基于M atlab的PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)虛擬開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)

方 環(huán)，華 華，彭小龍，陳家新

（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

在高效伺服電機(jī)控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)中，開發(fā)人員根據(jù)需求分析和技術(shù)規(guī)范文檔用文字，方程等方式來描述系統(tǒng)，但是工程師們不可避免地存在對(duì)需求分析和技術(shù)文檔的理解差異，埋下失敗的伏筆。以及測(cè)試驗(yàn)證階段之前需要打造硬件平臺(tái)，前期資金投入大[1]。基于以上傳統(tǒng)電機(jī)控制設(shè)計(jì)開發(fā)過程存在的問題，本文基于Matlab設(shè)計(jì)PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)虛擬開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)算法的早期驗(yàn)證和性能測(cè)試。

1 PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)虛擬開發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

整個(gè)PMSM電機(jī)控制虛擬開發(fā)平臺(tái)由上位機(jī)GUI人機(jī)接口和PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)模型兩部分組成[1]，如圖1所示。上位機(jī)GUI人機(jī)接口系統(tǒng)主要功能有兩部分：1）接收用戶命令，修改并顯示系統(tǒng)控制參數(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)模型發(fā)送電機(jī)控制命令。2）接收并顯示控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及故障報(bào)警信息。PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)模型由Matlab/SimulinkStateflow采用模塊化方式搭建，包括系統(tǒng)輸入模塊，嵌入式處理器模塊，逆變器和電機(jī)本體模塊，系統(tǒng)輸出分析模塊。

2 PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)模型

本文基于Matlab/Simulink，Stateflow建立了完整的伺服電機(jī)控制仿真模型，采用模塊化方式建模，如圖2所示。整個(gè)完整的系統(tǒng)包括系統(tǒng)輸入模塊，嵌入式處理器模塊，逆變器及電機(jī)本體模塊，系統(tǒng)輸出分析模塊.本文主要介紹嵌入式處理器模塊[2]。

嵌入式處理模塊包括控制算法模塊和外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊，控制算法模塊主要包括控制模式調(diào)度系統(tǒng)模塊（Mode Schedule）和電機(jī)磁場(chǎng)定向控制器模塊（Motor Control）；基于Matlab/Stateflow建立了控制模式調(diào)度系統(tǒng)，如圖3所示。其作用為根據(jù)系統(tǒng)輸入命令判別控制系統(tǒng)特定階段的運(yùn)行方式，有等待模式，起動(dòng)開環(huán)控制模式，雙閉環(huán)控制模式和停止減速模式；控制算法起始于等待模式，不斷等待輸入命令（Motor_on）起動(dòng)電機(jī)，一旦接收到起動(dòng)命令，系統(tǒng)進(jìn)入起動(dòng)開環(huán)控制，給電機(jī)一恒定的加速度起動(dòng)。通過正交編碼得到電機(jī)一個(gè)確定的位置信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入雙閉環(huán)控制模式實(shí)現(xiàn)輸入跟隨給定。當(dāng)接收停止電機(jī)命令時(shí)，電機(jī)進(jìn)入停止減速模式直到轉(zhuǎn)速為零，最后返回到等待模式[3]。

圖1 PMSM電機(jī)控制開發(fā)平臺(tái)構(gòu)圖Fig.1 Structureofdevelopmentplatform forPMSMmotorcontrolsystem

圖2 PMSM電機(jī)控制仿真模型主界面Fig.2 Themian interface of simulationmodel

電機(jī)磁場(chǎng)定向控制器模塊采用最簡單的id=0轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方式，逆變器的驅(qū)動(dòng)控制采用空間電壓矢量控制方式（SVPWM）.其各功能模塊框圖，如圖4所示。基于此功能框圖搭建Matlab電機(jī)控制模塊，電機(jī)運(yùn)行時(shí)檢測(cè)到三相定子電流，通過坐標(biāo)變換分解出定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)對(duì)齊的分量（直軸電流id）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量（交軸電流iq）；通過正交編碼實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，計(jì)算得到轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，通過轉(zhuǎn)速PI控制器輸出電流環(huán)給定iq*，與上述得到的交軸電流iq比較，再經(jīng)PI控制得到Uq；設(shè)定另一個(gè)電流環(huán)給定值id=0，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制。Uq，Ud通過坐標(biāo)反變換輸入U(xiǎn)a和Uβ，經(jīng)過SVPWM發(fā)生模塊生成控制三相逆變器的脈寬調(diào)制信號(hào)，最終得到所需三相電流控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)[4]。

圖3 控制模式調(diào)度系統(tǒng)Fig.3 System of contralmode schedule

圖4 SVPWM控制框圖Fig.4 Structure diagram of SVPWM control

3 上位機(jī)GUI人機(jī)接口

上節(jié)已建立了完整的PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)模型，但在算法驗(yàn)證和測(cè)試過程中需不斷改變系統(tǒng)給定值，電機(jī)參數(shù)以及系統(tǒng)控制參數(shù)，并查看相應(yīng)仿真結(jié)果。為了完善整個(gè)虛擬開發(fā)平臺(tái)，方便測(cè)試人員調(diào)試和驗(yàn)證，基于Matlba/GUI建立了圖形用戶界面。

3.1 GUI的制作及程序的設(shè)計(jì)

MATLAB設(shè)計(jì)圖形用戶界面有兩種方法：1）使用程序（M文件）編寫的方式建立GUI；2）利用GUIDE設(shè)計(jì)圖形用戶界面。第一種方法在調(diào)整圖形組件位置時(shí)需要花費(fèi)較長的時(shí)間，文中采用第二種方法。

3.2 PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)GUI界面設(shè)計(jì)

文中中，MATLAB界面設(shè)計(jì)主要是解決GUI界面控制Simulink仿真及仿真結(jié)果的動(dòng)態(tài)顯示。

3.2.1 GUI控制Simulink仿真

GUI界面控制simulink仿真實(shí)現(xiàn)的功能是改變系統(tǒng)的給定輸入，如電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；還可調(diào)整電機(jī)本體的參數(shù)，如定子相電阻Rs，極對(duì)數(shù)等等.界面亦可以調(diào)整系統(tǒng)控制器的參數(shù)，如速度環(huán)K（P），電流環(huán)K（P）等等。其功能主要實(shí)現(xiàn)步驟如下[5]。

1）通過“打開模型”按鈕打開模型文件：

調(diào)用 open_system（‘sys’）函數(shù)，‘sys’是 Matlab 路徑上的模型名稱。

2）通過編輯框或是滑動(dòng)條設(shè)置用戶給定值以及模型中各模塊的參數(shù)：

首先調(diào)用get（）函數(shù)得到所需修改參數(shù)值，如value1=get（handles.edit1， ‘string’）； 接 著 通 過 set_param （‘obj’，‘parameter1’，value1）。 其 中 ， ‘obj’ 模 塊 的 路 徑 名 ，‘parameter1’，value1為要設(shè)置的參數(shù)及數(shù)值。

3）通過“執(zhí)行”按鈕啟動(dòng)仿真過程：

調(diào)用 sim （model，timespan） 函數(shù)；model為模型名稱，timespan為仿真的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。

3.2.2 GUI動(dòng)態(tài)顯示Simulink仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)保存

1）顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，直軸電流，交軸電流，電磁轉(zhuǎn)矩波形[6]

通過判斷l(xiāng)istbox的value值，采用Switch語句實(shí)現(xiàn)不同波形的顯示功能。將simulink波形輸出信號(hào)經(jīng)過“to Workspace”模塊，保存數(shù)據(jù)至Matlab的基本工作空間，通過evalin函數(shù)將數(shù)據(jù)傳遞到回調(diào)函數(shù)中，接著采用背景擦除的方法，動(dòng)態(tài)的劃線，采用for循環(huán)或者定時(shí)器來動(dòng)態(tài)改變坐標(biāo)系 XData，YData 值 ， 即 set （p，'XData'，t1（1，:），'YData'，m1（1，：））。

2）保存仿真數(shù)據(jù)至Excle

可通過“保存數(shù)據(jù)”按鈕可將Simulink仿真數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在Excle中，方便開發(fā)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。“保存數(shù)據(jù)”按鈕的回調(diào)函數(shù)主要功能程序如下：

[FileName， PathName]=uiputfile （{'*.xls'}，'Save as'）；%打開文件保存對(duì)話框

xlswrite（str1，r1（1:50000，1:3），'Rotor Velocities （RPM）'）；%將數(shù)據(jù)存至Excle中

4 虛擬開發(fā)平臺(tái)運(yùn)行測(cè)試驗(yàn)證

PMSM電機(jī)控制虛擬開發(fā)平臺(tái)GUI主界面如圖5所示。

圖5 虛擬開發(fā)平臺(tái)GUI主界面Fig.5 Themian interface of GUI

通過GUI界面設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000RPM，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.2 oz-in，設(shè)置好電機(jī)參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)，如圖6。打開模型按下“執(zhí)行”按鈕，仿真系統(tǒng)開始運(yùn)行，表盤不斷顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流。按下“停止”按鈕，系統(tǒng)停止運(yùn)行。可通過列表框查看仿真過程中各性能參數(shù)波形，并能保存參數(shù)數(shù)據(jù)和波形。

圖6 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面Fig.6 Interface of setting parameter

轉(zhuǎn)速波形圖如圖7所示，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，沒有出現(xiàn)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間ts為 0.115 s；

圖7 轉(zhuǎn)速波形界面Fig.7 Interface of rotation rate scope

直軸電流Id波形如圖8所示，Id值基本圍繞Id=0波動(dòng)，符合PMSM轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方式要求，驗(yàn)證了PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)模型的正確性。

圖8 直軸電流Id界面Fig.8 Interface of Id scope

5 結(jié) 論

文中基于Matlab搭建了PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)虛擬開發(fā)平臺(tái)，文中詳述了PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)模型的建立及人機(jī)接口的設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)操作驗(yàn)證了電機(jī)控制系統(tǒng)模型的正確性，及人機(jī)接口各個(gè)控件的功能。可實(shí)現(xiàn)PMSM電機(jī)控制開發(fā)設(shè)計(jì)算法的早期驗(yàn)證和性能測(cè)試，方便系統(tǒng)性能和參數(shù)改進(jìn)以及后期擴(kuò)展。

[1]李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]劉杰，翁公羽，周宇博.基于模型的設(shè)計(jì)-MCU篇[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2011.

[3]JeffC.Jensen.Elemets of Model-Bsed Design.Department of Electrical Engineering & ComputerScience of Berkeley Journal，2010，2（15）:2-3.

[4]李軍政，呂敬高，孫良友.永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制[J].船電技術(shù)，2005（4）：4-6.LI Jun-zheng，LV Jing-gao，SUN Liang-you.Field-Oriented vector control of permanent magnet synchronous motor[J].Marine Electric&Electronic Engineering，2005（4）：4-6.

[5]羅華飛.Matlab GUI設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2011.

[6]劉煥進(jìn)，王輝，李鵬.Matlab N個(gè)實(shí)用技巧[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2011.