方 環(huán)，華 華，彭小龍，陳家新

（東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620）

在高效伺服電機控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設計開發(fā)中，開發(fā)人員根據(jù)需求分析和技術規(guī)范文檔用文字，方程等方式來描述系統(tǒng)，但是工程師們不可避免地存在對需求分析和技術文檔的理解差異，埋下失敗的伏筆。以及測試驗證階段之前需要打造硬件平臺，前期資金投入大[1]。基于以上傳統(tǒng)電機控制設計開發(fā)過程存在的問題，本文基于Matlab設計PMSM電機控制系統(tǒng)虛擬開發(fā)平臺，實現(xiàn)算法的早期驗證和性能測試。

1 PMSM電機控制系統(tǒng)虛擬開發(fā)平臺結構

整個PMSM電機控制虛擬開發(fā)平臺由上位機GUI人機接口和PMSM電機控制系統(tǒng)模型兩部分組成[1]，如圖1所示。上位機GUI人機接口系統(tǒng)主要功能有兩部分：1）接收用戶命令，修改并顯示系統(tǒng)控制參數(shù)，對控制系統(tǒng)模型發(fā)送電機控制命令。2）接收并顯示控制系統(tǒng)的運動狀態(tài)及故障報警信息。PMSM電機控制系統(tǒng)模型由Matlab/SimulinkStateflow采用模塊化方式搭建，包括系統(tǒng)輸入模塊，嵌入式處理器模塊，逆變器和電機本體模塊，系統(tǒng)輸出分析模塊。

2 PMSM電機控制系統(tǒng)模型

本文基于Matlab/Simulink，Stateflow建立了完整的伺服電機控制仿真模型，采用模塊化方式建模，如圖2所示。整個完整的系統(tǒng)包括系統(tǒng)輸入模塊，嵌入式處理器模塊，逆變器及電機本體模塊，系統(tǒng)輸出分析模塊.本文主要介紹嵌入式處理器模塊[2]。

嵌入式處理模塊包括控制算法模塊和外圍設備驅動模塊，控制算法模塊主要包括控制模式調度系統(tǒng)模塊（Mode Schedule）和電機磁場定向控制器模塊（Motor Control）；基于Matlab/Stateflow建立了控制模式調度系統(tǒng)，如圖3所示。其作用為根據(jù)系統(tǒng)輸入命令判別控制系統(tǒng)特定階段的運行方式，有等待模式，起動開環(huán)控制模式，雙閉環(huán)控制模式和停止減速模式；控制算法起始于等待模式，不斷等待輸入命令（Motor_on）起動電機，一旦接收到起動命令，系統(tǒng)進入起動開環(huán)控制，給電機一恒定的加速度起動。通過正交編碼得到電機一個確定的位置信號時，系統(tǒng)進入雙閉環(huán)控制模式實現(xiàn)輸入跟隨給定。當接收停止電機命令時，電機進入停止減速模式直到轉速為零，最后返回到等待模式[3]。

圖1 PMSM電機控制開發(fā)平臺構圖Fig.1 Structureofdevelopmentplatform forPMSMmotorcontrolsystem

圖2 PMSM電機控制仿真模型主界面Fig.2 Themian interface of simulationmodel

電機磁場定向控制器模塊采用最簡單的id=0轉子磁場定向控制方式，逆變器的驅動控制采用空間電壓矢量控制方式（SVPWM）.其各功能模塊框圖，如圖4所示。基于此功能框圖搭建Matlab電機控制模塊，電機運行時檢測到三相定子電流，通過坐標變換分解出定子旋轉磁場中與轉子磁場對齊的分量（直軸電流id）和產(chǎn)生轉矩的分量（交軸電流iq）；通過正交編碼實時檢測轉子位置，計算得到轉速與給定轉速進行比較，通過轉速PI控制器輸出電流環(huán)給定iq*，與上述得到的交軸電流iq比較，再經(jīng)PI控制得到Uq；設定另一個電流環(huán)給定值id=0，實現(xiàn)磁場定向控制。Uq，Ud通過坐標反變換輸入Ua和Uβ，經(jīng)過SVPWM發(fā)生模塊生成控制三相逆變器的脈寬調制信號，最終得到所需三相電流控制電機旋轉[4]。

圖3 控制模式調度系統(tǒng)Fig.3 System of contralmode schedule

圖4 SVPWM控制框圖Fig.4 Structure diagram of SVPWM control

3 上位機GUI人機接口

上節(jié)已建立了完整的PMSM電機控制系統(tǒng)模型，但在算法驗證和測試過程中需不斷改變系統(tǒng)給定值，電機參數(shù)以及系統(tǒng)控制參數(shù)，并查看相應仿真結果。為了完善整個虛擬開發(fā)平臺，方便測試人員調試和驗證，基于Matlba/GUI建立了圖形用戶界面。

3.1 GUI的制作及程序的設計

MATLAB設計圖形用戶界面有兩種方法：1）使用程序（M文件）編寫的方式建立GUI；2）利用GUIDE設計圖形用戶界面。第一種方法在調整圖形組件位置時需要花費較長的時間，文中采用第二種方法。

3.2 PMSM電機控制系統(tǒng)GUI界面設計

文中中，MATLAB界面設計主要是解決GUI界面控制Simulink仿真及仿真結果的動態(tài)顯示。

3.2.1 GUI控制Simulink仿真

GUI界面控制simulink仿真實現(xiàn)的功能是改變系統(tǒng)的給定輸入，如電機轉速，電機負載轉矩；還可調整電機本體的參數(shù)，如定子相電阻Rs，極對數(shù)等等.界面亦可以調整系統(tǒng)控制器的參數(shù)，如速度環(huán)K（P），電流環(huán)K（P）等等。其功能主要實現(xiàn)步驟如下[5]。

1）通過“打開模型”按鈕打開模型文件：

調用 open_system（‘sys’）函數(shù)，‘sys’是 Matlab 路徑上的模型名稱。

2）通過編輯框或是滑動條設置用戶給定值以及模型中各模塊的參數(shù)：

首先調用get（）函數(shù)得到所需修改參數(shù)值，如value1=get（handles.edit1， ‘string’）； 接 著 通 過 set_param （‘obj’，‘parameter1’，value1）。 其 中 ， ‘obj’ 模 塊 的 路 徑 名 ，‘parameter1’，value1為要設置的參數(shù)及數(shù)值。

3）通過“執(zhí)行”按鈕啟動仿真過程：

調用 sim （model，timespan） 函數(shù)；model為模型名稱，timespan為仿真的開始時間和結束時間。

3.2.2 GUI動態(tài)顯示Simulink仿真結果及數(shù)據(jù)保存

1）顯示電機轉速，直軸電流，交軸電流，電磁轉矩波形[6]

通過判斷l(xiāng)istbox的value值，采用Switch語句實現(xiàn)不同波形的顯示功能。將simulink波形輸出信號經(jīng)過“to Workspace”模塊，保存數(shù)據(jù)至Matlab的基本工作空間，通過evalin函數(shù)將數(shù)據(jù)傳遞到回調函數(shù)中，接著采用背景擦除的方法，動態(tài)的劃線，采用for循環(huán)或者定時器來動態(tài)改變坐標系 XData，YData 值 ， 即 set （p，'XData'，t1（1，:），'YData'，m1（1，：））。

2）保存仿真數(shù)據(jù)至Excle

可通過“保存數(shù)據(jù)”按鈕可將Simulink仿真數(shù)據(jù)儲存在Excle中，方便開發(fā)人員進行數(shù)據(jù)分析和處理。“保存數(shù)據(jù)”按鈕的回調函數(shù)主要功能程序如下：

[FileName， PathName]=uiputfile （{'*.xls'}，'Save as'）；%打開文件保存對話框

xlswrite（str1，r1（1:50000，1:3），'Rotor Velocities （RPM）'）；%將數(shù)據(jù)存至Excle中

4 虛擬開發(fā)平臺運行測試驗證

PMSM電機控制虛擬開發(fā)平臺GUI主界面如圖5所示。

圖5 虛擬開發(fā)平臺GUI主界面Fig.5 Themian interface of GUI

通過GUI界面設定電機轉速為1000RPM，負載轉矩為0.2 oz-in，設置好電機參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)，如圖6。打開模型按下“執(zhí)行”按鈕，仿真系統(tǒng)開始運行，表盤不斷顯示電機轉速和電流。按下“停止”按鈕，系統(tǒng)停止運行?？赏ㄟ^列表框查看仿真過程中各性能參數(shù)波形，并能保存參數(shù)數(shù)據(jù)和波形。

圖6 系統(tǒng)參數(shù)設置界面Fig.6 Interface of setting parameter

轉速波形圖如圖7所示，系統(tǒng)響應速度快，沒有出現(xiàn)超調，調節(jié)時間ts為 0.115 s；

圖7 轉速波形界面Fig.7 Interface of rotation rate scope

直軸電流Id波形如圖8所示，Id值基本圍繞Id=0波動，符合PMSM轉子磁場定向控制方式要求，驗證了PMSM電機控制系統(tǒng)模型的正確性。

圖8 直軸電流Id界面Fig.8 Interface of Id scope

5 結 論

文中基于Matlab搭建了PMSM電機控制系統(tǒng)虛擬開發(fā)平臺，文中詳述了PMSM電機控制系統(tǒng)模型的建立及人機接口的設計，并通過實驗操作驗證了電機控制系統(tǒng)模型的正確性，及人機接口各個控件的功能?？蓪崿F(xiàn)PMSM電機控制開發(fā)設計算法的早期驗證和性能測試，方便系統(tǒng)性能和參數(shù)改進以及后期擴展。

[1]李永東.交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2]劉杰，翁公羽，周宇博.基于模型的設計-MCU篇[M].北京：北京航天航空大學出版社，2011.

[3]JeffC.Jensen.Elemets of Model-Bsed Design.Department of Electrical Engineering & ComputerScience of Berkeley Journal，2010，2（15）:2-3.

[4]李軍政，呂敬高，孫良友.永磁同步電動機磁場定向矢量控制[J].船電技術，2005（4）：4-6.LI Jun-zheng，LV Jing-gao，SUN Liang-you.Field-Oriented vector control of permanent magnet synchronous motor[J].Marine Electric&Electronic Engineering，2005（4）：4-6.

[5]羅華飛.Matlab GUI設計學習手記[M].北京：北京航天航空大學出版社，2011.

[6]劉煥進，王輝，李鵬.Matlab N個實用技巧[M].北京：北京航天航空大學出版社，2011.