基于dSPACE的船用異步電機矢量控制研究

郭寶寧

(江蘇海事職業技術學院,江蘇 南京 211170)

基于dSPACE的船用異步電機矢量控制研究

郭寶寧

(江蘇海事職業技術學院,江蘇 南京 211170)

摘要：為了能夠反復便捷地對船用異步電機矢量控制技術進行研究，需要對整個系統進行仿真。而傳統的離線仿真技術已不能滿足現在系統多樣的需求，而本文研究的dSPACE實時仿真技術可以很好的解決這一問題。本文首先研究船用異步電機矢量控制技術，然后針對該控制方案進行基于Simulink的離線仿真，接著搭建了基于dSPACE半實物仿真平臺的船用異步電機矢量控制系統，并借助于該系統展開船用異步電機矢量控制實驗，驗證基于dSPACE進行船用異步電機矢量控制的可行性、實用性與便捷性。

關鍵詞：船用異步電機；dSPACE；矢量控制

0引言

船舶電力推進時至今日已有100多年的應用歷史，其傳動方式與電氣傳動有密不可分的關系。而矢量控制技術在電氣傳動領域具有優越的調速性能，為了能夠反復便捷地對船用異步電機矢量控制技術進行研究，再結合實際環境、實驗條件、研制周期等因素的限制，使得實施一種行之有效的試驗方法更加迫在眉睫。

當前應用的大多數仿真算法都是離線算法，不能用于真實準確的模擬實際系統的各種參數，也不方便參數的整定和調試，所以提出了實時仿真算法[1]。實時仿真就是同步仿真，采用與真實系統一個時間比例尺，將仿真軟件與真實的系統場景組成起來。dSPACE是基于Simulink的一種軟硬件工作平臺，主要用于對系統進行半實物仿真，具有快速、靈活、實時性強等一系列優點。同時具有實時軟硬件環境做支持，并且可以自動產生和下載代碼，因而可以達到實時系統的要求[2]。

在船舶電機調速控制時，通過事先搭建船用異步電機仿真平臺，對船舶的異步電機進行矢量控制實時仿真，對控制系統的設計、控制算法、參數配置等進行研究與測試，可極大地縮短產品的研發時間，降低開發經費與技術風險。

1dSPACE系統介紹

本文研究基于dSPACE單板系統DS1104。DS1104是目前德國dSPACE公司新開發的一種用于快速控制原型的單板硬件系統，可以執行浮點運算?？刂瓢暹€集成了TI的C2000系列DSP，具有強大的數據處理功能，同時可以滿足用戶廣泛的I/O需求。該系列的DSP可以產生PWM及SVPWM脈沖，特別適合應用于在功率開關管的驅動方面[3]。圖1所示為DS1104的控制板結構框圖。

圖1　DS1104控制板結構框圖Fig.1　Block diagram of DS1104 control board

借助于dSPACE進行項目開發的主要工作過程包括以下5個步驟:

1)建立基于Matlab/Simulink的控制系統數學模型；

2)基于Simulink對該模型進行離線仿真；

3)將1)中的離線仿真模型改造成實時仿真模型：① 保留要下載到dSPACE中的模塊；② 將原來的邏輯連接關系用硬件接口關系替代；③ 配置I/O模塊的參數；④ 設定軟硬件中斷的優先順序。

4)借助于Matlab中的RTW及dSPACE中的RTI，實現代碼的自動生成、編譯及下載；

5)利用dSPACE中的綜合實驗及測試軟件工具ControlDesk實施基于半實物仿真平臺的實時仿真，實時監控控制信號的參數及曲線和在線調參。

2船用異步電機矢量控制策略

船用異步電機矢量控制，是指在靜止坐標系下將船用異步電機的三相交流量，通過坐標變換到同步旋轉坐標系下的直流量[4]。

圖2　船用異步電機矢量控制結構框圖Fig.2　Block diagram of ship induction motor vector control

圖2中，控制系統采用雙環控制方式，包括轉速外環和電流內環。其中對于轉速環，轉速給定值nref與位置速度傳感器采樣到的實際轉速n作差，將差值送到轉速PI控制器，該控制器的輸出為定子電流轉矩分量的iq*。定子電流勵磁分量指令值id*根據特性方程id*=f(n)輸出。id與實際轉速的關系是，在實際轉速不超過額定轉速的范圍內控制id*保持恒定不變。在實際轉速大于額定轉速后，使id*按與實際轉速n成反比例關系逐漸降低。

3離線仿真

本節主要建立基于Simulink的仿真模型，進行離線仿真。應用dSPACE進行實際實驗前，一般都要進行離線仿真，而且不論是創建仿真模型，還是配置仿真參數，都需要盡可能地與實時仿真模型相似。這樣做的好處在于：首先，可以通過離線仿真的方式在一定程度上來檢驗搭建的控制模型的正確性；其次，通過離線仿真中確定的一些參數，尤其是一些調節器參數，可以為以后dSPACE實時仿真時的參數配置和調試提供指導。

基于RFOC的異步電機傳動模塊(Field-Oriented Control Induction Motor Drive)是仿真模型外層的關鍵模塊，如圖3所示。

圖3　仿真模型原理圖Fig.3　Schematic of simulation model

轉子磁場定向控制系統的原理圖如圖4所示。系統主要分為7個部分，其中控制部分為磁場定向控制器和轉速調節器。主要工作原理是，船用三相交流電經過三相不控整流橋進行整流，然后將整流輸出的直流電壓送到直流濾波環節進行濾波，經過濾波環節的直流電再通過三相逆變器逆變，將直流電源轉化為交流電壓，最后送給異步電機。

圖4　轉子磁場定向控制原理圖Fig.4　RFOC schematic

在負載條件下進行離線仿真，仿真條件按表1所述進行給定，在此條件下進行離線仿真，仿真波形如圖5所示。

表1　離線仿真給定條件

圖5　負載條件下的離線仿真波形Fig.5　Off-line simulation waveforms on load conditions

4基于dSPACE的矢量控制實時仿真平臺

基于上一節的離線仿真模型，本節進行基于dSPACE實時仿真平臺的矢量控制實驗。首先的工作是要先建立好實時仿真模型，在此基礎上然后搭建基于dSPACE的船用異步電機矢量控制實時仿真平臺。

圖6　船舶異步電機實時仿真平臺結構圖Fig.6　Diagram of real-time simulation platform for ships′　induction motor

本文緊緊圍繞dSPACE實時仿真系統這個控制系統的核心來搭建船用異步電機調速系統實驗平臺。圖6為基于dSPACE實時仿真平臺的船用異步電機矢量控制系統結構框圖。該試驗平臺主要組成部分，包括船用異步電機、PC控制機、dSPACE軟件仿真系統、dSPACE控制面板DS1104面板、信號采樣模塊和整流逆變功率模塊等[5]。

系統中的dSPACE軟件系統的主要功能是搭建基于dSPACE的矢量控制Matlab實時仿真模型。該模型中RTI模塊的主要功能是生成脈沖驅動信號，然后將脈沖驅動信號經過dSPACE硬件中集成的DSP控制芯片(TMS320 F240)發出，用來驅動IPM功率模塊中開關管的導通與關斷，便將由三相不控整流器整流后的直流電壓變成交流電壓輸入給異步電機；與此同時模數轉換器及增量編碼器實時采樣得到的中間直流電壓、兩相定子交流電流與電機轉速，并通過調理電路的處理后用以產生控制脈沖，以形成閉環控制。

圖7所示為在dSPACE平臺上搭建的矢量控制實時仿真模型。相比圖4，只有速度控制模塊與轉子磁場定向控制模塊這2個子模塊留在該圖中。

圖7　基于dSPACE矢量控制的實時仿真模型結構框圖Fig.7　Block diagram of real-time simulation model structure　for vector control based on dSPACE

5基于dSPACE的矢量控制實驗結果

本節主要是在上述仿真的基礎上進行實驗驗證。借助于dSPACE方便靈活的人機交互軟件環境，通過在生成的*.sdf 格式的文件中添加不同的虛擬儀表等工具，設置完成調試界面。在各種模擬儀表工具的監控下，可以靈活方便地調整給定變量，并在線觀測各種曲線波形，同時實現了參數的在線配置與數據實時記錄目的。

圖8　船用異步電機矢量控制實時仿真實驗波形Fig.8　Waveforms of real-time simulation for vector control　of ships′ induction motor

試驗中轉速的給定情況：從0~22.5 s 時間范圍內，轉速N*為2 100 r/min；從22.5~32.5 s 時間范圍，轉速N*為1 450 r/min；大于32.5 s后，轉速N*為700 r/min。在此給定條件下進行試驗，電機轉速給定與實際N*/N、a相電流ia、勵磁電流指令與實際id*/id、轉矩電流指令與反饋iq*/iq從上到下分別如圖8所示。負載工況下，電機轉速實際值N能夠快速的緊跟指令值N*、勵磁電流id及轉矩電流iq同樣如此。當電機超過額定轉速運轉時，異步電機處于弱磁工作狀態，勵磁電流會變小。而電機重新低于額定轉速運行時，勵磁電流重新回到正常值，且基本維持恒定。前述這些波形的變化可以表明，勵磁電流一樣的情況下，電機的電磁轉矩的大小僅靠轉矩電流決定和控制。該結論與第2節中的理論論述和第3節的離線仿真結果相一致。另一方面也證實了本文利用dSPACE實時仿真平臺進行船用異步電機矢量控制的研究，是有意義的，具有一定的可行性和實用性。

6結語

本文對船用異步電機的矢量控制技術進行了系統的研究，在Simulink下搭建了離線仿真模型，對其進行離線仿真。在離線仿真的基礎上，又搭建了基于dSPACE的船用異步電機矢量控制的實時仿真平臺，進行了實時在線仿真實驗，驗證了基于dSPACE的船用異步電機矢量控制的可行性與實用性。

參考文獻：

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LIU Yong-huan,DIAO Li-jun,LIU Zhi-gang.Realization of the SVPWM technique based on dSPACE-RCP[J].Electronic Design Engineering,2011,19(20):184-187.

[2]姚靜.多功能組合閥及其控缸特性的理論與實驗研究[D].秦皇島:燕山大學,2004.

[3]金曉華.基于dSPACE半實物仿真的電機測試平臺研究[D].南京:東南大學,2006.

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HU Ming-liang,QIU Jian-qi,SHI Cen-wei.Control system for brushless DC motor based on dSPACE[J].Micromotors,2011,44(4):60-63,94.

[6]閆智輝,李志遠.異步電機直接轉矩控制技術在隨動系統中的應用[J].艦船科學技術,2007,29(S1)：50-52.

YAN Zhi-hui,LI Zhi-yuan.Application of technique induction electromotor controlled by direct torque in a following-up control system[J].Ship Science and Technology,2007,29(S1)：50-52.

Research of vector control for induction motor of the ship based on dSPACE

GUO Bao-ning

(Jiangsu Maritime Institute,Nanjing 211170,China)

Abstract：In order to research on the vector control technique for induction motor of the ships repeatedly and conveniently, we need to simulate the whole system. The off-line simulation technology is already unable to satisfy the different requirements of the systems, this paper proposes a kind of real-time simulation platform based on dSPACE can solve this issue. This paper researches on the vector control scheme for induction motor of the ships, and then do off-line simulation on Simulink for this control scheme. Then based on dSPACE semi-physical simulation platform, this paper builds simulation model of vector control, and implements the vector control experiment for induction motor of ship. Finally, the effectiveness, practicability and convenience of vector control for induction motor of ship based on dSPACE is verified.

Key words：induction motor of the ships; dSPACE; vector control

作者簡介：郭寶寧(1964-)，女，副教授，研究方向為電氣自動化技術。

基金項目：中國交通教育研究會交教研資助項目(1402-158)；2014-2016年度教育科學研究課題資助項目

收稿日期：2014-03-17； 修回日期： 2014-09-12

文章編號：1672-7649(2015)02-0144-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.031

中圖分類號：TM301

文獻標識碼：A