新型交流调速系统实验平台的研究-中国电气传动网欢迎您光临.doc

2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作*新型交流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，感应电机复杂控制方法的实现多采用DSP与软件编程的方法，其开发过程复杂，代码编写工作繁重，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为核心的新型交流调速系统实验平台，并在分析定子磁场定向解耦控制的基础上，利用dSPACE的快速控制原型方式和dSPACE系统的软硬件环境，在Matlab/Simulink中建立了感应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流电机磁链与速度的解耦性能，同时验证了该交流调速系统实验平台的可靠性。关键字：感应电机 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 引言在现代交流调速系统中，以微处理器为核心的数字控制，已经成为交流调速控制器的主要形式1。早期用于电机控制的微处理器是各种类型的单片机，为了进一步提高运算速度，特别是针对矢量控制这种复杂控制方案和数据计算要求较高的场合，80年代初出现了数字信号处理器* 教育部博士总基金项目(20050299009)（DSP），然而由于控制算法的复杂性，在工程实践中算法的实现基本上都是采用编写软件的方法予以实现，同时为了验证控制算法的有效性，需要编写大量的程序代码，反复进行大量的实验，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工作平台，与Matlab/Simulink实现了无缝连接2。其在处理速度、响应时间及数据的采集3个方面上满足了实时系统的要求。此外，dSPACE实时内核采用RMS（Rate Monolithic Schedule）调度策略，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为核心开发设计了一种新型交流调速实验平台系统。通过一种感应电机定子磁场定向解耦控制算法在dSPACE交流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测量电机速度、定子电流及整流侧直流母线电压，为交流电机复杂控制策略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的控制系统在实时环境下的开发及测试工作平台。dSPACE实时系统由硬件系统和软件环境两大部分组成。其中硬件系统的主要特点是具有高速计算能力，包括高速处理器和I/O接口等；软件环境可以方便地实现代码生成、下载和调试、试验等工作。软件环境主要由两大部分组成，一部分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；另一部分为测试软件4，其中包含了ControlDesk等综合实验与测试环境软件。dSPACE将系统开发的各种功能与过程进行了集成和一体化，即从一个产品的概念设计到数学分析和仿真，从实时仿真实验，到实验结果的监控和调节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流调速控制系统，其硬件基本由两大部分组成：一是由整流电路、滤波元件和逆变器组成的功率模块，其主要功能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、检测单元（电流、电压、转速等）、及驱动保护电路构成的控制检测模块，其主要功能是接收反馈信号，并在处理器中经过相应的运算后产生各种控制信号（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元、dSPACE实时仿真系统和工业控制计算机组成。硬件系统结构如图1所示。功率模块可以采用交直交变压变频方式，也可采用交交变压变频方式。本文的变频调速系统使用了以专用智能功率模块PS12036为核心的交图1 实验平台硬件结构直交变压变频方式，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，传感器将感应电机的相电流转换成微小电流信号，经信号调理电路后送入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，经信号调理电路后送入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，经计算得到电机转速。实验硬件核心所采用的DS1103 PPC控制器板是dSPACE公司开发系统中功能较为丰富的一种。DS1103使用PowerPC处理器（604e/400MHz主处理器）进行浮点运算，具有存储程序和存储数据及与主机进行数据交换的功能。此外，该控制器板还集成了一个以TI公司的TMS320F240 DSP为核心的I/O子系统，可根据算法要求产生PWM控制信号。dSPACE交流调速系统实验平台实物照片如图2所示。图2 dSPACE交流调速系统实验平台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，该功能主要由Matlab/RTW与dSPACE系统中的RTI完成。RTI使用图形操作方式，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还根据系统模型方框图中的信号和参数产生一个变量文件，供监控工具软件ControlDesk进行变量访问，实现对试验过程的综合管理。3 速度电流电压测量方法本系统中采用的增量式光电编码器与传动轴连接，电机每转发出一定数量的脉冲（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测量，再经过计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分辨率有关，也与计算方法有关。本系统选择测频法（M法）进行测速，其原理如下：在固定时间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，则转速的计算公式为： (1)式中，n的单位为r/min。为减少采样值的干扰因素，提高系统的可靠性，要对转速、电流和电压进行了数字滤波，这里采用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。采用式(1)所示的测频速度检测方法及式(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。电流测量方面，感应电机定子三相绕组采用无中线Y形连接方式，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单计算得到。电压测量方面，感应电机定子相电压为由ASIPM输出的脉宽调制电压，含有丰富繁荣谐波，很难被程序直接使用。因此本文采用了利用直流母线电压根据空间电压矢量算法进行重构的方法5。具体构造方法如下：首先令PWM三相占空比信号为S1，S2，S3，而感应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的乘积表示，计算方法如式(4)所示： (4)同样所有霍尔传感器采集的数据均经过平均值虑波以增强抗干扰性。在Simulink下搭建电流、电压采集框图如图4所示。图4 电压、电流采集模型框图4 定子磁场定向解耦控制感应电机系统中，由于定子绕组没有中线，且电机对象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轴方向和定子磁场方向一致，因此qs=0，ds=s。根据感应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分别表示电机磁链、电流、电阻；下标s和r表示定子和转子；d和q表示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表示转差角频率；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，采用前馈控制的方法消除这种耦合效应，即可获得具有解耦特性的定子磁场定向矢量控制7，所采用的感应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 感应电机按定子磁场定向控制系统的结构原理图图5虚线框中的解耦补偿信号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与解耦补偿信号Idq间的函数关系设计解耦补偿，即可获得转速与磁链的解耦特性。5 dSPACE实现及结果分析将以上定子磁场定向解耦控制算法在dSPACE交流调速系统实验平台上实现。控制对象为1.1kW的交流感应电机（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采用dSPACE交流调速系统实现的感应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。实验过程中电机空载运行，如图7所示为电机启动过程的转速、磁链响应波形。为了检验系统的解耦效果，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 采用dSPACE实现的Matlab/Simulink模型图（a）转速波形(b)磁链波形图7 电机启动过程曲线（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分析实验所得转速、磁链响应波形，在按定子磁场定向矢量控制方式下，如图7所示，电机启动转速波形几乎无超调，响应时间短（约0.3 s），稳态误差小，启动过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，说明该控制方法的系统转速与磁链具有良好的动静态性能。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，磁链响应曲线变化微小，并在约1.5 s之后恢复；当磁链给定在14 s从0.2 Wb/m2跳变到0.6 Wb/m2时，转速基本无变化，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开发系统为核心的新型交流调速系统实验平台。同时研究了感应电机定子磁场定向解耦控制方法，并在新型实验平台上予以成功实现，验证了平台的可靠性与实用性。解耦控制实验充分说明，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，为新的复杂的电机控制策略的提出，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环境与应用M北京：清华大学出版社，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换和控制技术M北京：高等教育出版社，20026 高景德，李发海交流电机及其系统的分析M北京：清华大学出版社，20057 Bimal K.Bose. Modern Power Electronics and AC DrivesM. Beijing: China Machine Press，2004