基于dSPACE的横向磁通永磁电机控制

2013-03-03戴茵茵林宇洲

华侨大学学报（自然科学版） 2013年2期

戴茵茵，林宇洲

（1.华侨大学信息科学与工程学院，福建厦门361021；2.华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉430074）

横向磁通永磁电机（transverse-flux permanent magnet motor，简称TFPMM）是德国教授 Weh提出的一种新型电机结构形式.该结构理论上克服了传统电机齿槽处在同一截面，几何尺寸相互制约的缺陷，并可同时增大电机电负荷和磁负荷，从根本上提高了电机转矩密度，特别适合低速、大转矩、直接驱动等场合［1-2］.目前，国内外对TFPMM的研究主要集中在电机本体结构设计和电磁场分析这两方面，而对驱动控制系统方面的研究相对较少［3］.虽然TFPMM驱动控制策略可借鉴传统电机的控制，但作为一种新型电机结构，毕竟有其特殊性.德国dSPACE公司开发了一套基于MATLAB／Simulink的dSPACE实时仿真系统.该仿真系统能将被控对象以实物的形式连接在仿真回路上，允许反复修改控制器模型并进行实时仿真，直至找到理想的控制方案，这为研究驱动TFPMM更加复杂的控制算法提供了基础.本文在MATLAB／Simulink离线仿真基础上，设计了以dSPACE为核心的横向磁通永磁电机控制系统实验平台.

1 MATLAB／Simulink离线仿真

1.1 TFPMM数学模型

TFPMM虽是一种新型结构的电机，但仍属于同步电机范畴［4］，工作于无刷直流驱动模式下.因此，其数学模型可仿照无刷直流电机的数学模型建立.与无刷直流电机不同的是，TFPMM三相磁路无耦合，相之间不存在互感.TFPMM电压方程、电磁转矩方程及运动方程分别为

式（1）～（3）中：ua，ub，uc均为定子相电压；ia，ib，ic均为定子相电流；ea，eb，ec均为定子相绕组反电动势；R为相电阻；L为每相绕组的自感；p＝d／dt是微分算子；Te为电磁转矩；Ω为转子机械角速度；TL为负载转矩；J为转动惯量.

1.2 TFPMM控制系统仿真模型

TFPMM控制系统采用速度和电流双闭环无刷直流控制方案，在MATLAB／Simulinik软件环境下，应用模块化建模方法构建的TFPMM控制系统仿真模型，如图1所示.图1中的各主要功能模块分别是：TFPMM本体、逆变器脉冲宽度调制驱动信号、霍尔位置信号、速度PI调节、电流滞环调节等.TFPMM本体依据TFPMM数学模型搭建，其参数配置和实验样机参数一致.考虑该模型要实现与dSPACE的连接，此控制系统仿真模型中模拟了霍尔位置传感器的作用.

图1 TFPMM双闭环控制系统仿真模型Fig.1 Model of double-closed loop control system of TFPMM

1.3 仿真结果的分析

TFPMM双闭环控制系统仿真波形图，如图2所示.图2（a）中：参考转速n＝200 r·min-1；t＝0.5 s；额定负载TL＝45 N·m.由图2（a）可知：电机起动后很快达到给定转速并稳定下来，且负载变化时，由于双闭环的调节作用，转速基本不受干扰，始终稳定在给定值.图2（b）给出了相反电势与相电流的仿真波形.由图2（b）可知：TFPMM反电势波形接近正弦波，这与对TFPMM样机做发电机实验得出的结果相一致，说明该控制系统仿真模型能够反映实际电机性能.

图2 TFPMM双闭环控制系统仿真波形图Fig.2 Simulation waves of TFPMM control system

2 基于dSPACE的实验控制系统

dSPACE系统最大的特点是实现了与MATLAB／Simulink的完全无缝连接，并拥有实时性强，可靠性高，扩充性好等优点.它主要由硬件系统和软件环境两部分组成，其强大的软件环境支持在线模型代码的自动生成、编译、链接，下载，并实现对实际对象的实时驱动控制［5］.

2.1 系统硬件构成

TFPMM控制系统实验平台结构框图，如图3所示.平台结构包括了以dSPACE和计算机为基础的控制核心、逆变器电路、信号检测电路、光耦隔离电路和TFPMM实验样机等几部分.其中计算机部分主要用于系统在线模型的设计，实时代码的生成、下载，以及实验仿真的研究.

图3 TFPMM控制系统实验平台结构框图Fig.3 Diagram of TFPMM control system for experiment

dSPACE硬件平台采用DS1103PPC作为控制算法处理核心，承担所有的实时计算.逆变器的功率器件采用IGBT（insulated gate bipolar transistor）智能功率模块（IPM），其额定值为60 V，80 A.IPM内部集成了三相逆变桥、驱动电路、制动电路和保护电路.在实际应用中，只要辅以光耦隔离电路，驱动电源，以及各开关管子的PWM控制信号即可.三路霍尔位置传感器提供转子位置，及计算电机的实际转速.两路霍尔电流传感器将检测到的定子相电流通过隔离转换，送入DS1103PPC处理器.经过相应的算法处理后，便可产生使各IGBT管依次开通的PWM脉冲信号，驱动TFPMM的运转.

2.2 系统软件实现

在实际控制系统中，用实物替代图1中的TFPMM、逆变器等模块，引入相应的I／O，D／A转换接口，并对其进行相应配置，便可得到控制系统快速控制原型，如图4所示.图4中：Subsystem模块为MATLAB离线仿真所搭模块的封装；虚线框表示实际电路的接口.

利用 MATLAB中的RTW（real time workshop）与dSPACE系统中的RTI（real time interface），Simulink模型生成dSPACE系统可执行程序代码，并将其下载到硬件中.RTI根据信号参数，产生一个变量文件，借助于测试软件ControlDesk，建立虚拟仪表，对数据进行采集、变量访问、参数在线调试［6］.运用Control Desk所建立的虚拟控制实验面板，如图5所示.该控制面板可对仿真参数如PI系数、给定转速值等进行在线修改，还可实时跟踪显示各参量波形.

图4 控制系统快速控制原型Fig.4 Rapid control prototype

图5 Controldesk综合控制实验面板Fig.5 Control panel built by Controldesk for experiment

2.3 实验结果分析

实验采用的TFPMM实验样机为三相Y形连接、8对极、外转子轮毂结构.实验中，额定电压为60 V，额定电流为50 A.在给定转速n＝200 r·min-1，电机负载转矩TL＝35 N·m下，通过Controldesk综合控制实验面板，观测到的电机相电流波形，以及用示波器测量的电机相电流波形，分别如图6，7所示.通过软件计算所得出实际转速为199.392 r·min-1.这与给定转速基本一致，也与用测速工具所测量结果基本一致，说明了本双闭环控制系统能较好地实现电机的稳速性能.对比实验与仿真结果，进一步论证了该控制系统方案的可行性.