邱華靜，李鴻彪，鄒毅軍

（1.上?？屏盒畔⒐こ逃邢薰?，上海 200233;2.揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研究高性能的永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、功率密度低、低速輸出轉(zhuǎn)矩大、效率高和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，受到工業(yè)自動(dòng)化、新能源汽車等行業(yè)的青睞，成為研究與利用的熱點(diǎn)［1］。

硬件在環(huán)（Hardware In The Loop，HIL）是實(shí)時(shí)仿真技術(shù)的一種新穎的工程應(yīng)用形式，在工程實(shí)踐中充分發(fā)揮了它的優(yōu)勢(shì):置信度高、方便方案驗(yàn)證與設(shè)計(jì)、縮短開(kāi)發(fā)周期、減小開(kāi)發(fā)成本。本文實(shí)現(xiàn)了基于RT－LAB的永磁同步電機(jī)HIL實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的搭建，基于此平臺(tái)我們研究了永磁同步電機(jī)的運(yùn)行特性，通過(guò)觀察電流電壓等電量特性確定了控制參數(shù)，驗(yàn)證了所用控制策略的性能，實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果證明了 HIL的優(yōu)越性［2－3］。

1 基于RT－LAB的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

RT－LAB是加拿大Opal－rt公司開(kāi)發(fā)的基于模型的仿真系統(tǒng)平臺(tái)軟件包，可以直接應(yīng)用MATLAB/Simulink建立的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于實(shí)時(shí)仿真、控制、測(cè)試及其他相關(guān)領(lǐng)域?；赗TLAB的PMSM HIL實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)將用MATLABSimulink設(shè)計(jì)的PMSM及RT－LAB庫(kù)中的逆變器模型添加相關(guān)RT－LAB模塊后，編譯、下載到高精度實(shí)時(shí)仿真機(jī)eDRIVEsim中運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的建立?？刂破鞑捎肨I的DSP開(kāi)發(fā)套件F28335 eZdsp。

本仿真平臺(tái)所用的eDRIVEsim仿真機(jī)是Opal－RT公司專為電機(jī)驅(qū)動(dòng)與電力電子系統(tǒng)的各種HIL測(cè)試而開(kāi)發(fā)的一款高精度實(shí)時(shí)仿真機(jī)。它集成了強(qiáng)大的Intel i7多核處理器，每個(gè)機(jī)箱配備多達(dá)12核計(jì)算單元;擁有專用電力電子模型庫(kù)，高精度的實(shí)時(shí)解算算法，以及一系列高速I(mǎi)/O，所有I/O由Spartan 3 FPGA控制，I/O采樣精度高達(dá)20 ns，F(xiàn)PGA片上仿真可達(dá)250 ns;配有高速低延遲模擬和數(shù)字I/O，帶有信號(hào)調(diào)理;支持多種PCI和PCIe通訊接口卡;還包括一系列客戶可定制的信號(hào)生成和信號(hào)處理模塊，如PWM，正交編碼器等。這些特點(diǎn)共同確保eDREIVEsim能滿足電機(jī)控制與電力電子領(lǐng)域?qū)Ω呔葘?shí)時(shí)仿真的嚴(yán)格要求［4－5］。

基于RT－LAB的永磁同步電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)由圖1所示，在MATLABSimulink中設(shè)計(jì)PMSM與三相逆變器模型加上RT－LAB相關(guān)模塊使之可以編譯下載到eDRIVEsim仿真機(jī)中實(shí)時(shí)運(yùn)行，通過(guò)eDRIVEsim的高速I(mǎi)/O與控制器（TI的DSP開(kāi)發(fā)板e(cuò)Zdsp 28335）連接。控制器DSP28335采樣電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)與同樣通過(guò)AD采樣給定的速度信號(hào)比較執(zhí)行DSP中運(yùn)行的算法產(chǎn)生空間矢量脈寬調(diào)制波（SVPWM），經(jīng)過(guò)OP5353數(shù)字IO卡輸入eDRIVEsim中控制PMSM的運(yùn)行。仿真機(jī)中OP5142 FPGA負(fù)責(zé)管理所有模擬數(shù)字量的板卡，高速采樣的數(shù)據(jù)通過(guò)PCIe總線和CPU實(shí)時(shí)交互。

2 仿真機(jī)部分:PMSM本體與三相逆變器模型的建立

如圖2建立了運(yùn)行于eDRIVEsim仿真機(jī)中的PMSM本體與三相逆變器的模型，PMSM模型選用MATLABSimulink中提供的模型，逆變器為RT－LAB庫(kù)中的模型。將電機(jī)測(cè)量模塊（Machines Measurement Demux）測(cè)量的電機(jī)三相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置角經(jīng)調(diào)理后輸出到仿真機(jī)模擬量輸出口OP5142EX1 Analo-gOut，RT－LAB中OP5142EX1 AnalogOut模塊用于eDRIVEsim仿真機(jī)模擬量輸出口的選擇。將PMSM電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理的目的在于滿足所用DSP芯片AD采樣信號(hào)必須滿足0～3 V范圍的要求，在實(shí)際調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)電流有漂移故在調(diào)理時(shí)也進(jìn)行了校正。

圖1 基于RT－LAB的永磁同步電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 仿真機(jī)部分:PMSM本體與三相逆變器模型

在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上選用由Opal－RT開(kāi)發(fā)的RTE－Drive模塊包下IGBT逆變橋模塊，它針對(duì)于電力電子系統(tǒng)高頻PWM波使用插值法以獲得高精度。在MATLAB/SimPowerSystems（SPS）下的一個(gè)普通的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型中我們將其中的逆變橋換為RTE－Drive IGBT逆變橋模塊，使用RTE－Drive和SPS模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真電流波形效果分析如表1。

表1 使用RTE-Drive和SPS模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真電流波形效果比較

從以上對(duì)比可以看出經(jīng)過(guò)優(yōu)化的IGBT逆變橋模塊可以使算法運(yùn)行在更小的步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)更高的精度，非常適用于電機(jī)、電力電子等對(duì)步長(zhǎng)要求嚴(yán)格的系統(tǒng)仿真。

3 PMSM磁場(chǎng)定向控制算法及其實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)PMSM高性能的轉(zhuǎn)矩控制，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用采用矢量控制，也稱為磁場(chǎng)定向控制，其原理框圖如圖3所示。矢量控制最基本的思想就是通過(guò)變換將交流異步電機(jī)能像直流他勵(lì)電機(jī)那樣能夠獨(dú)立控制勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩，得到優(yōu)良的調(diào)速特性。矢量控制巧妙地通過(guò)坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)變換將三相交流電流變換成為二相（直軸的勵(lì)磁分量和交軸的轉(zhuǎn)矩分量）恒定的電流，這樣使電流內(nèi)環(huán)（PID）控制成為可能，控制器輸出再通過(guò)反變換產(chǎn)生控制信號(hào)作為SVPWM的輸入，而SVPWM和逆變器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的變頻變壓電源。這樣交流電機(jī)也像直流電機(jī)那樣可以引入雙環(huán)、三環(huán)控制大大提高了交流電機(jī)的速度、位置控制性能，使交流電機(jī)變速傳動(dòng)進(jìn)入新的紀(jì)元［6］。

圖3 空間電壓矢量控制詳細(xì)框圖

隨著控制模型的日益復(fù)雜，電子系統(tǒng)的日益龐大，傳統(tǒng)的手工編寫(xiě)代碼的方式已不能適應(yīng)超大代碼量工程的實(shí)現(xiàn)，因此基于模型的設(shè)計(jì)方法在世界范圍內(nèi)迅猛發(fā)展。不斷更新的MATLAB軟件具有強(qiáng)大的工具庫(kù)，以適應(yīng)基于模型的圖形化設(shè)計(jì)方法的需求。在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中我們實(shí)現(xiàn)了基于模型的PMSM磁場(chǎng)定向（FOC）控制算法的TI C2000 DSP代碼生成，控制模型如圖4所示。

控制算法模型中使用MATLABTarget Support Package集成的TI的c2000 DSP寄存器設(shè)置模塊ADC、SCI、ePWM等，圖形化的交互界面使得用戶方便的設(shè)置DSP各個(gè)寄存器。同時(shí)采用TI與MATH WORKS公司合作開(kāi)發(fā)的電機(jī)控制模塊，包括:CLARKE、PARK、反PARK、PID等模塊，優(yōu)化了資源占用量，提高了執(zhí)行效率。

圖4PMSM FOC算法模型

實(shí)踐證明，基于MATLAB的TI c2000 DSP控制算法建模的代碼生成方法使得對(duì)PMSM的研究可以集中精力于算法的革新與參數(shù)的調(diào)試上而不再在代碼的編寫(xiě)上投入大量精力。

4 仿真結(jié)果

在完成平臺(tái)軟硬件設(shè)計(jì)、調(diào)試后，做了負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，改變轉(zhuǎn)速給定;給定轉(zhuǎn)速不變，改變轉(zhuǎn)矩給定的實(shí)驗(yàn)。

圖8 轉(zhuǎn)速?gòu)模?50RPM升至+750RPM三相電流波形

圖5 轉(zhuǎn)速跟蹤給定轉(zhuǎn)速情況

圖6 轉(zhuǎn)速給定由－150RPM改為+750RPM實(shí)際轉(zhuǎn)速跟蹤給定轉(zhuǎn)速過(guò)程

圖7 轉(zhuǎn)速給定由－150RPM改為+750RPM時(shí)刻電磁轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)變化情況

由圖5～圖8可見(jiàn)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變、給定速度改變情況下的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩變化、電流波形都可以清晰的呈現(xiàn)出來(lái)，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速跟蹤給定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)定的跟蹤轉(zhuǎn)速給定值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于RT－LAB的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，并通過(guò)實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制來(lái)驗(yàn)證了HIL實(shí)時(shí)仿真的優(yōu)異性能，同時(shí)生成了經(jīng)過(guò)控制器在環(huán)實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證的DSP代碼。

［1］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.242－253.

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