永磁同步電機控制器硬件在環半實物仿真系統開發

于泓，徐偉，李穎，喬金鑫，李琪

（1.上海機電工程研究所，上海 201109；2.哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150000）

現代無人化作戰對伺服驅動系統的性能提出了更高的要求［1］，而隨著永磁同步電機（PMSM）的應用日益廣泛，驅動電機控制器（MCU）的開發和測試成為制約伺服系統性能的重要因素［2-3］。硬件在環仿真（Hardware-in-Loop-Simulation，HIL），即不采用真實的PMSM，而采用高性能的實時仿真計算機系統來模擬，與真實的電機控制器構成閉環系統，這樣真實的控制器就可以在虛擬的外部環境中測試［4-6］，具有縮短開發周期、降低測試成本、提高電機控制器軟件設計質量等優點［7-9］。

本文研究的目的是搭建一套永磁同步電機硬件在環實時仿真系統，對驅動電機控制器進行開發和測試。基于Labview 軟件完成永磁同步電機模型、逆變器模型、旋轉變壓器模型的搭建和編譯，然后基于半實物仿真平臺完成車用驅動電機控制器硬件在環仿真系統的搭建，最后通過實驗驗證PMSM 模型搭建的準確性和電機控制算法的有效性，驗證被測電機控制器的性能，從而驗證整個半實物仿真系統的可行性。

1 永磁同步電機仿真模型搭建

永磁同步電機的數學模型主要有以下基本方程組成，在兩相旋轉坐標系下主要包括：電壓方程，如式（1）；磁鏈方程，如式（2）；轉矩方程，如式（3）；以及運動方程，如式（4）。數學模型是分析實際系統的重要手段，同時也是后續建立仿真模型的前提條件之一，是矢量控制的基礎。為建立永磁同步電機的數學模型做如下基本假設：電機定子繞組呈三相對稱分布，轉子無阻尼繞組；忽略電機鐵心的磁飽和現象，認為電感參數不變；渦流和磁滯損耗不計；永磁材料的電導率為0。

根據電機在三相靜止坐標系、兩相旋轉坐標系的數學模型以及坐標轉換的原理，基于Labview 軟件搭建出永磁同步電機仿真模型。

2 逆變器、旋變仿真建模搭建

功率變換電路種類繁多，但在交流電機控制系統中，通常采用三相電壓型脈沖寬度調制逆變器（Pulse Width Modulation，PWM）。如圖1 所示，在交流電機控制系統中，PWM的作用是根據控制器的給定指令把大小不變、頻率不變的電網電壓信號變換成交流電機控制所需的任意形式的電壓信號。

圖1 三相電壓型逆變器Fig.1 Three-phase voltage inverter

交流電機運行需要輸入三相交流電功率，而控制系統要求準確、快速控制輸出轉矩，因此需要一種能準確、快速控制各相電流中振幅、頻率和相位的功率變換電路。滿足此要求的功率變換電路就是三相電壓型PWM逆變器。

空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM），實際上是對應于交流感應電機或永磁同步電機中的三相電壓源逆變器功率器件的一種特殊的開關觸發順序和脈寬大小的組合，這種開關觸發順序和組合將在定子線圈中產生三相互差120°電角度、失真較小的正弦波電流波形。實踐和理論證明，與直接的正弦脈寬調制（SPWM）技術相比，SVPWM 優點主要有：SVPWM 優化諧波程度比較高，消除諧波效果要比SPWM好，容易實現，并且可以提高電壓利用率；SVPWM比較適合于數字化控制系統。

旋轉變壓器本質上是一個可以轉動的變壓器，其結構原理如圖2 所示，通常配置是初級繞組位于轉子上，2 個次級繞組位于定子上，不過可變磁阻旋變的轉子上不存在繞組，如圖2（b）所示，初級繞組和次級繞組均位于定子上，但轉子的特殊設計使得次級耦合隨著角位置變化而發生正弦變化。

圖2 旋轉變壓器結構原理Fig.2 Resolver structure principle

但不論何種配置，旋變輸出電壓的計算公式均相同，如式（5）所示：

2 個定子繞組機械錯位90°，初級繞組采用交流基準源激勵，在定子次級繞組上的耦合幅度是轉子相對于定子位置的函數，因此旋變產生由轉角的正弦和余弦調制的2 個輸出電壓，旋變格式信號是從旋變輸出獲得的信號。

旋轉變壓器模型需要接收來自MCU 信號板中芯片AD2S1210 的激勵信號，在激勵信號的基礎上乘以電機模型計算出來的角度值的正弦和余弦值，作為旋轉變壓器模型的輸出信號給到MCU 信號板，芯片AD2S1210 對輸出信號進行解碼得到電機的位置和轉速信息。

3 MCU HIL實驗平臺搭建

MCU HIL 測試系統如圖3 所示，硬件平臺主要包括PC上位機、NI PXI下位機、DSP電機控制器。

圖3 MCU HIL硬件平臺Fig.3 MCU HIL hardware platform

PC 上位機主要用于模型的搭建、編譯和下載以及界面顯示和數據監測。NI PXI 下位機用于電機模型、逆變器模型和旋轉變壓器模型的高速實時運行，以及數據信號的處理和傳輸，主要包括PXIe 機箱、實時處理器RT、FPGA 板卡。DSP 電機控制器是開發的低壓信號處理板卡，也可以稱為MCU 信號板，是電機控制器的重要組成部分，因為測試系統主要針對信號級HIL 的測試和開發，所以不需要電機控制器中的高壓功率驅動板。

MCU 信號板采集電機模型計算出的電流、位置等指令，并通過永磁同步電機矢量控制原理將PWM 開關信號給到三相電壓型逆變器，控制逆變器6 個功率開關管的通斷，來產生所期望的電壓值加載到電機模型的三相定子繞組上，完成整個閉環控制過程。

將電機控制器的低壓信號處理板卡作為被測MCU，主控芯片為TMS320F28335，基于CCS 編程軟件將電流檢測模塊采集到的三相電流做閉環控制，旋變模塊采集到的電機轉角信息用于坐標變換，通過SVPWM 算法將PWM 信號給到逆變器，控制逆變器6個功率開關管的通斷，從而實現PMSM 閉環控制過程。

4 MCU HIL實驗平臺驗證

MCU HIL 實驗平臺驗證主要基于MCU 信號板與FPGA 中運行的電機模型進行半實物仿真實驗，控制器閉環控制需要電機輸出的實時參量包括：速度信號、轉子位置信號、定子A、B 兩相電流等。電機模型計算出相應的值，并通過FPGA 板卡上的模擬量輸出通道輸出，MCU 信號板對AI 模擬量信號進行采集，并轉換成相應的數值，從而對電機模型進行控制。MCU信號板通過產生三相PWM 波對FPGA 板卡中的逆變器進行控制，此信號以數字量的形式輸出，逆變器模型通過FPGA 板卡的DI 通道采集控制器發出的PWM 控制信號。

通過CAN 接口設置D 軸目標電流為0，Q 軸目標電流為12 A，根據電機轉矩方程可知電機理論電磁轉矩為4.32 N·m，在Labview 軟件中設置電機負載轉矩與轉速的平方成正比。

設置完成后，將CCS程序通過仿真器燒寫到MCU信號板中，運行Labview 軟件所得出的DQ 軸電流、轉子轉速、三相定子電流以及電磁轉矩輸出曲線如圖4所示。

圖4 電機模型運行曲線Fig.4 Motor model operation curve

由實驗結果可知，Labview電機模型計算出來的D軸電流約為0.05 A，Q 軸電流約為12.29 A，三相電流幅值約為12.29 A，周期為100 μs，轉子轉速平均值為937.5 r/min，轉速脈動為0.53%，電磁轉矩平均值為4.405 N·m，轉矩脈動為1.1%。

實驗結果表明，Labview 電機模型計算出來的DQ軸電流值與參考電流值大致相等，轉速平均值、轉矩平均值與理論轉速轉矩值也近似相等，表明Labview 仿真模型和PMSM 矢量控制算法的有效性。Labview 電機模型的轉速脈動和轉矩脈動都在合理的范圍之內，證明被測的MCU信號板具有良好的信號處理能力。

同時，在CCS 軟件上也可以實時監控電機各運行參數的變化，旋變解碼模塊采集的轉子轉速、轉子位置，電流檢測模塊采集的B相電流波形如圖5所示。

圖5 CCS軟件電機運行曲線Fig.5 CCS software motor operation curve

CCS 旋變模塊采集到的轉子轉速為937.5 r/min，轉角在0 到6.28°之間呈周期性的變化，電流檢測模塊檢測到的B 相電流幅值約為12.29 A。Labview 電機模型計算出來的轉速與CCS 中采集到的轉速相等，以及電流幅值和CCS 采集到的電流幅值相等，表明PFGA板卡和MCU信號板之間數據傳輸的準確性。

5 結語

在MCU HIL半實物仿真系統中，搭建出準確的電機模型、逆變器模型和旋轉變壓器模型，編寫有效的PMSM 矢量控制算法程序，對電機控制器的開發和測試都具有重大意義。

本文對永磁同步電機、逆變器和旋轉變壓器結構和原理以及永磁同步電機矢量控制原理進行分析，基于Labview 軟件搭建了電機本體模型、逆變器模型和旋轉變壓器模型，并通過編譯使其能在FPGA 板卡上高速運行，模型仿真時間為2 μs，逆變器的開關頻率可以達到10 kHz 以上，滿足電機控制器的控制需求，將FPGA 板卡運行的仿真模型和被測電機控制器對接，完成整個MCU HIL 硬件在環仿真平臺的搭建。對系統在一定工況下進行實驗，通過分析實驗結果以驗證PMSM 模型搭建的準確性和電機控制算法的有效性，從而驗證整個MCU HIL半實物仿真系統的可行性。