鄭 彬，王茂森，戴勁松

(南京理工大學(xué)，南京 210094)

基于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的多軸永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研究

鄭 彬，王茂森，戴勁松

(南京理工大學(xué)，南京 210094)

為了更好地滿(mǎn)足各類(lèi)永磁同步電動(dòng)機(jī)在不同工況下對(duì)電機(jī)性能目標(biāo)的多樣化需求,介紹了一種在MATLAB中進(jìn)行多目標(biāo)最優(yōu)控制算法設(shè)計(jì)方法。采用JMAG進(jìn)行實(shí)際PMSM物理模型仿真，得到更為直接真實(shí)的觀測(cè)結(jié)果并依據(jù)結(jié)果分析得出最優(yōu)方案。利用FPGA完成單芯片資源定制式高性能多軸永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其后，本文依據(jù)該高性能永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)能源利用最優(yōu)、轉(zhuǎn)矩特性最好的多目標(biāo)多永磁同步控制典型實(shí)驗(yàn)，證明其效果優(yōu)越。該項(xiàng)研究可為定制化制造及高性能專(zhuān)用電機(jī)控制提供一定的借鑒意義。

多軸;永磁同步電動(dòng)機(jī)；FPGA；多目標(biāo)最優(yōu)；定制式；MATLAB；JMAG

0 引 言

永磁同步電動(dòng)機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、控制性能高等優(yōu)勢(shì)[1]，近幾年在工業(yè)生產(chǎn)、電動(dòng)汽車(chē)、機(jī)器人等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。但由于其在工作過(guò)程中具有多場(chǎng)強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，理論分析上具有很高的難度，這成為高性能永磁同步電動(dòng)機(jī)控制策略針對(duì)性設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[3]。為此，本文利用JMAG進(jìn)行更為真實(shí)的PMSM運(yùn)行仿真。

現(xiàn)今市面上許多MCU或DSP控制板具有通用的控制電路及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊[4]，但是，這些控制板的高速存儲(chǔ)空間有限，模擬信號(hào)采集范圍較窄、PWM通道數(shù)量有限，無(wú)法滿(mǎn)足高性能多軸永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的需求。下一代驅(qū)動(dòng)器將會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)性能提出更高的需求，如效率、穩(wěn)定性、壽命、實(shí)時(shí)性、多軸并行控制等，而采用FPGA作為驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)上述多項(xiàng)功能，因此FPGA可以成為下一代主流驅(qū)動(dòng)器。

目前，基于FPGA的多永磁同步控制器設(shè)計(jì)研究的學(xué)者主要集中在高校和研究所[5]。從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)上可以看到，進(jìn)行此類(lèi)研究并取得一定成果的還不多，而針對(duì)PMSM多目標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究則更加少。隨著我國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略的到來(lái)，基于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的多軸永磁同步電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)，將在節(jié)約能源、提高性能等方面發(fā)揮重要作用。

為了更好地在實(shí)現(xiàn)單電機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化最優(yōu)控制的同時(shí)，進(jìn)行PMSM并行控制，本文在MATLAB中建立針對(duì)多目標(biāo)的控制方法設(shè)計(jì)，使用JMAG進(jìn)行PMSM運(yùn)行仿真，并將MATLAB設(shè)計(jì)的電機(jī)控制方法與其對(duì)接。通過(guò)對(duì)指定控制方法下電機(jī)的熱場(chǎng)分布、磁滯情況、能量消耗、退磁等進(jìn)行分析，可以得到增強(qiáng)型磁場(chǎng)定向控制(FOC)策略控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)定制式最優(yōu)控制方法的設(shè)計(jì)。并將MATLAB控制方法模型轉(zhuǎn)入Quartus II中，建立各PMSM目標(biāo)針對(duì)性的片內(nèi)檢測(cè)與控制電路。通過(guò)參數(shù)及模塊的調(diào)整、組合，實(shí)現(xiàn)單芯片多目標(biāo)定制式多電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的PMSM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

在工業(yè)能耗領(lǐng)域中，來(lái)自工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的能源消耗量占了總能耗的2/3以上[6]。因此，為了更好地降低工廠生產(chǎn)費(fèi)用，提高生產(chǎn)質(zhì)量，高效的電氣控制性能成為了核心要素[7]。

1) 在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備電機(jī)控制設(shè)計(jì)中，企業(yè)在使用電機(jī)的時(shí)候通常會(huì)以電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制特性、速度控制特性、電機(jī)振動(dòng)情況、電機(jī)溫度控制、電機(jī)壽命提出不同的目標(biāo)需求[8]。

2) 往往在同一個(gè)設(shè)備的不同部位，電機(jī)的控制性能需求可能完全不同。如在機(jī)床中，控制主軸和風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)器有不同的要求和反饋機(jī)制。

3) 由于不同廠商生產(chǎn)的同一類(lèi)型電機(jī)在結(jié)構(gòu)和材料上也都存在一定的差異。為了更好地利用電機(jī)的性能，節(jié)約成本，設(shè)計(jì)針對(duì)所使用電機(jī)的專(zhuān)用針對(duì)性控制策略，以進(jìn)一步提高電機(jī)的控制性能。

采用本文介紹的基于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的多軸永磁同步電動(dòng)機(jī)控制方法，具有設(shè)計(jì)周期短、綜合性能提高顯著、設(shè)計(jì)成本低、面積小、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1.1 JMAG仿真設(shè)計(jì)

為解決電機(jī)多場(chǎng)強(qiáng)耦合(如圖1所示)、非線(xiàn)性時(shí)變系統(tǒng)理論分析的瓶頸和在實(shí)際環(huán)境下部分特性無(wú)法測(cè)量的困難，更好地了解電機(jī)內(nèi)部工作情況。使用JMAG進(jìn)行電機(jī)參數(shù)化快速建模，并通過(guò)仿真了解電機(jī)各場(chǎng)情況及工作性能特性曲線(xiàn)，如：熱場(chǎng)分析、鐵損分析、轉(zhuǎn)矩分析、退磁分析等。

圖1 雙向耦合系統(tǒng)框圖

1.2 MATLAB控制算法設(shè)計(jì)及仿真

為提高電機(jī)控制性能的魯棒性及各項(xiàng)控制性能，針對(duì)應(yīng)用模型建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)JMAG-RT將電機(jī)模型導(dǎo)入Simulink當(dāng)中，形成控制單元。由于多電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制在數(shù)控機(jī)床及機(jī)器人領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，本文在MATLAB中建立如圖2機(jī)械手臂增強(qiáng)型FOC控制策略控制系統(tǒng)模型。采用數(shù)學(xué)模型與反饋機(jī)制并行控制的方式，通過(guò)基于模型的重力距及關(guān)節(jié)間力矩的評(píng)估(Ta，Td)，減少控制的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。采用物理場(chǎng)與控制模型雙向?qū)拥姆绞?，可以?shí)時(shí)地了解各場(chǎng)及控制特性情況，從而尋找定制目標(biāo)最優(yōu)控制參數(shù)解。

圖2 機(jī)械手臂增強(qiáng)型FOC控制方法

通過(guò)MATLAB/Simulink求得最優(yōu)仿真控制策略模型，后將其控制策略模型利用DSP Builder導(dǎo)入FPGA當(dāng)中形成專(zhuān)用IP核。

在增強(qiáng)型FOC控制策略中的關(guān)節(jié)間力矩估計(jì)中，我們將機(jī)器關(guān)節(jié)看作剛體結(jié)構(gòu)。其電動(dòng)機(jī)-齒輪-負(fù)載聯(lián)合裝置傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)器關(guān)節(jié)傳動(dòng)示意圖

圖3中，Ja為驅(qū)動(dòng)電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jm為傳動(dòng)側(cè)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jl為連接桿側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Bm為傳動(dòng)側(cè)阻尼系數(shù)；Bl為負(fù)載側(cè)阻尼系數(shù)；θm為傳動(dòng)側(cè)角位移；θs為負(fù)載側(cè)角位移；η=rm/rs=Nm/Ns為減速齒輪的傳動(dòng)比。

令F為從電動(dòng)機(jī)傳至負(fù)載的作用在齒輪嚙合點(diǎn)上的力，則

Tl′=Frm

(1)

Tl′為電動(dòng)機(jī)軸側(cè)的等效負(fù)載力矩，而且

Tl=Frs

(2)

又因?yàn)棣萴=2π/Nm,θs=2π/Ns,所以

θs=θmNm/Ns=ηθm

(3)

傳動(dòng)側(cè)、負(fù)載側(cè)角速度和角加速度關(guān)系如下：

(4)

(5)

或?qū)憺椋?/p>

(6)

在傳動(dòng)軸一側(cè)，同理可得：

(7)

得到下式：

(8)

整合得到關(guān)節(jié)間力矩：

(9)

在增強(qiáng)型FOC控制策略矢量控制中，采用三相靜止的ABC坐標(biāo)系、兩相靜止的α-β坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系。通過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，對(duì)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解耦。

根據(jù)以上理論，可以推導(dǎo)出ABC靜止坐標(biāo)系到α-β靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，又稱(chēng)為Clarke變換矩陣：

(10)

從α-β兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為ABC三相靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換稱(chēng)為Clarke逆變換。其變換矩陣：

(11)

從兩相靜止的α-β坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系的坐標(biāo)系變換被稱(chēng)為Park變換。其變換矩陣：

(12)

從d-q兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為α-β兩相靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換為Park逆變換。其變換矩陣為：

(13)

其電壓方程：

(14)

其磁鏈方程：

(15)

其電磁轉(zhuǎn)矩方程：

(16)

1.3 FPGA控制算法實(shí)現(xiàn)

為更好地降低多PMSM控制器的開(kāi)發(fā)成本，提高多PMSM控制器的控制性能，該驅(qū)動(dòng)器充分利用FPGA柔性化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，通過(guò)使用FPGA片內(nèi)處理器及靈活的DSP資源，實(shí)現(xiàn)精度可調(diào)的浮點(diǎn)型磁場(chǎng)定向控制或直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)及其他需要大量數(shù)學(xué)計(jì)算的算法。保證了在順序操作下系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性需求。這些基于DSP的復(fù)雜控制功能、協(xié)同控制、通信、標(biāo)準(zhǔn)接口的大量應(yīng)用使得FPGA控制構(gòu)架成為了工業(yè)多電機(jī)高性能驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的理想平臺(tái)。另外，該系統(tǒng)采用Internet接口與互聯(lián)網(wǎng)對(duì)接，滿(mǎn)足未來(lái)伺服系統(tǒng)分布式、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向。采用NIOS II或ARM進(jìn)行多電機(jī)任務(wù)協(xié)同。

為了更好地滿(mǎn)足電機(jī)的定制式高性能控制，本文采用基于DSP技術(shù)的控制策略實(shí)現(xiàn)基于物理模型和控制環(huán)算法的矢量控制。該項(xiàng)改進(jìn)能大大縮小電機(jī)體積，降低成本和功耗。FOC控制算法通過(guò)準(zhǔn)確地檢測(cè)各相電流及電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以良好地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)在變載荷環(huán)境下也能保持恒轉(zhuǎn)矩輸出。圖2所示的增強(qiáng)型FOC控制策略，數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，在電機(jī)高速工作時(shí)需要很強(qiáng)的運(yùn)算能力。而基于圖4的電機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)性的復(fù)雜算法運(yùn)作，并將頂層控制系統(tǒng)集成在單一芯片內(nèi)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多樣化需求。

圖4 FPGA多電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.4 多目標(biāo)規(guī)劃策略選擇

為解決電機(jī)在實(shí)際工況下的多目標(biāo)工作需求，分析如圖5控制策略與目標(biāo)關(guān)系，對(duì)控制模型及工作特性進(jìn)行觀測(cè)，尋找各目標(biāo)隨控制參數(shù)的關(guān)系函數(shù)，分配目標(biāo)權(quán)重，建立多目標(biāo)最優(yōu)模型。

圖5 控制策略與目標(biāo)關(guān)系圖

minJ=WTeKTe+WopKop+WenKen+WliKli+WevKev

(17)

式中：WTe，Wop，Wen，Wli，Wev分別為最優(yōu)電磁轉(zhuǎn)矩性能、最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)、最優(yōu)能源利用、最優(yōu)壽命、最優(yōu)環(huán)境影響加權(quán)系數(shù)。KTe，Kop，Ken，Kli，Kev分別為電磁轉(zhuǎn)矩、運(yùn)行狀態(tài)、能源利用、壽命、環(huán)境影響情況。

2 定制式雙目標(biāo)最優(yōu)控制算法仿真分析

為了更好地詮釋該多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的多軸永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的可行性，本文建立了以能源效率最高和轉(zhuǎn)矩特性最好為目標(biāo)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例。

2.1 JMAG仿真模型搭建

本研究建立以能源效率最高和轉(zhuǎn)矩特性最好為目標(biāo)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)選擇電阻值0.89 Ω、電感0.62 mH、工作電壓DC 24 V、功率62 W、額定電流4 A、額定轉(zhuǎn)矩0.2 N·m的永磁同步電動(dòng)機(jī)做為實(shí)驗(yàn)電機(jī)。

首先在JMAG中依據(jù)電機(jī)參數(shù)，建立幾何模型，如圖6所示。

圖6 JMAG模型及物理場(chǎng)分布云圖

將JMAG中模型通過(guò)JMAG-RT導(dǎo)入MATLAB當(dāng)中。建立增強(qiáng)型FOC控制策略模型(如圖2所示)。

其次，在MATLAB/Simulink中建立增強(qiáng)型FOC控制策略模型，采用S-function設(shè)計(jì)控制單元，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)的方式快速建模，并以便捷的模塊化組合實(shí)現(xiàn)控制，為JMAG-MATLAB-Quartus II聯(lián)合仿真及應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2 雙目標(biāo)控制仿真數(shù)據(jù)分析及參數(shù)確定

首先，進(jìn)行能源利用率最優(yōu)參數(shù)解分析：

1) 對(duì)電機(jī)能源利用率分析。由于電機(jī)無(wú)用功損耗主要為鐵損，電機(jī)鐵損主要受電機(jī)渦流損耗影響。通過(guò)JMAG采集數(shù)據(jù)分析，電機(jī)渦流損耗主要受到電壓相位角θ的影響。

2)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們將MATLAB中建立在2 000～6 000 r/min速度條件下的增強(qiáng)型FOC控制模型導(dǎo)入到JAMG中，經(jīng)過(guò)電機(jī)渦流損耗及總能耗的計(jì)算，得到電壓相位角在90°～180°范圍內(nèi)的電機(jī)的功率因數(shù)隨電壓相位變化曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 功率因數(shù)隨電壓相位變化曲線(xiàn)

經(jīng)過(guò)對(duì)圖7功率因數(shù)曲線(xiàn)進(jìn)行分析，可以得到：

1) 在不同速度環(huán)境下，電機(jī)都有各自對(duì)應(yīng)的最高功率因數(shù)相位點(diǎn)。

2) 電機(jī)最高功率因數(shù)速度點(diǎn)隨速度增加由相位角180°不斷的向140°移動(dòng)。

3) 在各相關(guān)控制參數(shù)相同情況下，電機(jī)功率因數(shù)隨速度的提升不斷增加。

為了實(shí)現(xiàn)更高的能源利用率，不僅需要尋找各速度點(diǎn)上的最優(yōu)相位角，而且還應(yīng)該在控制上保證更高的轉(zhuǎn)矩，使其盡快地進(jìn)入到高轉(zhuǎn)速目標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)。

本臺(tái)電機(jī)的最終目標(biāo)轉(zhuǎn)速范圍在1 000～2 000 r/min之間，我們將實(shí)驗(yàn)電機(jī)控制目標(biāo)定為1 500 r/min。在該環(huán)境下，得到電機(jī)控制的最佳參數(shù)為KR=0.63，K2=0.88，Kp1=3.2，Ki1=1.3，Kd1=0.2，Kp2=1.6，Ki2=1.4，Kd2=0.3，Kp3=1.6，Ki3=0.8，Kd3=0.1，電壓相位角θ=130°，電流相位角α=95°。當(dāng)速度在1 500 r/min時(shí)，能源利用率可達(dá)97.3%。

其次，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩特性最優(yōu)參數(shù)解分析。

1) 利用增強(qiáng)型FOC控制模型，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)矩角α特性進(jìn)行分析。如圖8所示，曲線(xiàn)1為永磁轉(zhuǎn)矩，顯然其最大值出現(xiàn)在90°。曲線(xiàn)2為磁阻轉(zhuǎn)矩。由于PMSM中的Ld90°時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩才出現(xiàn)正值。曲線(xiàn)3給出了總轉(zhuǎn)矩，其特性點(diǎn)是α=118°時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的最大值。為了得到較大的轉(zhuǎn)矩并運(yùn)行在較高的速度下，PMSM的轉(zhuǎn)矩角一般控制在α>90°的范圍內(nèi)。

圖8 轉(zhuǎn)矩角特性曲線(xiàn)圖

2) 由于電機(jī)在工作過(guò)程轉(zhuǎn)矩需求的不同，在不同轉(zhuǎn)矩下最佳電流相位角有所差異。如圖9所示，一方面，電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨電流的增加而不斷增加；另一方面，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩負(fù)載角隨電流的增加，發(fā)生微弱的變化。產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩，存在著不同的電流幅值和負(fù)載角。該實(shí)驗(yàn)電機(jī)設(shè)定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.14 N·m,其對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩負(fù)載角則對(duì)應(yīng)為115°。

圖9 不同電流下的轉(zhuǎn)矩角特性曲線(xiàn)圖

3) 以id,iq為變量，針對(duì)前述電機(jī)參數(shù)，采用MATLAB中增強(qiáng)式FOC控制模型，通過(guò)JMAG模型仿真計(jì)算出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩后，繪圖得出圖10。圖10中，每一條恒轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)中都存在某一電流與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，還在圖中畫(huà)出了4條同心圓曲線(xiàn)?？梢园l(fā)現(xiàn)：在轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，最小電流的工作點(diǎn)靠近q軸，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，id分量有明顯增大以充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，此時(shí)最小電流工作點(diǎn)逐漸偏離q軸。

圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)矩與id,iq關(guān)系曲線(xiàn)

通過(guò)圖6我們還可以發(fā)現(xiàn)，在第一象限內(nèi)也可以產(chǎn)生期望的電磁轉(zhuǎn)矩。但是很多顯然，一方面電機(jī)電流很大，另一方面由于正值id起到加強(qiáng)磁場(chǎng)的作用，所以對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)定制電壓會(huì)更大，因此基本不會(huì)考慮第一象限內(nèi)的工作點(diǎn)。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)，可以在FPGA中通過(guò)ROM建立轉(zhuǎn)矩和最小電流關(guān)系參數(shù)表。而在FPGA中，采用由外界仿真實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，通過(guò)ROM存儲(chǔ)在某目標(biāo)條件下最優(yōu)參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可以極大程度地降低芯片計(jì)算的工作壓力。當(dāng)采用復(fù)雜計(jì)算、尤其是sin,cos三角函數(shù)計(jì)算時(shí)，芯片的資源時(shí)常超過(guò)90%，而使用查找表則可將芯片的資源的使用率降低到30%以下。留下足夠的資源為多電機(jī)高性能驅(qū)動(dòng)提供設(shè)計(jì)空間。

經(jīng)過(guò)對(duì)增強(qiáng)型FOC控制策略參數(shù)變化對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的分析，我們可以通過(guò)上述聯(lián)合仿真各圖中找到，電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能與交直軸電流及電流相位角參數(shù)之間的關(guān)系。而電機(jī)其他控制參數(shù)，如KR，K2等對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能影響較小，主要作用體現(xiàn)在電機(jī)穩(wěn)態(tài)性能改進(jìn)上。通過(guò)使用參數(shù)KR=0.69，K2=0.73，Kp1=2.8，Ki1=1.1，Kd1=0.4，Kp1=2.7，Ki1=1.5，Kd1=1.3，Kp1=1.9，Ki1=0.5，Kd1=0.1,電流相位角α=115°，可以實(shí)現(xiàn)快速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速并較快的進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

采用多目標(biāo)最優(yōu)模型(式(17))，在本臺(tái)電機(jī)中，我們以能源利用及轉(zhuǎn)矩特性為最優(yōu)為模型最優(yōu)目標(biāo)。設(shè)置權(quán)重分別為0.7和0.3。以上基于模型的數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果，通過(guò)MATLAB擬合函數(shù)，建立能源利用率、轉(zhuǎn)矩性能與各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)系函數(shù)。得到在目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min下，穩(wěn)態(tài)最優(yōu)參數(shù)解為KR=0.65，K2=0.82，Kp1=3.1，Ki1=1.2，Kd1=0.3，Kp1=2.3，Ki1=1.4，Kd1=0.6，Kp1=1.7，Ki1=0.7，Kd1=0.1，電流相位角α=103°。

最后，根據(jù)MATLAB模型仿真得到最優(yōu)模型控制參數(shù)，通過(guò)DSP-Builder轉(zhuǎn)入Quartus II中，建立各標(biāo)準(zhǔn)接口及處理控制模型。最終實(shí)現(xiàn)高性能多電機(jī)FPGA控制器。

由于FPGA是基于電路的硬件描述設(shè)計(jì)，其各模塊間相互獨(dú)立，并行工作，互不影響。電機(jī)數(shù)量對(duì)電機(jī)性能不產(chǎn)生任何影響?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況，參考本文電機(jī)控制器目標(biāo)最優(yōu)設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的多軸永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。

該套設(shè)計(jì)流程完整地對(duì)能源效率最高和轉(zhuǎn)矩特性最優(yōu)的雙目標(biāo)永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹。多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的多軸永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中其他PMSM則根據(jù)實(shí)際目標(biāo)需求，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)

根據(jù)前述理論，設(shè)計(jì)相關(guān)軟硬件系統(tǒng)。采用AD7278作為各電機(jī)電流檢測(cè)AD，其工作頻率高達(dá)48 MHz，可以充分滿(mǎn)足高精度采集系統(tǒng)的要求。使用三菱公司生產(chǎn)的PS21767作為IPM驅(qū)動(dòng)器，其PWM開(kāi)關(guān)頻率最高可達(dá)20 kHz，具有電流、電壓、過(guò)熱保護(hù)功能，其最高工作電壓可達(dá)400 V。使用cyclone IV EP4CE15F17C8 作為FPGA控制芯片，其核心DSP工作頻率達(dá)到200 MHz，核心計(jì)算模塊計(jì)算延時(shí)控制在10 μs內(nèi)?？梢詽M(mǎn)足多電機(jī)10 000 r/min以上、多級(jí)數(shù)高精度的控制需求。采用Candence進(jìn)行高速信號(hào)完整性分析，保證各路信號(hào)的時(shí)序約束及抗干擾性能。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖12所示。

圖12 電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)物圖

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將轉(zhuǎn)速目標(biāo)為1 500 r/min。圖13為電機(jī)起動(dòng)后的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)情況。電機(jī)具有較好的啟動(dòng)性能，后期波動(dòng)較小，在轉(zhuǎn)矩控制上有較好的效果。根據(jù)仿真結(jié)果，其電機(jī)能源利用率(即當(dāng)前控制策略工作環(huán)境下電機(jī)的運(yùn)行效率)達(dá)到96.7%。

圖13 實(shí)際編碼器測(cè)速數(shù)據(jù)圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹的基于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的多軸永磁同步電動(dòng)機(jī)控制方法，能較準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出多目標(biāo)條件下各電機(jī)最佳的控制方法。采用FPGA作為多PMSM的控制器，極大降低控制器的設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)靈活度，降低成本，提高穩(wěn)定性及計(jì)算精度等，滿(mǎn)足多樣化的應(yīng)用需求。為了更好地展示該目標(biāo)優(yōu)化后的控制方法的可行性，本文通過(guò)理論仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其多PMSM控制的實(shí)用性和有效性，并取得良好的控制效果，具有較高的使用價(jià)值，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等各個(gè)定制化需求領(lǐng)域都具有一定借鑒意義。

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Study on PMSM Control System Based on Multi-Objective Optimization

ZHENGBin，WANGMao-sen，DAIJin-song

(Nanjing University of Science & Technology,Nanjing 210094，China)

This paper aims to meet the needs of various types of permanent magnet synchronous motor under different conditions for the diverse needs of the motor performance objectives, and a multi-objective optimal control algorithm design in MATLAB is introduced. By adopting JMAG to realize actual PMSM physical model simulation, a more direct real observations is revealed and the optimal solution is found. Based on the single-chip resource customized FPGA, this paper fulfills the design of high performance multi-axis permanent magnet synchronous motor control system. Thus, in the light of the typical permanent magnet synchronous control experiments of optimal energy efficiency and torque characteristics, the high-performance permanent magnet synchronous motor control system design method proves its superior effect. The research can provide reference for the customized manufacture and high-performance motor control.

multi-axis; PMSM; FPGA; multi-objective optimal; customized; MATLAB; JMAG

2016-05-12

TM341;TM351

A

1004-7018(2016)12-0063-05