朱鵬程，邱華靜，馬海濤，李鴻彪

（上海科梁信息工程股份有限公司，上海 200233）

基于PXI和RT－LAB的永磁同步電機(jī)快速控制原型設(shè)計(jì)

朱鵬程，邱華靜，馬海濤，李鴻彪

（上海科梁信息工程股份有限公司，上海 200233）

針對(duì)永磁同步電機(jī)控制器存在算法復(fù)雜、代碼量大、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)一種基于虛擬儀器的永磁同步電機(jī)快速控制原型系統(tǒng)；設(shè)計(jì)快速控制原型硬件平臺(tái)，并對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行選型，包括PXI虛擬儀器、功率驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)對(duì)拖臺(tái)架等；研究永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制原理基礎(chǔ)上，以一臺(tái)3.1 k W被測(cè)電機(jī)為被控對(duì)象，在RT－LAB實(shí)時(shí)仿真軟件環(huán)境下，搭建永磁同步電機(jī)控制算法模型；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)轉(zhuǎn)速與定子電流均可無(wú)偏差跟蹤參考給定值，系統(tǒng)控制性能良好，且該系統(tǒng)使電機(jī)控制器開(kāi)發(fā)周期縮短、成本降低。

快速控制原型；虛擬儀器；永磁同步電機(jī)

0 引言

永磁同步電機(jī)作為電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件之一，與感應(yīng)電機(jī)相比具有體積小、重量輕、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)［1］。但是由于電動(dòng)汽車(chē)工作環(huán)境惡劣、系統(tǒng)干擾強(qiáng)等不確定因素，永磁同步電機(jī)高性能控制往往不易實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，半實(shí)物仿真技術(shù)得到快速發(fā)展，RCP技術(shù)更是在實(shí)際工程開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用［2］。將快速控制原型系統(tǒng)用于車(chē)輛電機(jī)控制器開(kāi)發(fā)可快速驗(yàn)證控制算法的有效性，具有研發(fā)成本低、開(kāi)發(fā)周期短、可進(jìn)行極端測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)。

文獻(xiàn)［3］采用dSPACE軟硬件環(huán)境設(shè)計(jì)了一套用于大功率電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試、教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制實(shí)時(shí)仿真。文獻(xiàn)［4］為實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器的性能設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，提出了基于RT－LAB和JMAG的永磁同步電機(jī)硬件在環(huán)（HIL）實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái)。文獻(xiàn)［5］基于矢量控制方法，以DSP為核心，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電流、速度的檢測(cè)及控制算法。但dSPACE通常價(jià)格昂貴、擴(kuò)展性能較差，HIL系統(tǒng)將真實(shí)功率模塊及電機(jī)用虛擬對(duì)象取代，DSP開(kāi)發(fā)則需要耗費(fèi)大量精力用于硬件設(shè)計(jì)與代碼編寫(xiě)。

本文基于上述背景，提出一種基于虛擬儀器的永磁同步電機(jī)快速控制原型系統(tǒng)。首先設(shè)計(jì)快速控制原型硬件平臺(tái)，并對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行選型，包括PXI虛擬儀器、功率驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)對(duì)拖臺(tái)架等；其次在研究永磁同步電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)上，以一臺(tái)3.1 KW被測(cè)電機(jī)為被控對(duì)象，在RT－LAB實(shí)時(shí)仿真軟件環(huán)境下，搭建永磁同步電機(jī)控制算法模型。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)轉(zhuǎn)速與定子電流均可無(wú)偏差跟蹤參考給定值，系統(tǒng)控制性能良好，且該系統(tǒng)使電機(jī)控制器開(kāi)發(fā)周期縮短、成本降低。

1 快速控制原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

快速控制原型是在控制器研發(fā)初始階段，快速地建立被控對(duì)象及控制器模型，并對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行多次在線(xiàn)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證控制系統(tǒng)軟、硬件方案的可行性，這個(gè)過(guò)程便是快速控制原型。通過(guò)快速控制原型實(shí)時(shí)測(cè)試，在設(shè)計(jì)初期即可發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，從而通過(guò)修改模型或參數(shù)，再進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，最終產(chǎn)生一個(gè)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求的控制原型。

基于RT－LAB的快速控制原型仿真系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主機(jī)和PXI實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)的模式，將上位機(jī)用圖形化工具建立好的模型拆分、編譯并下載到目標(biāo)機(jī)平臺(tái)上實(shí)時(shí)化運(yùn)行，并通過(guò)上位機(jī)窗口對(duì)目標(biāo)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。整個(gè)過(guò)程省去了大量代碼編程和系統(tǒng)配置工作，同時(shí)也充分利用了PXI目標(biāo)機(jī)的實(shí)時(shí)特性，生成緊湊而有效的實(shí)時(shí)代碼。系統(tǒng)硬件采用NI公司的PXI代替?zhèn)鹘y(tǒng)的OP5600作為系統(tǒng)下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)快速控制原型開(kāi)發(fā)，同時(shí)降低系統(tǒng)的硬件成本。

圖1是基于PXI和RT－LAB的快速控制原型系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主機(jī)運(yùn)行在Windows系統(tǒng)，安裝RT－LAB和MATLAB軟件，完成電機(jī)控制器建模、狀態(tài)顯示、在線(xiàn)調(diào)參等工作。實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)選用PXI虛擬儀器，運(yùn)行Red Hat實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，進(jìn)行控制器模型實(shí)時(shí)計(jì)算。選用NI的PXI數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器與實(shí)物被控對(duì)象之間的數(shù)據(jù)交換。

圖1 快速控制原型基本原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于PXI和RT－LAB的永磁同步電機(jī)快速控制原型系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，硬件模塊包括PXI車(chē)載控制器、功率驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)對(duì)拖臺(tái)架。

圖2 快速控制原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 PXI車(chē)載控制器

PXI車(chē)載控制器采用美國(guó)NI公司的虛擬儀器設(shè)備［6］。其中，機(jī)箱選用PXIe－1082DC，具有4個(gè)混合插槽，3個(gè)PXI Express插槽，1個(gè)PXI Express系統(tǒng)定時(shí)插槽，可接受11 VDC至32 VDC的電源，方便試驗(yàn)人員上車(chē)測(cè)試。CPU采用Intel雙核2.53 GHz的PXIe－8108。為實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)速度閉環(huán)矢量控制，系統(tǒng)選用FPGA板卡PXI－7854R和數(shù)據(jù)采集板卡、PXI－6289、PXI－6602。

FPGA板卡PXI－7854R用于產(chǎn)生旋變勵(lì)磁信號(hào)及接受旋變反饋信號(hào)sin＋、sin－、cos＋、cos－，通過(guò)FPGA軟件解算電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置與速度，PXI－7854R旋變解算如圖3所示；數(shù)據(jù)采集板卡PXI－6289可實(shí)現(xiàn)電機(jī)直流母線(xiàn)電壓、兩相電流的反饋采集，同時(shí)通過(guò)內(nèi)部總線(xiàn)傳輸方式，接受PXI－7854R解旋變結(jié)果；PXI－6602專(zhuān)門(mén)輸出六路PWM波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)智能功率模塊上下橋壁開(kāi)閉。

2.2 功率驅(qū)動(dòng)模塊

系統(tǒng)主電路采用交直交電壓源變頻變壓電路，整流及直流變換部分采用雙向可編程直流電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三相不控整流電路及直流變換電路，省去了電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選定等工作，具有安全、可靠、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。雙向電源可模擬電池的充放電過(guò)程，當(dāng)運(yùn)行在第一象限時(shí)電源給智能功率模塊供電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的電動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)被測(cè)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，母線(xiàn)電能通過(guò)直流電源的四象限運(yùn)行功能，將電能反饋至交流電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量回饋利用。雙向可編程直流電源控制界面如圖4所示，用戶(hù)可以通過(guò)RS－232通訊，在線(xiàn)調(diào)節(jié)電源的輸出電壓，設(shè)置電流限幅及功率限幅值，檢測(cè)電源系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)。

圖3 PXI－7854R解旋變?cè)韴D

圖4 雙向可編程直流電源操作界面圖

逆變器選用富士公司的智能功率模塊（7 MBP50RA120）。該模塊將功率開(kāi)關(guān)IGBT和門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，內(nèi)置有過(guò)流、短路、驅(qū)動(dòng)電源欠壓、過(guò)熱等故障監(jiān)測(cè)保護(hù)電路。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，IPM會(huì)及時(shí)封鎖基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)發(fā)送故障報(bào)警號(hào)至PXI控制器，迅速觸發(fā)軟件保護(hù)，停止PWM波輸出。

2.3 電機(jī)對(duì)拖臺(tái)架

電機(jī)對(duì)拖臺(tái)架包括1臺(tái)3.1 KW被測(cè)電機(jī)和1臺(tái)5 KW加載電機(jī)，中間裝有扭矩轉(zhuǎn)速傳感器（ZH07），通過(guò)RS－232通訊，將轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸至上位機(jī)監(jiān)控界面。被測(cè)電機(jī)由功率驅(qū)動(dòng)模塊供電，位置信號(hào)由旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)獲取。加載電機(jī)采用安川伺服電機(jī)，通過(guò)外部模擬量控制輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)加載電機(jī)可實(shí)現(xiàn)被測(cè)電機(jī)控制算法的突加負(fù)載、過(guò)載、帶載啟動(dòng)等實(shí)驗(yàn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PMSM數(shù)學(xué)模型

針對(duì)面貼式永磁同步電機(jī)有Ld＝Lq，若考慮如下理想情況：

1）忽略電機(jī)鐵心飽和；

2）不計(jì)渦流和磁滯損耗；

3）轉(zhuǎn)子上無(wú)阻尼繞組，永磁體不計(jì)阻尼作用；

4）相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形是正弦波。

PMSM在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d－q系）的模型可以表示為：

1）電壓方程：

其中：usdq、isdq、ψsdq為d－q坐標(biāo)下的定子電壓，電流，磁鏈；ψf為轉(zhuǎn)子永磁鏈；ωr電機(jī)角速度；np磁極對(duì)數(shù)；J機(jī)械慣量；TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

3.2 PMSM矢量控制原理

根據(jù)上述PMSM數(shù)學(xué)模型，本文選用isd＝0的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方法。采用isd＝0控制方式，則上述轉(zhuǎn)速表達(dá)式（3）可表達(dá)為：

isd＝0時(shí)，永磁同步電機(jī)等效為一臺(tái)直流電機(jī)，三相定子電流中只含有轉(zhuǎn)矩電流分量isq部分，且定子磁鏈空間矢量與永磁體磁鏈空間矢量正交。電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩僅與q軸轉(zhuǎn)矩電流相關(guān)，且成正比關(guān)系，即：

采用isd＝0方法構(gòu)成永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。系統(tǒng)由PMSM、電壓型逆變器、電壓傳感器、電流傳感器、速度與位置傳感器、電流環(huán)控制器、速度環(huán)控制器、坐標(biāo)變換等模塊組成［7 8］。

圖5 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖

由圖5可知，PMSM矢量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：給定速度指令值，與速度傳感器檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子速度信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)速度控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到q軸電流控制器的給定信號(hào)。d軸電流控制器的給定信號(hào)is*d為0。經(jīng)過(guò)電流采樣得到定子兩相電流，通過(guò)Clarke變換和Park變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的isd和isq，將它們作為反饋量送到電流環(huán)控制器。經(jīng)過(guò)電流PI控制器得到電壓給定值和，經(jīng)過(guò)Park反變換得到兩相靜止電壓和，最后通過(guò)空間電壓矢量調(diào)制SVPWM模塊得到六路PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)三相逆變器橋?qū)MSM進(jìn)行控制。

isd＝0控制方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流幅值成正比，將永磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)了解耦控制，無(wú)去磁作用，控制簡(jiǎn)單，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

3.3 PMSM控制模型

永磁同步電機(jī)矢量控制算法采用基于模型設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)。首先通過(guò)RT－LAB實(shí)時(shí)仿真軟件以圖形化界面搭建系統(tǒng)模型，然后通過(guò)編譯將模型生成.c文件及.out文件，最后加載至PXI中，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛電機(jī)控制算法快速開(kāi)發(fā)。

3.3.1 控制系統(tǒng)整體模型

采用RT－LAB實(shí)時(shí)軟件搭建的PMSM控制算法模型如圖6所示。模型分成初始化模塊、SC_console模型、SM_ FOC模型。SC_console為控制臺(tái)模塊，用于上位機(jī)與PXI的數(shù)據(jù)交互與監(jiān)控。SM_FOC為主級(jí)子系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)PMSM矢量控制算法、數(shù)據(jù)采集與調(diào)理、故障保護(hù)等。

圖6 控制系統(tǒng)整體模型圖

3.3.2 矢量控制子模型

PMSM矢量控制算法模型如圖7所示。模型輸入為速度給定值、旋變反饋值、電流反饋值、速度控制參數(shù)、電流控制參數(shù)、控制器使能等，通過(guò)PXI－6602數(shù)字輸出板卡的事件管理器，生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)IPM模塊的六路SVPWM波。

圖7 矢量控制子模型圖

圖8 故障保護(hù)子模型圖

電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)及速度反饋值由PXI－7854R解算獲取后直接通過(guò)PXI的內(nèi)部總線(xiàn)傳至PXI－6289中；電機(jī)的U、V兩相電流和直流母線(xiàn)電壓信號(hào)通過(guò)PXI－6289模擬量輸入模塊采集獲取，并對(duì)采集的模擬量信號(hào)進(jìn)行低通濾波及信號(hào)調(diào)理。

3.3.3 故障保護(hù)子模型

故障保護(hù)子模型如圖8所示，該子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、短路、過(guò)熱、軟件overrun等常見(jiàn)故障的監(jiān)測(cè)保護(hù)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

利用設(shè)計(jì)的RCP平臺(tái)，選用一臺(tái)3.1 kW的永磁同步電機(jī)作為被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)基于PXI和RT－LAB的永磁同步電機(jī)快速控制原型試驗(yàn)。其中，雙向可編程直流電源的額定電壓600 V，額定功率正負(fù)20 k W，額定電流正負(fù)40 A；IPM功率模塊額定功率為10 k W。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的不同功率等級(jí)，用戶(hù)可以根據(jù)自身情況選取不同功率等級(jí)的器件。

圖9是PXI－7854R解旋變與 Opal－RT公司的OP5600解旋變實(shí)驗(yàn)對(duì)比波形。可知，PXI－7854R能精確解算出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，且利用PXI總線(xiàn)傳輸位置信號(hào)可使解旋變結(jié)果不受系統(tǒng)高頻信號(hào)的干擾，確保電機(jī)矢量控制時(shí)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向準(zhǔn)確。

圖9 旋變解算結(jié)果圖

系統(tǒng)直流母線(xiàn)電壓為500 V電壓，加載電機(jī)恒定輸出5 N ·m轉(zhuǎn)矩。實(shí)驗(yàn)設(shè)定工況為：電機(jī)初始給定轉(zhuǎn)速200 r／min，在3 s時(shí)通過(guò)斜坡給定轉(zhuǎn)速500 r／min，在15 s時(shí)給定轉(zhuǎn)速－500 r／min，在23 s時(shí)轉(zhuǎn)速給定為－200 r／min。圖10是電機(jī)運(yùn)行在整個(gè)工況下的電流與轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，圖11是電機(jī)在500 r／min穩(wěn)態(tài)下的電流與轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)?？梢钥闯觯姍C(jī)轉(zhuǎn)速與定子電流均可無(wú)偏差地跟蹤參考給定值，系統(tǒng)控制性能良好。

圖10 電機(jī)電流與轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線(xiàn)

實(shí)驗(yàn)表明，該快速控制原型系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)PMSM的矢量控制算法驗(yàn)證與調(diào)試，并且它具有開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)需手動(dòng)編程，能夠?qū)崟r(shí)在線(xiàn)調(diào)試，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)采用PXI虛擬儀器可大大降低系統(tǒng)成本，具有極大的工程應(yīng)用價(jià)值。

圖11 電機(jī)電流與轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)曲線(xiàn)

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于PXI和RT－LAB的永磁同步電機(jī)快速控制原型系統(tǒng)。PXI作為車(chē)輛電機(jī)虛擬控制器，通過(guò)RTLAB實(shí)時(shí)仿真軟件實(shí)現(xiàn)控制算法的模型化設(shè)計(jì)，被控對(duì)象采用真實(shí)的IPM和電機(jī)對(duì)拖臺(tái)架，雙向可編程直流電源為直流母線(xiàn)供電。利用該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)矢量控制算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了RCP系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性，且可縮短開(kāi)發(fā)周期、降低研發(fā)成本，具有一定工程價(jià)值。

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Design of Rapid Control Prototyping of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on PXI and RT－LAB

Zhu Pengcheng，Qiu Huajing，Ma Haitao，Li Hongbiao

（Shanghai Keliang Information Tech.＆Eng.Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China）

To solve the problems of permanent magnet synchronous motor controller such as complex algorithm、large amount of code、long development cycle，this papaer puts forward a permanent magnet synchronous motor rapid control prototype system based on virtual instrument.Design the rapid control prototype hardware platform，and select the hardware device，which are PXI virtual instrument、power drive module、the motor test bench.Research on permanent magnet synchronous motor rotor field oriented control theory，with a 3.1 k W motor to be tested as the controlled object，in RT－LAB real－time simulation software environment，set up permanent magnet synchronous motor control algorithm model.The experimental results show that the rotor speed and stator current can be no deviation to track the reference set value，system control performance is good，and the system makes the motor controller to shorten the development cycle，lower cost.

rapid control prototyping；virtual instrument；permanent magnet synchronous motor；

1671-4598（2016）08-0093-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.025

：TP273

：A

2016-05-23；

：2016-06-21。

朱鵬程（1989-），男，江蘇南通人，碩士，工程師，主要從事電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方向的研究。