基于PXI和RT－LAB的永磁同步電機快速控制原型設計

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的永磁同步電機快速控制原型設計

朱鵬程，邱華靜，馬海濤，李鴻彪

（上?？屏盒畔⒐こ坦煞萦邢薰荆虾?200233）

針對永磁同步電機控制器存在算法復雜、代碼量大、開發(fā)周期長等問題，實現一種基于虛擬儀器的永磁同步電機快速控制原型系統(tǒng)；設計快速控制原型硬件平臺，并對硬件設備進行選型，包括PXI虛擬儀器、功率驅動模塊、電機對拖臺架等；研究永磁同步電機轉子磁場定向控制原理基礎上，以一臺3.1 k W被測電機為被控對象，在RT－LAB實時仿真軟件環(huán)境下，搭建永磁同步電機控制算法模型；實驗結果表明，電機轉速與定子電流均可無偏差跟蹤參考給定值，系統(tǒng)控制性能良好，且該系統(tǒng)使電機控制器開發(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

0 引言

永磁同步電機作為電動汽車的關鍵部件之一，與感應電機相比具有體積小、重量輕、功率密度高等優(yōu)點［1］。但是由于電動汽車工作環(huán)境惡劣、系統(tǒng)干擾強等不確定因素，永磁同步電機高性能控制往往不易實現。近年來，半實物仿真技術得到快速發(fā)展，RCP技術更是在實際工程開發(fā)中得到廣泛應用［2］。將快速控制原型系統(tǒng)用于車輛電機控制器開發(fā)可快速驗證控制算法的有效性，具有研發(fā)成本低、開發(fā)周期短、可進行極端測試等優(yōu)點。

文獻［3］采用dSPACE軟硬件環(huán)境設計了一套用于大功率電力驅動系統(tǒng)的測試、教學實驗平臺，實現了電機控制實時仿真。文獻［4］為實現電機控制器的性能設計與驗證，提出了基于RT－LAB和JMAG的永磁同步電機硬件在環(huán)（HIL）實時測試平臺。文獻［5］基于矢量控制方法，以DSP為核心，設計并實現了電流、速度的檢測及控制算法。但dSPACE通常價格昂貴、擴展性能較差，HIL系統(tǒng)將真實功率模塊及電機用虛擬對象取代，DSP開發(fā)則需要耗費大量精力用于硬件設計與代碼編寫。

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快速控制原型系統(tǒng)。首先設計快速控制原型硬件平臺，并對硬件設備進行選型，包括PXI虛擬儀器、功率驅動模塊、電機對拖臺架等；其次在研究永磁同步電機矢量控制的基礎上，以一臺3.1 KW被測電機為被控對象，在RT－LAB實時仿真軟件環(huán)境下，搭建永磁同步電機控制算法模型。最后實驗結果表明，電機轉速與定子電流均可無偏差跟蹤參考給定值，系統(tǒng)控制性能良好，且該系統(tǒng)使電機控制器開發(fā)周期縮短、成本降低。

1 快速控制原型系統(tǒng)結構及原理

快速控制原型是在控制器研發(fā)初始階段，快速地建立被控對象及控制器模型，并對整個控制系統(tǒng)進行多次在線試驗來驗證控制系統(tǒng)軟、硬件方案的可行性，這個過程便是快速控制原型。通過快速控制原型實時測試，在設計初期即可發(fā)現存在的問題，從而通過修改模型或參數，再進行實時測試，最終產生一個滿足設計需求的控制原型。

基于RT－LAB的快速控制原型仿真系統(tǒng)通過系統(tǒng)開發(fā)主機和PXI實時目標機的模式，將上位機用圖形化工具建立好的模型拆分、編譯并下載到目標機平臺上實時化運行，并通過上位機窗口對目標機的整個運行過程進行實時監(jiān)控。整個過程省去了大量代碼編程和系統(tǒng)配置工作，同時也充分利用了PXI目標機的實時特性，生成緊湊而有效的實時代碼。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，實現快速控制原型開發(fā)，同時降低系統(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)開發(fā)主機運行在Windows系統(tǒng)，安裝RT－LAB和MATLAB軟件，完成電機控制器建模、狀態(tài)顯示、在線調參等工作。實時目標機選用PXI虛擬儀器，運行Red Hat實時操作系統(tǒng)，進行控制器模型實時計算。選用NI的PXI數據采集卡，實現數字控制器與實物被控對象之間的數據交換。

圖1 快速控制原型基本原理

2 系統(tǒng)硬件設計

基于PXI和RT－LAB的永磁同步電機快速控制原型系統(tǒng)總體組成結構如圖2所示。其中，硬件模塊包括PXI車載控制器、功率驅動模塊、電機對拖臺架。

圖2 快速控制原型系統(tǒng)結構框圖

2.1 PXI車載控制器

PXI車載控制器采用美國NI公司的虛擬儀器設備［6］。其中，機箱選用PXIe－1082DC，具有4個混合插槽，3個PXI Express插槽，1個PXI Express系統(tǒng)定時插槽，可接受11 VDC至32 VDC的電源，方便試驗人員上車測試。CPU采用Intel雙核2.53 GHz的PXIe－8108。為實現永磁同步電機速度閉環(huán)矢量控制，系統(tǒng)選用FPGA板卡PXI－7854R和數據采集板卡、PXI－6289、PXI－6602。

FPGA板卡PXI－7854R用于產生旋變勵磁信號及接受旋變反饋信號sin＋、sin－、cos＋、cos－，通過FPGA軟件解算電機轉子的位置與速度，PXI－7854R旋變解算如圖3所示；數據采集板卡PXI－6289可實現電機直流母線電壓、兩相電流的反饋采集，同時通過內部總線傳輸方式，接受PXI－7854R解旋變結果；PXI－6602專門輸出六路PWM波信號，實現智能功率模塊上下橋壁開閉。

2.2 功率驅動模塊

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，省去了電路設計及參數選定等工作，具有安全、可靠、穩(wěn)定等優(yōu)點，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。雙向電源可模擬電池的充放電過程，當運行在第一象限時電源給智能功率模塊供電，實現電機的電動狀態(tài)；當被測電機處于發(fā)電狀態(tài)時，母線電能通過直流電源的四象限運行功能，將電能反饋至交流電網，實現能量回饋利用。雙向可編程直流電源控制界面如圖4所示，用戶可以通過RS－232通訊，在線調節(jié)電源的輸出電壓，設置電流限幅及功率限幅值，檢測電源系統(tǒng)實時狀態(tài)。

圖3 PXI－7854R解旋變原理圖

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）。該模塊將功率開關IGBT和門極驅動電路集成在一起，內置有過流、短路、驅動電源欠壓、過熱等故障監(jiān)測保護電路。當出現故障時，IPM會及時封鎖基極驅動信號，同時發(fā)送故障報警號至PXI控制器，迅速觸發(fā)軟件保護，停止PWM波輸出。

2.3 電機對拖臺架

電機對拖臺架包括1臺3.1 KW被測電機和1臺5 KW加載電機，中間裝有扭矩轉速傳感器（ZH07），通過RS－232通訊，將轉矩與轉速信號實時傳輸至上位機監(jiān)控界面。被測電機由功率驅動模塊供電，位置信號由旋轉變壓器檢測獲取。加載電機采用安川伺服電機，通過外部模擬量控制輸出轉矩，同時加載電機可實現被測電機控制算法的突加負載、過載、帶載啟動等實驗。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 PMSM數學模型

針對面貼式永磁同步電機有Ld＝Lq，若考慮如下理想情況：

1）忽略電機鐵心飽和；

2）不計渦流和磁滯損耗；

3）轉子上無阻尼繞組，永磁體不計阻尼作用；

4）相繞組中感應電動勢波形是正弦波。

PMSM在兩相旋轉坐標系（d－q系）的模型可以表示為：

1）電壓方程：

其中：usdq、isdq、ψsdq為d－q坐標下的定子電壓，電流，磁鏈；ψf為轉子永磁鏈；ωr電機角速度；np磁極對數；J機械慣量；TL負載轉矩。

3.2 PMSM矢量控制原理

根據上述PMSM數學模型，本文選用isd＝0的轉子磁場定向控制方法。采用isd＝0控制方式，則上述轉速表達式（3）可表達為：

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

采用isd＝0方法構成永磁同步電機轉速、電流雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)結構如圖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、坐標變換等模塊組成［7 8］。

圖5 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)框圖

由圖5可知，PMSM矢量控制系統(tǒng)實現過程是：給定速度指令值，與速度傳感器檢測到的電機轉子速度信號進行比較，通過速度控制器進行調節(jié)，得到q軸電流控制器的給定信號。d軸電流控制器的給定信號is*d為0。經過電流采樣得到定子兩相電流，通過Clarke變換和Park變換得到兩相旋轉坐標系中的isd和isq，將它們作為反饋量送到電流環(huán)控制器。經過電流PI控制器得到電壓給定值和，經過Park反變換得到兩相靜止電壓和，最后通過空間電壓矢量調制SVPWM模塊得到六路PWM信號，驅動三相逆變器橋對PMSM進行控制。

isd＝0控制方法的最大優(yōu)點在于電機的輸出轉矩與定子電流幅值成正比，將永磁同步電機實現了解耦控制，無去磁作用，控制簡單，因此得到了廣泛的應用。

3.3 PMSM控制模型

永磁同步電機矢量控制算法采用基于模型設計方法實現。首先通過RT－LAB實時仿真軟件以圖形化界面搭建系統(tǒng)模型，然后通過編譯將模型生成.c文件及.out文件，最后加載至PXI中，實現車輛電機控制算法快速開發(fā)。

3.3.1 控制系統(tǒng)整體模型

采用RT－LAB實時軟件搭建的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為控制臺模塊，用于上位機與PXI的數據交互與監(jiān)控。SM_FOC為主級子系統(tǒng)，主要實現PMSM矢量控制算法、數據采集與調理、故障保護等。

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、電流控制參數、控制器使能等，通過PXI－6602數字輸出板卡的事件管理器，生產驅動IPM模塊的六路SVPWM波。

圖7 矢量控制子模型圖

圖8 故障保護子模型圖

電機轉子位置信號及速度反饋值由PXI－7854R解算獲取后直接通過PXI的內部總線傳至PXI－6289中；電機的U、V兩相電流和直流母線電壓信號通過PXI－6289模擬量輸入模塊采集獲取，并對采集的模擬量信號進行低通濾波及信號調理。

3.3.3 故障保護子模型

故障保護子模型如圖8所示，該子系統(tǒng)實現了過流、過壓、欠壓、短路、過熱、軟件overrun等常見故障的監(jiān)測保護。

4 實驗驗證與分析

利用設計的RCP平臺，選用一臺3.1 kW的永磁同步電機作為被控對象，實現基于PXI和RT－LAB的永磁同步電機快速控制原型試驗。其中，雙向可編程直流電源的額定電壓600 V，額定功率正負20 k W，額定電流正負40 A；IPM功率模塊額定功率為10 k W。對于實際應用的不同功率等級，用戶可以根據自身情況選取不同功率等級的器件。

圖9是PXI－7854R解旋變與 Opal－RT公司的OP5600解旋變實驗對比波形。可知，PXI－7854R能精確解算出電機轉子位置信號，且利用PXI總線傳輸位置信號可使解旋變結果不受系統(tǒng)高頻信號的干擾，確保電機矢量控制時轉子磁場定向準確。

圖9 旋變解算結果圖

系統(tǒng)直流母線電壓為500 V電壓，加載電機恒定輸出5 N ·m轉矩。實驗設定工況為：電機初始給定轉速200 r／min，在3 s時通過斜坡給定轉速500 r／min，在15 s時給定轉速－500 r／min，在23 s時轉速給定為－200 r／min。圖10是電機運行在整個工況下的電流與轉速曲線，圖11是電機在500 r／min穩(wěn)態(tài)下的電流與轉速曲線?？梢钥闯?，電機轉速與定子電流均可無偏差地跟蹤參考給定值，系統(tǒng)控制性能良好。

圖10 電機電流與轉速響應曲線

實驗表明，該快速控制原型系統(tǒng)能實現PMSM的矢量控制算法驗證與調試，并且它具有開發(fā)過程簡單，無需手動編程，能夠實時在線調試，大大縮短了開發(fā)周期，同時采用PXI虛擬儀器可大大降低系統(tǒng)成本，具有極大的工程應用價值。

圖11 電機電流與轉速穩(wěn)態(tài)曲線

5 結語

本文設計了一套基于PXI和RT－LAB的永磁同步電機快速控制原型系統(tǒng)。PXI作為車輛電機虛擬控制器，通過RTLAB實時仿真軟件實現控制算法的模型化設計，被控對象采用真實的IPM和電機對拖臺架，雙向可編程直流電源為直流母線供電。利用該系統(tǒng)，實現永磁同步電機矢量控制算法，實驗結果驗證了RCP系統(tǒng)的準確性和有效性，且可縮短開發(fā)周期、降低研發(fā)成本，具有一定工程價值。

［1］高 瑾，黃 洋，宋石陽，等.車用電機硬件在環(huán)實時仿真與測試平臺［J］.電工技術學報，2014，29（11）：99-106.

［2］Guo H，Zhou B，Li J，et al.Real-time simulation of BLDC－based wind turbine emulator using RT－LAB［A］.International Conference on Electrical Machines and Systems，2009.ICEMS 2009 ［C］.IEEE，2009：1-6.

［3］盧子廣，柴建云，王祥珩，等.電力驅動系統(tǒng)實時控制虛擬實驗平臺［J］.中國電機工程學報，2003，23（4）：119-123.

［4］Dufour C，Lapointe V，Bélanger J，et al.Hardware－in－the－loop closed－loop experiments with an FPGA－based permanent magnet synchronous motor drive system and a rapidly prototyped controller ［C］／／Industrial Electronics，2008.ISIE 2008.IEEE International Symposium on.IEEE，2008：2152-2158.

［5］簡嘉亮，肖 兵.交流永磁同步電機控制器的設計與實現［J］.計算機測量與控制，2007，15（7）：899-901.

［6］宋 強，王再宙，王志福，等.基于虛擬儀器的電動汽車牽引電機性能測試系統(tǒng)［J］.儀器儀表學報，2007，28（11）：2019-2023.

［7］王莉娜，朱鴻悅，楊宗軍.永磁同步電動機調速系統(tǒng)PI控制器參數整定方法［J］.電工技術學報，2014，29（5）：104-117.

［8］楊 凱，李 輝，郭東山，等.基于dSPACE的PMSM控制器快速開發(fā)平臺設計與實現［J］.微電機，2015，48（4）：75-79.

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，主要從事電機驅動控制方向的研究。