永磁同步電機矢量控制軟硬件測試方法

宋正強,楊輝玲

（揚州職業(yè)大學,揚州市,225000 )

1 引言

由于電機可以將電能和機械能進行有效轉(zhuǎn)換，因此在電力工業(yè)中具有廣泛的應用。同感應電機相比，永磁同步電機（PMSM）具有高功率密度、高效率、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性、低振動噪聲以及體積小、慣性低、響應快的特點[1-3]，被廣泛應用于電動車電驅(qū)動系統(tǒng)。而科研人員在開發(fā)調(diào)速系統(tǒng)軟件之前，對硬件的檢測和參數(shù)整定是至關重要的，也對后續(xù)的開發(fā)成功與否起著決定性作用。

永磁同步電機交流調(diào)速開發(fā)系統(tǒng)一般由三相電壓逆變器，永磁同步電機，直流電機，三相可調(diào)變壓器，控制器以及電壓電流檢測部分組成[4]。開發(fā)工作一般主要分為兩大部分，硬件部分和軟件部分。對于許多從事軟件開發(fā)，以及智能控制的科研人員來說，大多需要科研輔助人員完成前期的硬件調(diào)試工作，以便快速投入自己的主要工作，緊追科學前沿。而在實際工作中，經(jīng)常會發(fā)生科研人員與輔助人員因為科研開發(fā)問題而發(fā)生矛盾。比如，某科研人員設計了一臺新型永磁同步電機，在采用常規(guī)的磁場定向控制、最大轉(zhuǎn)矩控制和弱磁控制時遇到問題，常會將問題歸咎于調(diào)速系統(tǒng)的硬件設施，尤其是逆變器。而科研人員在編制軟件調(diào)試過程中，往往需要先完成硬件設施的測試，以保證軟件調(diào)試的正確性。

在本文中以永磁同步電機交流調(diào)速開發(fā)系統(tǒng)為例，詳細的闡述了系統(tǒng)硬件工作的基本工作原理與參數(shù)整定方法，以及整個系統(tǒng)的軟件開環(huán)測試方法和閉環(huán)測試方法，依照先硬件后軟件的順序快速完成整個系統(tǒng)的測試。同時針對硬件固有的不同問題提出了利用軟件消除的方法，為科研人員實現(xiàn)產(chǎn)品快速開發(fā)提供了有力的保證。

2 永磁同步電機轉(zhuǎn)子坐標系下數(shù)學模型

由于采用電流矢量控制PMSM, 因此本文首先給出永磁同步電機轉(zhuǎn)子參考坐標系 下數(shù)學模型：

電壓方程為:

或表示成矩陣形式：

磁鏈方程為:

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

3 驅(qū)動系統(tǒng)硬件工作平臺和檢測分析

如圖1所示,主電路部分為三相0-1000、電壓在0-415變化電源，編碼盤EN用于檢測轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈輸出4000個高電平脈沖，并連接至DSPACE編碼盤接口；直流電動機作為測試負載；控制器采用以DSP為核心技術的DSPACE1104；相電流 經(jīng)檢測后通過同軸電纜連接到DSPACE的ADC1和ADC2口, 完成模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換。

3.1 硬件工作平臺主要檢測工作

（1）轉(zhuǎn)子與增量編碼器間初始安裝角度檢測

（2）相電流檢測誤差的檢測和消除

（3）相電流與電壓的比例系數(shù)整定

（4）逆變器工作頻率與工作電壓測試

由于篇幅所限，關于上述硬件檢測工作的詳細內(nèi)容不再重復敘述，可以參見文獻[]

4 軟件測試分析

驅(qū)動系統(tǒng)的軟件編寫與測試工作主要分為兩部分，首先要完成整個控制系統(tǒng)的開環(huán)測試，然后要完成系統(tǒng)雙閉環(huán)測試，包括電流環(huán)和速度換的軟件測試。表一提供了此次測試用永磁同步電機的具體參數(shù)。

4.1 PMSM 驅(qū)動開環(huán)控制軟件測試分析

如圖6所示，為了完成PMSM系統(tǒng)的FOC閉環(huán)控制方法，我們首先要進行系統(tǒng)的開環(huán)控制程序調(diào)試，其中負載可以采用RL負載代替永磁同步電機。這樣做的目的，主要是測試開環(huán)控制情況下電流環(huán)程序是否正確，以及電流響應能否正確跟隨輸入的控制信號。如圖7所示，電流控制指令由三相abc三相坐標系轉(zhuǎn)換成dq兩相坐標系下指令，其中id-ref設置為0，iq-ref設置為單位階躍曲線，當q軸電流iq能夠快速跟隨控制信號iq-ref時，證明電流環(huán)控制參數(shù)以及程序等正確，開環(huán)調(diào)試工作完成。

圖1 永磁同步電機調(diào)速開發(fā)系統(tǒng)示意圖

表一：IPMSM 參數(shù)

4.2 PMSM 驅(qū)動閉環(huán)控制軟件測試分析

如圖4所示，整個永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)電流環(huán)和外環(huán)速度環(huán)共同完成雙閉環(huán)控制，而在前面部分，已經(jīng)由開環(huán)控制部分完成了電流環(huán)軟件控制程序的測試，因此在這里僅需對速度環(huán)完成程序編寫調(diào)試以及PI控制參數(shù)的手工調(diào)試，并通過檢測電機A、B、C三相電流的對稱性和平滑性以及速度平穩(wěn)性來判斷是否完成整個驅(qū)動系統(tǒng)的基本測試工作。如圖5所示為永磁同步電機三相A、B、C輸出電流曲線，可以看出三相電流具有很好的對稱性和平滑性，整個電機驅(qū)動系統(tǒng)完成了基本閉環(huán)矢量控制要求。

3 結論

圖2 基于SV-PWM 方法的開環(huán)矢量控制流程

本文以永磁同步電機交流調(diào)速開發(fā)系統(tǒng)為例，詳細的闡述了系統(tǒng)軟硬件工作原理以及測試方法，并針對一些硬件設施固有的問題提出了利用軟件消除電壓、電流傳感器的檢測誤差和比例系數(shù)整定方法，轉(zhuǎn)子與增量編碼器間初始安裝角度檢測，開關器件的死區(qū)時間設置等，這些問題和解決方法在工程實踐和科研開發(fā)過程中有著重要的參考價值，在科研人員快速完成PMSM閉環(huán)矢量控制測試后，為下一步繼續(xù)開展進一步科學研究或者實現(xiàn)產(chǎn)品快速開發(fā)提供了有力的保證，因此本文對科研開發(fā)前期工作有著積極的指導意義。

圖3.兩相坐標系下q軸電流跟隨指令響應曲線

圖4.PMSM驅(qū)動閉環(huán)矢量控制框圖

圖5.PMSM三相電流響應曲線

[1]唐仁遠.現(xiàn)代永磁電動機理論與設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997.

[2]Muhammed Fazlur Rahman,Md.Enamul Haque,“Problems associated with the direct torque control of an Interior permanent-magnet synchronous motor drive and their remedies,”IEEE Trans.on industrial elec tronics,vol.51,no.4,pp.799-808,2004.

[3]宋正強.貼面式永磁同步電機無傳感器控制策略的研究[J].電力電子技術,2010,44(11).

[4]楊新華，陳旭，楊輝玲.永磁同步電機調(diào)速開發(fā)系統(tǒng)硬件檢測與參數(shù)整定方法[J].揚州職業(yè)大學學報，2013,17卷第4期.