞組的自感；p＝d／dt是微分算子；Te為電磁轉矩；Ω為轉子機械角速度；TL為負載轉矩；J為轉動慣量.

1.2 TFPMM控制系統(tǒng)仿真模型

TFPMM控制系統(tǒng)采用速度和電流雙閉環(huán)無刷直流控制方案，在MATLAB／Simulinik軟件環(huán)境下，應用模塊化建模方法構建的TFPMM控制系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示.圖1中的各主要功能模塊分別是：TFPMM本體、逆變器脈沖寬度調制驅動信號、霍爾位置信號、速度PI調節(jié)、電流滯環(huán)調節(jié)等.TFPMM本體依據TFPMM數學模型搭建，其參數配置和實驗樣機參數一致.考慮該模型要實現與dSPACE的連接，此控制系統(tǒng)仿真模型中模擬了霍爾位置傳感器的作用.

圖1 TFPMM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型Fig.1 Model of double-closed loop control system of TFPMM

1.3 仿真結果的分析

TFPMM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真波形圖，如圖2所示.圖2（a）中：參考轉速n＝200 r·min-1；t＝0.5 s；額定負載TL＝45 N·m.由圖2（a）可知：電機起動后很快達到給定轉速并穩(wěn)定下來，且負載變化時，由于雙閉環(huán)的調節(jié)作用，轉速基本不受干擾，始終穩(wěn)定在給定值.圖2（b）給出了相反電勢與相電流的仿真波形.由圖2（b）可知：TFPMM反電勢波形接近正弦波，這與對TFPMM樣機做發(fā)電機實驗得出的結果相一致，說明該控制系統(tǒng)仿真模型能夠反映實際電機性能.

圖2 TFPMM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真波形圖Fig.2 Simulation waves of TFPMM control system

2 基于dSPACE的實驗控制系統(tǒng)

dSPACE系統(tǒng)最大的特點是實現了與MATLAB／Simulink的完全無縫連接，并擁有實時性強，可靠性高，擴充性好等優(yōu)點.它主要由硬件系統(tǒng)和軟件環(huán)境兩部分組成，其強大的軟件環(huán)境支持在線模型代碼的自動生成、編譯、鏈接，下載，并實現對實際對象的實時驅動控制［5］.

2.1 系統(tǒng)硬件構成

TFPMM控制系統(tǒng)實驗平臺結構框圖，如圖3所示.平臺結構包括了以dSPACE和計算機為基礎的控制核心、逆變器電路、信號檢測電路、光耦隔離電路和TFPMM實驗樣機等幾部分.其中計算機部分主要用于系統(tǒng)在線模型的設計，實時代碼的生成、下載，以及實驗仿真的研究.

圖3 TFPMM控制系統(tǒng)實驗平臺結構框圖Fig.3 Diagram of TFPMM control system for experiment

dSPACE硬件平臺采用DS1103PPC作為控制算法處理核心，承擔所有的實時計算.逆變器的功率器件采用IGBT（insulated gate bipolar transistor）智能功率模塊（IPM），其額定值為60 V，80 A.IPM內部集成了三相逆變橋、驅動電路、制動電路和保護電路.在實際應用中，只要輔以光耦隔離電路，驅動電源，以及各開關管子的PWM控制信號即可.三路霍爾位置傳感器提供轉子位置，及計算電機的實際轉速.兩路霍爾電流傳感器將檢測到的定子相電流通過隔離轉換，送入DS1103PPC處理器.經過相應的算法處理后，便可產生使各IGBT管依次開通的PWM脈沖信號，驅動TFPMM的運轉.

2.2 系統(tǒng)軟件實現

在實際控制系統(tǒng)中，用實物替代圖1中的TFPMM、逆變器等模塊，引入相應的I／O，D／A轉換接口，并對其進行相應配置，便可得到控制系統(tǒng)快速控制原型，如圖4所示.圖4中：Subsystem模塊為MATLAB離線仿真所搭模塊的封裝；虛線框表示實際電路的接口.

利用 MATLAB中的RTW（real time workshop）與dSPACE系統(tǒng)中的RTI（real time interface），Simulink模型生成dSPACE系統(tǒng)可執(zhí)行程序代碼，并將其下載到硬件中.RTI根據信號參數，產生一個變量文件，借助于測試軟件ControlDesk，建立虛擬儀表，對數據進行采集、變量訪問、參數在線調試［6］.運用Control Desk所建立的虛擬控制實驗面板，如圖5所示.該控制面板可對仿真參數如PI系數、給定轉速值等進行在線修改，還可實時跟蹤顯示各參量波形.

圖4 控制系統(tǒng)快速控制原型Fig.4 Rapid control prototype

圖5 Controldesk綜合控制實驗面板Fig.5 Control panel built by Controldesk for experiment

2.3 實驗結果分析

實驗采用的TFPMM實驗樣機為三相Y形連接、8對極、外轉子輪轂結構.實驗中，額定電壓為60 V，額定電流為50 A.在給定轉速n＝200 r·min-1，電機負載轉矩TL＝35 N·m下，通過Controldesk綜合控制實驗面板，觀測到的電機相電流波形，以及用示波器測量的電機相電流波形，分別如圖6，7所示.通過軟件計算所得出實際轉速為199.392 r·min-1.這與給定轉速基本一致，也與用測速工具所測量結果基本一致，說明了本雙閉環(huán)控制系統(tǒng)能較好地實現電機的穩(wěn)速性能.對比實驗與仿真結果，進一步論證了該控制系統(tǒng)方案的可行性.

圖6 虛擬控制面板參數及波形顯示Fig.6 Display of parameters and waves on the virtual panel

圖7 相電流實驗波形Fig.7 Actual waves of a phase current

3 結束論

通過MATLAB／simulink軟件平臺與dSPACE實時仿真系統(tǒng)的相結合，構建了新型TFPMM的速度和電流雙閉環(huán)控制實驗系統(tǒng).仿真和實驗結果均表明：該實驗平臺的可靠性，為今后解決更復雜的TFPMM驅動控制算法提供了基礎.

［1］ 陳金濤，辜承林.新型橫向磁通永磁電機研究［J］.中國電機工程學報，2005，25（15）：155-160.

［2］ 褚文強，辜承林.新型橫向磁通永磁電機磁場研究［J］.中國電機工程學報，2007，27（24）：58-62.

［3］ 王建寬，施進浩，江建中.橫向磁場永磁電動機及其驅動系統(tǒng)的研究［J］.微特電機，2005（11）：14-16.

［4］ 涂小濤.直驅式電動汽車用新型橫向磁通永磁電機控制應用研究［D］.武漢：華中科技大學，2012：14-16.

［5］ 楊滌.系統(tǒng)實時仿真開發(fā)環(huán)境與應用［M］.北京：清華大學出版社，2003：339-342.

［6］ 舒楊，李輝，孫永奎.基于dSPACE的無刷直流電機控制器快速開發(fā)方法［J］.系統(tǒng)仿真學報，2008，20（8）：2023-2025.