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換，因此在電力工業中具有廣泛的應用。同感應電機相比，永磁同步電機（PMSM）具有高功率密度、高效率、高轉矩密度、良好的轉矩平穩性、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動系統。而科研人員在開發調速系統軟件之前，對硬件的檢測和參數整定是至關重要的，也對后續的開發成功與否起著決定性作用。

永磁同步電機交流調速開發系統一般由三相電壓逆變器，永磁同步電機，直流電機，三相可調變壓器，控制器以及電壓電流檢測部分組成[4]。開發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，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，經常會發生科研人員與輔助人員因為科研開發問題而發生矛盾。比如，某科研人員設計了一臺新型永磁同步電機，在采用常規的磁場定向控制、最大轉矩控制和弱磁控制時遇到問題，常會將問題歸咎于調速系統的硬件設施，尤其是逆變器。而科研人員在編制軟件調試過程中，往往需要先完成硬件設施的測試，以保證軟件調試的正確性。

在本文中以永磁同步電機交流調速開發系統為例，詳細的闡述了系統硬件工作的基本工作原理與參數整定方法，以及整個系統的軟件開環測試方法和閉環測試方法，依照先硬件后軟件的順序快速完成整個系統的測試。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，為科研人員實現產品快速開發提供了有力的保證。

2 永磁同步電機轉子坐標系下數學模型

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子參考坐標系 下數學模型：

電壓方程為:

或表示成矩陣形式：

磁鏈方程為:

電磁轉矩方程為：

3 驅動系統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用于檢測轉子位置，轉子每轉一圈輸出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, 完成模擬信號到數字信號轉換。

3.1 硬件工作平臺主要檢測工作

（1）轉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容不再重復敘述，可以參見文獻[]

4 軟件測試分析

驅動系統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的開環測試，然后要完成系統雙閉環測試，包括電流環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。

4.1 PMSM 驅動開環控制軟件測試分析

如圖6所示，為了完成PMSM系統的FOC閉環控制方法，我們首先要進行系統的開環控制程序調試，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，主要是測試開環控制情況下電流環程序是否正確，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，證明電流環控制參數以及程序等正確，開環調試工作完成。

圖1 永磁同步電機調速開發系統示意圖

表一：IPMSM 參數

4.2 PMSM 驅動閉環控制軟件測試分析

如圖4所示，整個永磁同步電機矢量控制系統由內環電流環和外環速度環共同完成雙閉環控制，而在前面部分，已經由開環控制部分完成了電流環軟件控制程序的測試，因此在這里僅需對速度環完成程序編寫調試以及PI控制參數的手工調試，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性來判斷是否完成整個驅動系統的基本測試工作。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，整個電機驅動系統完成了基本閉環矢量控制要求。

3 結論

圖2 基于SV-PWM 方法的開環矢量控制流程

本文以永磁同步電機交流調速開發系統為例，詳細的闡述了系統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整定方法，轉子與增量編碼器間初始安裝角度檢測，開關器件的死區時間設置等，這些問題和解決方法在工程實踐和科研開發過程中有著重要的參考價值，在科研人員快速完成PMSM閉環矢量控制測試后，為下一步繼續開展進一步科學研究或者實現產品快速開發提供了有力的保證，因此本文對科研開發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驅動閉環矢量控制框圖

圖5.PMSM三相電流響應曲線

[1]唐仁遠.現代永磁電動機理論與設計[M].北京:機械工業出版社,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.永磁同步電機調速開發系統硬件檢測與參數整定方法[J].揚州職業大學學報，2013,17卷第4期.