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*新型交换调速系统实验平台的研究卢家力 刘国海 张浩江苏大学摘要：目前，感到电机庞大控制要领的实现多接纳DSP与软件编程的要领，其开发历程庞大，代码编写事情沉重，开发周期长。而基于Matlab/Simulink开发的dSPACE实物仿真软硬件实验平台系统，无需代码编写，开发周期短，实时性好，可靠性高。本文开发了一套以dSPACE为焦点的新型交换调速系统实验平台，并在阐发定子磁场定向解耦控制的底子上，利用dSPACE的快速控制原型方法和dSPACE系统的软硬件情况，在Matlab/Simulink中创建了感到电机定子磁场定向解耦控制的实时系统，并在该平台上进行了实验。实验结果表明调速系统实现了交换电机磁链与速度的解耦性能，同时验证了该交换调速系统实验平台的可靠性。要害字：感到电机 dSPACE实验平台 定子磁场定向解耦控制Research on a New AC Drive Experimental PlatformLu Jiali Liu Guohai Zhang HaoAbstract：Nowadays, control schemes of induction motor are always achieved in the way of program with DSP. The period of the project is long, and the process is complex because of hard work programming. While dSPACE is a software and hardware platform for the real-time control system based on Matlab/Simulink. It has no program, but excellent real-time performance and high reliability. The time of the development is short. On the basis of dSPACE system, a new AC drive experimental platform was developed. Based on analyses of stator flux orientation control theory, a real-time decoupling control system was established in Matlab/Simulink using the method of rapid control prototype. It was actualized on the platform as well. The results of the experiment prove the feasibility of decoupling control. Simultaneity, the reliability of the platform is verified.Keywords：induction motor dSPACE platform stator flux-oriented decoupling control1 引言在现代交换调速系统中，以微处置惩罚器为焦点的数字控制，已经成为交换调速控制器的主要形式1。早期用于电机控制的微处置惩罚器是种种类型的单片机，为了进一步提高运算速度，特别是针对矢量控制这种庞大控制方案和数据盘算要求较高的场所，80年代初出现了数字信号处置惩罚器* 教诲部博士总基金项目(20050299009)（DSP），然而由于控制算法的庞大性，在工程实践中算法的实现根本上都是接纳编写软件的要领予以实现，同时为了验证控制算法的有效性，需要编写大量的步伐代码，重复进行大量的实验，导致整个系统的开发周期很长。dSPACE是基于Matlab/Simulink的控制系统开发及测试的事情平台，与Matlab/Simulink实现了无缝连接2。其在处置惩罚速度、响应时间及数据的收罗3个方面上满足了实时系统的要求。别的，dSPACE实时内核接纳RMS（Rate Monolithic Schedule）调治计谋，借助Matlab中的RTW（Real-Time Workshop）与RTI（Real-Time Interface）相结合，实现对Matlab/Simulink仿真模型的自动编译、连接，并将实时代码下载到硬件中运行，无需代码编程。本文以dSPACE为焦点开发设计了一种新型交换调速实验平台系统。通过一种感到电机定子磁场定向解耦控制算法在dSPACE交换调速系统实验平台上的实现，验证了实验平台的有效性。结果表明，该系统可精确实时的丈量电机速度、定子电流及整流侧直流母线电压，为交换电机庞大控制计谋的实现提供了方便可靠的实时验证平台。2 实验平台体系结构2.1 dSPACE简介dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于Matlab/Simulink的控制系统在实时情况下的开发及测试事情平台。dSPACE实时系统由硬件系统和软件情况两大部门组成。其中硬件系统的主要特点是具有高速盘算能力，包罗高速处置惩罚器和I/O接口等；软件情况可以方便地实现代码生成、下载和调试、试验等事情。软件情况主要由两大部门组成，一部门是实时代码的生成和下载软件RTI3，它通过RTW扩展，实现从Simulink模型到dSPACE实时硬件代码的自动下载；另一部门为测试软件4，其中包罗了ControlDesk等综合实验与测试情况软件。dSPACE将系统开发的种种功效与历程进行了集成和一体化，即从一个产物的观点设计到数学阐发和仿真，从实时仿真实验，到实验结果的监控和调治都可以集成到一套平台中来完成。2.2 实验硬件系统一个高性能的交换调速控制系统，其硬件根本由两大部门组成：一是由整流电路、滤波元件和逆变器组成的功率模块，其主要功效是给电机提供电压和频率可变的电源，从而驱动电机运行；二是由控制器、检测单位（电流、电压、转速等）、及驱动掩护电路组成的控制检测模块，其主要功效是吸收反馈信号，并在处置惩罚器中经过相应的运算后产生种种控制信号（主要是逆变模块的开关控制信号）。本实验平台主要由专用智能功率模块、电流/电压霍尔传感器、光电编码器速度检测单位、dSPACE实时仿真系统和产业控制盘算机组成。硬件系统结构如图1所示。功率模块可以接纳交直交变压变频方法，也可接纳交交变压变频方法。本文的变频调速系统使用了以专用智能功率模块PS12036为焦点的交图1 实验平台硬件结构直交变压变频方法，其整流电路和逆变电路都集成在一块智能功率模块中。控制检测模块中，霍尔效应电流传感器用于检测定子两相电流，传感器将感到电机的相电流转换成微小电流信号，经信号调治电路后送入dSPACE板内的两路12位的ADC接口；霍尔效应电压传感器用于检测直流母线电压，传感器将直流母线电压转换成微小电流信号，经信号调治电路后送入dSPACE板内的一路12位的ADC接口；光电编码器将检测出的转子位置角信号转换成两路正交脉冲信号后，直接送到dSPACE的专用增量编码器接口中，经盘算得到电机转速。实验硬件焦点所接纳的DS1103 PPC控制器板是dSPACE公司开发系统中功效较为富厚的一种。DS1103使用PowerPC处置惩罚器（604e/400MHz主处置惩罚器）进行浮点运算，具有存储步伐和存储数据及与主机进行数据互换的功效。别的，该控制器板还集成了一个以TI公司的TMS320F240 DSP为焦点的I/O子系统，可凭据算法要求产生PWM控制信号。dSPACE交换调速系统实验平台实物照片如图2所示。图2 dSPACE交换调速系统实验平台2.3 实验软件系统代码生成和下载软件(RTI)中，描述控制系统的C代码可以由Simulink方框图自动生成并下载到实时系统硬件中，该功效主要由Matlab/RTW与dSPACE系统中的RTI完成。RTI使用图形操纵方法，可方便的将RTI库中选定的相应I/O模块拖放至用户所搭建的Simulink系统模型方框图中，经过相应的参数设置后，通过对话框中的Build命令，将实时代码自动编译下载至硬件并启动实时模型。另外，RTI还凭据系统模型方框图中的信号和参数产生一个变量文件，供监控东西软件ControlDesk进行变量访问，实现对试验历程的综合治理。3 速度电流电压丈量要领本系统中接纳的增量式光电编码器与传动轴连接，电机每转发出一定命量的脉冲（1024个/转），通过dSAPCE的光码盘输入通道将脉冲送入计数器并对脉冲的频率或周期进行丈量，再经过盘算即可间接得到电机的转速。转速检测的精度既与检测元件的辨别率有关，也与盘算要领有关。本系统选择测频法（M法）进行测速，其原理如下：在牢固时间Tc内，对光电编码器输出的脉冲计数，得到与转速成正比的脉冲数m，若光电编码器一周输出p个脉冲，则转速的盘算公式为： (1)式中，n的单位为r/min。为淘汰采样值的滋扰因素，提高系统的可靠性，要对转速、电流和电压进行了数字滤波，这里接纳了算术平均值滤波法，使输出值Y(u)与各采样值X(i)之间误差的平方和为最小，即： (2)由一元函数求极值原理得： (3)式中：Y(k)为第k次个采样的算术平均值；X(i)为第i次采样值；N为采样次数。接纳式(1)所示的测频速度检测要领及式(3)所示的平均值滤波算法，在Simulink下搭建速度检测框图如图3所示。电流丈量方面，感到电机定子三相绕组接纳无中线Y形连接方法，只有两相定子电流是独立的，因此只需检测其中的a，b相，c相定子电流可通图3 测频法速度检测模型框图过简朴盘算得到。电压丈量方面，感到电机定子相电压为由ASIPM输出的脉宽调制电压，含有富厚繁荣谐波，很难被步伐直接使用。因此本文接纳了利用直流母线电压凭据空间电压矢量算法进行重构的要领5。具体结构要领如下：首先令PWM三相占空比信号为S1，S2，S3，而感到电机定子每相电压均可由每相PWM信号占空比和直流母线电压Udc的乘积表现，盘算要领如式(4)所示： (4)同样所有霍尔传感器收罗的数据均经过平均值虑波以增强抗滋扰性。在Simulink下搭建电流、电压收罗框图如图4所示。图4 电压、电流收罗模型框图4 定子磁场定向解耦控制感到电机系统中，由于定子绕组没有中线，且电机东西的转子为鼠笼式绕组，因此转子端电压为零，又因为在两相同步旋转d-q坐标系下的定子磁场定向控制中，取d轴偏向和定子磁场偏向一致，因此qs=0，ds=s。凭据感到电机磁场定向矢量控制的数学模型，令Tr=Lr/Rr ，=1-Lm2/LsLr，可得 6：式中：，I，R分别表现电机磁链、电流、电阻；下标s和r表现定子和转子；d和q表现两相旋转坐标系中的两个垂直分量；Ls，Lr，Lm分别为定子电感、转子电感和互感；sl表现转差角频率；s为积分因子。上式表明，定子磁链s是关于d轴电流Ids和定子q轴电流Iqs的函数，即定子电流转矩分量与磁链分量之间存在耦合，这就意味着改变定子电流转矩分量Iqs，同时影响定子磁链。因此，接纳前馈控制的要领消除这种耦合效应，即可得到具有解耦特性的定子磁场定向矢量控制7，所接纳的感到电机按定子磁场定向解耦控制的结构原理图如图5所示。图5 感到电机按定子磁场定向控制系统的结构原理图图5虚线框中的解耦赔偿信号Idq叠加磁链控制器G的输出，产生磁链指令信号Idq*，即： （6） 将式（6）代入到式（5）第一行中可得：令(1sTr)Idq-TrslIqs=0，代入到式（5）第二行，化简得 （8）依据式（8）所确定的定子磁链s、定子d轴电流Iqs、定子q轴电流Ids与解耦赔偿信号Idq间的函数干系设计解耦赔偿，即可得到转速与磁链的解耦特性。5 dSPACE实现及结果阐发将以上定子磁场定向解耦控制算法在dSPACE交换调速系统实验平台上实现。控制东西为1.1kW的交换感到电机（电机参数如表1所示）。表1 电机参数变量数据变量数据额定功率PN1.1 kW定子电阻Rs5.9 额定电压VN380 V/220 V转子电阻Rr5.6 额定转速rN1400 r/min定子电感Ls0.574 H额定电流IN2.7 A转子电感Lr0.580 H极对数p2互感Lm0.55 H接纳dSPACE交换调速系统实现的感到电机按定子磁场定向解耦控制系统的Matlab/Simulink模型如图6所示。实验历程中电机空载运行，如图7所示为电机启动历程的转速、磁链响应波形。为了查验系统的解耦效果，分别进行了转速给定突变，磁链给定突变情况下的解耦试验，所得转速、磁链响应波形如图8所示。图6 接纳dSPACE实现的Matlab/Simulink模型图（a）转速波形(b)磁链波形图7 电机启动历程曲线（a）转速给定突解耦波形（b）磁链给定突变解耦波形图8 转速给定突变，磁链给定突变情况下的解耦试验波形阐发实验所得转速、磁链响应波形，在按定子磁场定向矢量控制方法下，如图7所示，电机启动转速波形险些无超调，响应时间短（约0.3 s），稳态误差小，启动历程中磁链波形有微小超调，响应时间较短（约0.6 s），稳态误差小，说明该控制要领的系统转速与磁链具有良好的消息态性能。在解耦验证试验中，当转速给定在8.5 s从20 rad/s跳变到60 rad/s时，磁链响应曲线变革微小，并在约1.5 s之后规复；当磁链给定在14 s从0.2 Wb/m2跳变到0.6 Wb/m2时，转速根本无变革，实现了转速与定子磁链的解耦，如图8所示。6 结论本文构建了一种dSAPCE开发系统为焦点的新型交换调速系统实验平台。同时研究了感到电机定子磁场定向解耦控制要领，并在新型实验平台上予以乐成实现，验证了平台的可靠性与实用性。解耦控制实验充实说明，该平台算法开发周期短、实时性好、可靠性高、为电机控制算法的开发节省了时间与资金，为新的庞大的电机控制计谋的提出，提供了良好的验证平台和实验条件。参考文献1 Mohamadian M, Nowicki E P, Ashrafzadeh F. A novel Neural Network Controller and Its Efficient DSP Implementation for Vector-controlled Induction Motor drivesJ.IEEE Transactions on Industry Applications, 39(6)：1 622-1 6292 杨涤，李立涛，杨旭等系统实时仿真开发情况与应用M北京：清华大学出书社，20023 dSPACE. Implementation Guide For Release 4.0 M. Paderborn dSPACE GmbH，20034 dSPACE. Experiment Guide For Release 4.0 M. Paderborn dSPACE GmbH，20035 陈坚电力电子学电力电子变更和控制技能M北京：高等教诲出书社，20026 高景德，李发海交换电机及其系统的阐发M北京：清华大学出书社，20057 Bimal K.Bose. Modern Power Electronics and AC DrivesM. Beijing: China Machine Press，2004