基于dSPACE的交流電機V/f控制平臺的研究

曹廣忠,肖松松,黎文博,何志明,梁得亮

( 1.深圳大學,深圳 518060; 2.深圳市海浦蒙特科技有限公司,深圳 518060;3.西安交通大學,西安 710049 )

基于dSPACE的交流電機V/f控制平臺的研究

曹廣忠1,肖松松1,黎文博1,何志明2,梁得亮3

( 1.深圳大學,深圳 518060; 2.深圳市海浦蒙特科技有限公司,深圳 518060;3.西安交通大學,西安 710049 )

針對交流電機調速系統中普遍采用傳統的開發方法所帶來開發周期長、直觀性差的問題，研究了以V/f算法開發為例，開發了基于dSPACE的電機控制通用開發平臺。簡要分析了V/f控制原理，在MATLAB上進行了V/f電機控制算法的建模與仿真，設計了基于dSPACE的V/f電機快速控制算法模型，提出了控制平臺框架，搭建了實際的基于dSPACE的電機控制系統運用平臺，并進行了實驗。研究表明基于dSPACE的V/f電機控制平臺能夠快速地驗證算法的性能，顯著縮短開發周期，具有應用價值。

dSPACE;半實物仿真;三相異步電機;V/f控制

0 引 言

電機控制系統包括直流調速系統和交流調速系統[1]。直流調速系統的控制方法雖然容易實現，但直流電機的結構復雜，易于磨損，對于所運行的環境要求比較苛刻，電機的最高轉速，最高電壓和單機容量等受到很大的限制[2-3]。而交流電機因其結構簡單、運行可靠、易于維護、成本低、用于大容量和能在惡劣環境中正常工作的優勢，被廣泛應用，其中V/f控制(也稱變頻變壓控制)是交流電動機最常見的調速方法[4-5]。

傳統的電機控制器通常以單片機或DSP為主，需要編寫大量的程序去實現，算法復雜，開發周期長，在直觀上與真實的電機控制有一定距離[6-7]。dSPACE實時系統是由德國dSPACE公司開發的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及測試的工作平臺且具有高速計算能力的硬件系統，基于dSPACE的電機控制系統可大大縮短開發時間且在MATLAB/Simulink中的實現結構與真實的控制系統結構非常相近[8-9]。

為解決交流電機調速系統中開發周期長直觀性差的問題，本文基于型號為DS1202的dSPACE單板系統，進行了交流電機的V/f控制，建立了三相交流異步電機變頻控制系統的模型并進行了仿真，同時建立了快速控制模型并在dSPACE電機控制系統平臺上運行,驗證了基于dSPACE交流電機V/f控制平臺的有效性和算法開發的快速性。

1 基于dSPACE的V/f控制及平臺

1.1V/f控制原理

V/f控制是交流電機調速系統中常采用的控制方法之一。其實質是通過調整電壓的輸出頻率的同時改變電壓的幅值大小，從而使得電機中的磁通保持在一個恒定值，使得電機在較寬的轉速范圍內，能保持電機的效率、功率因數不變[10-11]。

由電機原理知道，電機定子的感應電勢的有效值：

則:

即：

又電磁轉矩具有如下關系式：

式中：Te為電磁轉矩；CT為電磁轉矩系數；Фm為氣隙磁通；I2為轉子電流；cosψ2為轉子電路的功率因數；ψ2為轉子電流與電壓之間的相位差[12]。

由式(3)可得，若保持E1恒定，在電源電壓頻率f1減小的情況下，會使得氣隙磁通Фm增大，Фm增大進而使得勵磁電流增加、磁路飽和、交流電機發熱，嚴重時甚至可能燒毀電機[13]。若保持E1恒定，在電源頻率f1增加的情況下，會使得氣隙磁通Фm變小;又由式(4) 可得，Фm降低又會使交流電機的電磁轉矩T變小，這就降低了交流電機的帶負載能力。綜上所述,在交流電機變頻調速時，應使電機氣隙磁通保持不變，因此電壓頻率發生變化時需及時調整電壓的幅值[14]。

1.2 V/f控制系統總體結構

基于V/f控制的交流調速系統的總體結構如圖1所示，該系統是由升降時間設置單元、V/f曲線單元、SPWM調制單元和驅動單元等構成。其中升降速時間單元是用來設定電機的升頻速度，防止因轉速上升速度過快引起對電流和轉矩過大的沖擊。V/f曲線單元根據電壓頻率得到相對應的電壓值，以維持壓頻變比恒定(V/f=常數)，并且在電壓處于低頻時給予適當的電壓提升。SPWM與驅動環節單元能根據電源頻率和電壓值的大小產生按正弦波規律變化的脈寬調制信號控制逆變器，從而實現交流電機的變壓變頻調速。

圖1 V/f交流調速系統結構原理圖

1.3 基于dSPACE的電機控制平臺

開發的dSPACE的電機控制平臺如圖2所示，由dSPACE實時系統、配有MATLAB和ControlDesk的計算機、電機及驅動器構成。

圖2 dSPACE電機控制平臺實物圖

基于dSPACE的電機控制系統與傳統的使用DSP等進行開發，其顯著特點是用dSPACE取代DSP等傳統控制器的作用，可使得程序快速方便的被修改，并且能夠快速在線驗證,如圖3所示。

圖3 dSPACE電機控制平臺框架

基于dSPACE的開發方法即在MATLAB軟件中構建快速控制模型。但在設計控制算法之前，首先要注意設計其外圍保護。防止設計的算法不合理，使得電機發生過載過流等異常狀況下不損害電路。外圍保護可以通過變頻器內部電路及編碼器去檢測母線電壓、溫度、轉速等。在發生故障的情況下，發出一個故障信號給dSPACE，觸發dSPACE關閉PWM脈沖的發送，防止電機和變頻器的損害；然后在MATLAB中設計V/f控制算法，并離線驗證算法正確之后加入電機進行實驗。

實驗過程中可以通過上位機軟件ControlDesk實時控制電機及觀察其運行轉態，設計的ControlDesk監控界面如圖4所示。在該界面中，PWM使能、錯誤檢測、定子三相電流大小、母線電壓大小、轉子轉速等信號都可以修改或顯示。

圖4 ControlDesk監控界面

2 實驗及分析

2.1 離線仿真

系統仿真是在MATLAB仿真軟件上進行，以被控對象的傳遞函數為基礎，使用MATLAB中的Simulink對電機調速系統進行建模和仿真。

本系統采用的控制對象參數設定如表1所示。

表1 交流異步電機主要參數

建立的整個SPWM變頻調速系統的仿真模型如圖 5所示。

圖5 V/f電機控制仿真模型

2.2 離線仿真結果分析

控制電路有一個變頻給定環節，系統仿真模型中電源頻率設為5Hz，進而實現調速。本系統采用異步調制，改變正弦調制波的頻率時，三角波的頻率不變。仿真結果如圖6所示。

圖6 仿真結果

圖6為定子電流和轉子轉速波形。從圖6中可知：在剛開始起動時，電機起動電流較大，經過0.4s左右很快恢復正常，從0.4s以后電流基本保持在接近±2A左右，沒有出現明顯的畸變，從而說明磁通穩定。此外，轉速也符合理論計算值，在電壓頻率為5Hz時轉子轉速為150r/min，表明所述V/f控制起到了良好的控制效果。

2.3 硬件在環實驗

采用型號為DS1202的dSPACE單板系統取代以往的單片機、DSP等，能夠在線修正控制算法，達到快速開發電機控制器的目的。

(1)程序設計思路：首先確定dSPACE中各模塊如編碼器模塊所用到的I/O接口的初始狀態，設置好各個模塊的參數。在控制電機開始轉動之前，檢測整個系統的電壓、電流是否正常，如果正常則V/f控制程序根據給定的頻率輸出相應的電壓，通過SPWM調制輸出給電機，從而控制電機的轉速。

(2)實時快速控制模型的設計：電機快速控制模型是建立在Simulink仿真模型的基礎上，保留V/f控制算法模塊，用實際的電機代替Simulink電機模塊，dSPACE的RTI中的I/O接口模塊接入電機的三相電流、編碼器信號以及控制信號。

(3)電機上電前：圖7是在示波器中觀測到控制變頻器電路中三相逆變橋上下兩個IGBT導通的門級信號即PWM信號，高電平為有效信號。從圖7中可以看到其一路導通，另一路就關斷，其中5μs為低電平的死區時間,從而防止了上下兩路直通燒壞變頻器。因此做實驗前必須觀測死區時間是否設定，防止同時為高的情況。

圖7 實時快速控制模型(截圖)

2.4 實驗結果分析

三相定子電流的波形如圖8所示。從圖8中可知電流比較平滑，表明沒有出現磁路飽和引起定子電流過大而出現尖峰的現象。

圖8 死區時間曲線

圖9為電機轉速響應曲線。在電源頻率設定為5HZ的情況控制下控制電機快速地達到150r/min，達到了良好的控制效果。

圖9 定子電流曲線

3 結 語

實驗結果表明，基于dSPACE的控制平臺開發算法具有快速性、直觀性。在dSPACE的控制平臺上以V/f控制算法為例，通過在dSPACE上修改控制算法且能快速接入電機進行測試，驗證其控制效果的好壞，大大縮短了項目的開發周期，同時算法也更加直觀。相對于傳統的如基于DSP等電機控制算法的開發，基于dSPACE控制平臺的開發，更加快捷，有利于使開發人員集中主要精力研究算法，為下一步深入研究奠定基礎。

[1] BOSE B K.現代電力電子學與交流傳動[M].北京:機械工業出版社,2014.

[2] 曹廣忠,黃蘇丹,汪濟歡,等.平面開關磁阻電機模型參考自適應位置控制[J].電機與控制學報.2016,20(6):1-8.

[3] 黃蘇丹,曹廣忠,方繼林,等.平面開關磁阻電機電磁性能分析[J].微電機，2015,48(9):5-11.

[4] 宋國強.dSPACE電機控制平臺設計與SVPWM矢量控制實現[J].電機與控制應用, 2015，42(9): 23-27.

[5] HUANG Sudan,CAO Guangzhong,HE Zhengyou,et al.Maximum force per ampere strategy of current distribution for efficiency improvement in planar switched reluctance motors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2016,63(3):1665-1675.

[6] HUANG Sudan,CAO Guangzhong,HE Zhengyou,et al.Nonlinear modeling of the inverse force function for the planar switched reluctance motor using sparse least squares support vector machines[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2015,11(3):591-600.

[7] CAO Guangzhong,LI Linglong,HUANG Sudan,et al.Nonlinear modeling of electro-magnetic forces for the planar switched reluctance motor[J].IEEE Transactions on Magnetics,2015,51(11):1-5.

[8] CAO Guangzhong,FANG Jilin,HUANG Sudan,et al.Optimization design of the planar switched reluctance motor on electromagnetic force ripple minimization[J].IEEE Transactions on Magnetics,2014,50(11):1-4.

[9] GEBREGERGIS A,PILLAY P.Inplementation of fuel cell emulation on DSP and dSPACE controllers in the design of power electronic converters[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2010,46(1):285-294.

[10] 王廣瑋,趙津,張向南,等.dSPACE快速控制原型技術在無刷直流電動機控制中的應用[J]. 現代制造工程,2015(1)：2-4.

[11] 潘峰,薛定宇,徐心和.基于dSPACE半實物仿真技術的伺服控制研究與應用[J].系統仿真學報,2004,16(5):936-940.

[12] 楊凱,李輝,郭東山,等.基于dSPACE的PMSM控制器快速開發平臺設計與實現[J].微電機, 2015,48(4): 75-78.

[13] 楊前,劉衛國,駱光照,等.基于dSPACE的PMSM控制系統的PWM調制技術研究[J].微電機,2010,38(6): 37-40.

[14] 楊達亮,盧子廣,杭乃善.電力電子系統實時仿真綜合平臺及設計方法 [J].電力自動化裝備,2011,31(10):139-144.

Variable Voltage Variable Frequency Control of 3-Phase Induction Motor Based on dSPACE

CAOGuang-zhong1,XIAOSong-song1,LIWen-bo1,HEZhi-ming2,LIANGDe-liang3

(1.Shenzhen University, Shenzhen 518060,China; 2.Shenzhen Hpmont Technology Co.,Ltd.,Shenzhen 518060,China; 3.Xi`an Jiaotong University,Xi`an 710049,China)

In order to solve the problem of the long development period and poor visibility of the the traditional development method adopted in AC speed regulating system of asynchronous motor, The development ofV/falgorithm was studied, and the general motor control platform based on dSPACE was constructed. The control principle ofV/fwas briefly analyzed, and the modeling and Simulation of theV/fmotor control algorithm was carried out on the MATLAB. A fast control algorithm model ofV/fmotor based on dSPACE is designed, and the control platform frame was put forward. The practical application platform of motor control system based on dSPACE was built and the experiment is carried out. The experimental results show that theV/fmotor control platform based on dSPACE can quickly verify the performance of the algorithm, and significantly shorten the development cycle. Therefore, it has application value.

dSPACE; semi-physical simulation; 3-phase induction motor;V/fcontrol

2016-07-28

國家自然科學基金項目(51275312,51677120)；深圳市科技應用示范計劃項目(SF20160025)

TM343

A

1004-7018(2017)02-0062-03

曹廣忠(1968-)，男，教授，博導，研究方向為先進控制理論及其應用、電機驅動與控制。