基于PXI的永磁同步電機RCP教學實驗平臺設計

畢大強, 郭瑞光, 陳洪濤

(清華大學 電機系 電氣工程實驗教學中心, 北京 100084)

快速控制原形(RCP)技術近些年快速發展,被廣泛應用在航空航天、汽車測試領域,不僅加快了產品的快速研發,而且在復雜環境下開始驗證控制算法,減少了實驗測試中的故障發生概率,加快先進控制算法在產品中的應用[1-4]。

文獻[5-6]采用dSPACE實時仿真設備設計對永磁無刷直流電機進行了RCP設計。文獻[7]基于PXI和RT_LAB實現永磁同步電機快速原形設計,但是使用設備多,增加了系統復雜度,同樣也增加了系統成本。文獻[8]基于RT_LAB設計了三電平H橋RCP實驗平臺。文獻[9]采用dSPACE設計了基于RCP的混合動力控制系統,驗證了采用RCP控制符合實際系統工作需求。文獻[10]采用TI公司DSP2812實現快速控制原形控制器,采用Simulink自動代碼生成,但是其資源有限,并且只能采用定點運算,制約了它在Simulink中的圖形化編程。文獻[11]將基于NI PXI的快速控制原形技術應用在微電網仿真控制中,參與微電網協調控制。

在高校電氣工程專業,為培養并提高學生將永磁同步電機控制技術理論與實踐快速結合的能力,都很重視快速RCP技術。但是當前相關永磁同步電機RCP技術教學平臺的研發卻相對較少。為此，本文研制了基于PXI的永磁同步電機RCP教學實驗平臺。該平臺采用NI控制器+永磁同步電機變頻驅動電路結構,其中NI控制器負責運行控制算法,變頻電路負責驅動實際的永磁同步電機。采用Simulink自動代碼生成技術將仿真算法快速生成可執行控制代碼,利用NI-VeriStand 軟件將生成的永磁同步電機控制算法加載到NI 控制器進行驅動電機運行,無需對控制算法進行二次編程,減少算法驗證時間,提高先進算法在永磁同步電機控制應用中的進度與效率,方便學生快速設計并且實現先進的電機控制算法。

1 永磁同步電機RCP平臺設計

1.1 平臺硬件組成

如圖1所示,實驗平臺由上位機(PC機)、控制器、變頻驅動電路、永磁同步電機組成。

圖1 永磁同步電機RCP實驗平臺硬件組成

上位機操作的軟件有Matlab/Simulink、LabVIEW和NI-VeriStand,主要負責打包控制程序，然后下載到控制器中,并且監控控制狀態。

控制器主要由NI-PXI控制器和NI-PXI-FPGA板卡組成。控制器的作用是運行永磁同步電機控制算法,FPGA板卡首先負責把變頻驅動電路傳感器采集到的電壓/電流模擬信號轉換成數字信號,以及采集編碼器脈沖并計算電機轉速信號,最后將信號傳遞到控制器中參與運算；其次利用其高速并行特性,輸出PWM脈沖信號驅動變頻驅動電路,達到控制實際電機效果。

變頻驅動電路與永磁電機組成被控對象,變頻驅動電路主要負責功率變換,將直流電變換成交流電驅動永磁同步電機運行。通過磁粉制動器可為永磁同步電機加載,模擬不同工況下的負載變化情況。

1.2 平臺軟件結構

軟件實現方式采用模塊化獨立編程思想,使學生對整個控制思想和控制流程的理解更加直觀方便。采用3種軟件(Simulink、LabVIEW和VeriStand)對永磁同步電機模塊化編程。Simulink主要負責永磁同步電機的控制算法,LabVIEW主要負責軟FPGA硬件IO配置及對應關系，以及PWM信號產生與高速信號采集的編程,VeriStand主要負責軟件集成及下載運行和上位機監控系統的快速實現,實現過程如圖2所示。

圖2 永磁同步電機控制實現過程

在Matlab/Simulink環境下進行永磁同步電機算法仿真以及仿真算法的自動代碼生成,快速形成控制器可執行控制代碼,能夠快速實現算法的驗證以及與其他算法對比分析,加快算法的優化速度。

LabVIEW軟件通過對FPGA編程,實現實際硬件IO的不同配置,對高速信號進行快速實時處理。

NI-VeriStand環境的作用主要有2個方面,一是將Simulink自動生成的控制代碼和LabVIEW生成的IO配置文件下載到控制器,然后進行相關的配置,實現對永磁同步電機的控制；二是通過VeriStand軟件快速實現對控制電機監控上位機的設計,上位機與控制器通過以太網進行通信,實現對電機實際電壓電流瞬時波形的實時監測。

2 實驗平臺搭建與實驗

2.1 永磁同步電機RCP實驗平臺搭建

實驗平臺的外觀如圖3所示。PXI控制器由NI PXI 1071機箱、NI PXI 8840控制器和NI PXI 7846R FPGA板卡組成。VeriStand軟件通過以太網線與PXI控制器通信,利用VeriStand為控制器下載永磁同步電機控制算法并且監控電機狀態。

電機驅動電路額定功率為10 kW,直流輸入電壓為560 V,交流輸出電壓為380 V。電機驅動電路通過并行數據線與PXI控制器相連,利用上位機控制并檢測電機驅動電路工作狀態。

隔離變壓器額定容量為10 kVA,接線方式為Yd11,變壓器變比為400V∶400V,副邊側與逆變器連接,原邊側與電網連接。

永磁同步電機額定容量為10 kVA,額定電壓為260 V,額定轉速為1 500 r/min,額定電流為22 A,轉速范圍為0～2 000 r/min,極對數為4。

磁粉制動器加載轉矩范圍為0～230 N·m,永磁電機額定轉矩為63 N,所以將磁粉制動器轉矩限制電機額定轉矩范圍內。

圖3 實驗平臺外觀

2.2 永磁同步電機RCP實驗平臺監控上位機

RCP技術快速縮短了產品開發周期,同時在教學過程中也增加了學生做實驗的快速性與安全性。本文利用VeriStand軟件快速搭建永磁同步電機RCP實驗平臺監控上位機,監控界面如圖4所示。主要由平臺控制區,平臺主要參數監測區和示波區組成。

圖4 RCP實驗平臺監控界面

平臺控制區由7個布爾控件,1個速度輸入,1個故障指示燈和1個故障代碼顯示組成。其中7個布爾控件分別是復位、機箱風扇開關、永磁電機風扇開關、預充電繼電器開關、運行繼電器開關、永磁電機初始角度定位開關和速度啟動開關組成。

平臺主要參數監測區由直流母線電壓監測值Udc_real、永磁電機有功功率P、永磁電機電磁轉矩r_Tn、電機定子三相電流有效值Iu_rms、Iv_rms、Iw_rms、電機轉速speed、變流器溫度組成。

平臺示波區可以觀察電機定子電流實時波形詳細情況、電機轉速r_speed、實驗平臺直流母線電壓Udc_real和電機功率P等。通過示波器下方的工具,可以對波形進行拉寬、放大、縮小等操作。

2.3 永磁同步電機控制策略

永磁電機控制方式有多種,本文采用電機定子d軸方向分電流id=0控制方式,首先建立d、q同步旋轉坐標系永磁同步電機的數學模型。當旋轉坐標系的d軸與轉子磁鏈相重合,其數學模型可以表示為：

其中,Ld、Lq是電機定子直軸和交軸電感,vd、vq、id、iq為d、q坐標系下永磁同步電機定子的電壓和電流,R是電機定子電阻,Ψd、Ψq為d、q軸磁鏈,Tem為電機電磁轉矩,pn為轉子極對數,ωg是電機轉速,Ψr是轉子磁鏈,Tload為負載轉矩,J為系統轉動慣量。

根據式(1)可建立永磁同步電機的矢量控制系統。圖5是永磁同步電機的控制框圖,采用轉速外環和電流內環控制。轉速外環和電流內環調節器都采用PI控制。

圖5 永磁同步電機控制原理圖

2.4 永磁同步電機運行實驗

給定轉速為1 000 r/min空載啟動，結果見圖6。由圖6可知：電機轉速r_speed緩慢爬升,當轉速穩定后r_speed為1 000 r/min；空載時永磁同步電機定子電流很小。

圖6 1 000 r/min空載啟動

圖7為電機運行在轉速1 000 r/min下的輸出功率為2.25 kW的波形圖。由圖7可知,電機轉速穩定在1 000 r/min,永磁電機定子電流正弦性能良好。

圖7 轉速1 000 r/min加載

圖8為初始給定轉速600 r/min時控制磁粉制動器為電機加載，控制負載轉矩不變,電機轉速指令值由600 r/min變為1 000 r/min的波形圖。由圖8可知,通過控制,電機轉速逐漸穩定在1 000 r/min,電機定子電流緩慢變化,沒有瞬態沖擊,說明電機的恒載變速過程控制良好。

圖8 恒載600 r/min變1 000 r/min運行

圖9為帶載正反轉切換過程,轉速由+700 r/min變為-700 r/min，運轉正常。

圖9 帶載正反轉切換

3 結語

為提高永磁同步電機控制教學實驗與科研實驗的效果,設計了基于PXI永磁同步電機RCP教學實驗平臺,利用PXI控制器的豐富資源既可模擬實際控制器,又可快速實現上位機圖形化編程,方便學生理解控制原理,控制自動代碼生成,易于新控制算法的快速實施與驗證。