【文章內(nèi)容簡介】 MSM 控制性能、降低成本在系統(tǒng)控制策略上作了大膽的探索和研究，提出了一些新的思路，采用了一些具有智能性的先進(jìn)控制策略并取得了一些具有實用性意義的成果。但是 永 磁同步電機(jī) 自身就是具有一定非線性、 強(qiáng)耦合 及時變性的“系統(tǒng)”，同時其調(diào)速對象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運(yùn)行時還受到不同程度的 干擾 ，因此按常規(guī)控制策略是很難滿足高性能 永磁同步電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)的控制要求。為此，如何結(jié)合控制理論新的發(fā)展，引進(jìn)一些先進(jìn)的“復(fù)合型控制策略”以改進(jìn)作為 永磁同步電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)核心組成部件的“控中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 頁 制器”性能，來彌補(bǔ)系統(tǒng)中以“硬形式”存在的“硬約束”，理應(yīng)是當(dāng)前發(fā)展高性能 PMSM 調(diào)速系統(tǒng)的一個主要“突破口”。 永磁同步電機(jī) 矢量控制技術(shù) 七十 年代提出的矢量控制理論其基本思想是在普通的 三相交流電動機(jī)上設(shè)法模擬直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵磁電分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩個分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就和直流電動機(jī)相似了。因此矢量控制的關(guān)鍵仍是對電流矢量的幅值和空間位置（頻率和相位）的控制。 矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實施仍然是落實到對定子電流（交流量）的控制上。由于在定子側(cè)的各個物理量，包括電壓、電流、電動勢、磁動勢等，都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)， 調(diào)節(jié)、控制和計算都不是很方便。因此，需要借助于坐標(biāo)變換，使得各個物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，然后，站在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上進(jìn)行觀察，電動機(jī)的各個空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標(biāo)系上的各個空間矢量就都變成了直流量，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式的幾種形式，找到轉(zhuǎn)矩和被控量的各個分量之間的關(guān)系，實時的計算出轉(zhuǎn)矩控制所需要的被控矢量的各個分量值，即直流給定量。按照這些定量進(jìn)行實時控制，就可以達(dá)到直流電動機(jī)的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構(gòu)的，所以還必須再經(jīng)過坐標(biāo)的逆變換過程，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到靜 止坐標(biāo)系，把上述的直流給定量變化成實際的交流給定量，在三相定子坐標(biāo)系上對交流量進(jìn)行控制，使其實際值等于給定值。 永磁同步電機(jī)矢量控制的實質(zhì)是對定子電流的控制來實現(xiàn)交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)速在基速以下時，在定子電流給定的情況下，控制 d 0I ? ，可以更有效的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這時電磁轉(zhuǎn)矩 e p f ?? ，電磁轉(zhuǎn)矩就隨著 qI 的變化而變化。在控制系統(tǒng)只要控制 qI 大小就能控制轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)矢量控制。然而轉(zhuǎn)速在基速以上時，因為永久磁鐵的勵磁磁鏈為常數(shù)，電動機(jī)感應(yīng)電動勢隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速成比例增加。電動機(jī)感應(yīng)電壓也跟著提高，但是又要受到與電機(jī)端相連的逆變器的電壓上限的限制，所以必須進(jìn)行弱磁升速。通過控制 dI 來控制磁鏈，通過控制 qI 來控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)矢量控制。 永磁同步電機(jī)矢量控制很容易實現(xiàn)，只要使實際的 dI 、 qI 與給定的 dI 、 qI 相等，也就滿足了實際控制的需要。在實際控制中，向電機(jī)定子注入的和從定子檢中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 測的電流都不是 dI 、qI而是三相電流，所以必須進(jìn)行坐標(biāo)變化。又因為 dq 坐標(biāo)系是定義在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，所以要實現(xiàn)坐 標(biāo)變化必須在控制中實時檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。 dSPACE 實時仿真系統(tǒng) dSPACE 簡介 dSPACE 實時仿真系統(tǒng)是由德國 dSPACE 公司開發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink 的控制系統(tǒng)在實時環(huán)境下的開發(fā)及測試工作平臺，實現(xiàn)了和MATLAB/Simulink 的無縫連接。 dSPACE 的開發(fā)目的是將系統(tǒng)或產(chǎn)品開發(fā)諸功能與過程一體化集成，即從一個產(chǎn)品的概念設(shè)計到數(shù)學(xué)分析和仿真，從實時仿真試驗的實現(xiàn)到試驗結(jié)果和監(jiān)控和調(diào)節(jié)都可以集成到一套平臺來完成。 dSPACE 具有許多其他仿真系統(tǒng)所不能比擬 的優(yōu)點： dSPACE 組合性很強(qiáng)?？梢岳脴?biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)對仿真系統(tǒng)進(jìn)行多種組合，以滿足不同用戶的需求。另外對不同用戶而言，可以在運(yùn)算速度不同的多處理器之 間進(jìn)行選擇，還可以選擇不同的 I/O 配置，以組成不同的應(yīng)用系統(tǒng)。 dSPACE 的過渡性和快速性好。由于 dSPACE 能與 MATLAB 進(jìn)行無縫連接，使 MATLAB 用戶可以輕松地掌握 dSPACE 的使用，從而方便地從非實時分析、設(shè)計過渡到實時的分析和設(shè)計上來，也正是由于這種無縫連接，使用戶可以在幾分鐘之內(nèi)就可以完成模型參數(shù)的修改以及代碼的生成和下載等工作，從而在 短時間內(nèi)就可以完成對所設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)更改和實驗，大大節(jié)省了時間和費(fèi)用。 實時性好、可靠性高。 dSPACE 實時系統(tǒng)硬件、代碼生成及下載軟件、試驗工具軟件不用考慮任何兼容性問題，代碼一旦下載到實時系統(tǒng)中后，代碼本身將是獨(dú)立運(yùn)行的，試驗工具軟件只是通過內(nèi)存映射訪問實驗過程中的各種參數(shù)及結(jié)果變量，不會產(chǎn)生對試驗過程的中斷，因此它的實時性和可靠性都很好。 dSPACE實時系統(tǒng)主要有硬件、軟件二大部分組成。其中硬件系統(tǒng)的主要特點是具有高速計算能力，包括處理器和 I/O 接口等；軟件環(huán)境可以方便地實現(xiàn)代碼生成 /下載 和試驗 /調(diào)試工作。 dSPACE 的硬件系統(tǒng)主要有二大類：一是單板系統(tǒng)，即把處理器和 I/O 集成到了一個板子上，形成一個完整的實時仿真系統(tǒng)（例如 ds1104 等控制器板）；二是標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)，它是將實時處理器和用戶接口完全分開，以實現(xiàn)處理器能力和 I/O 能力的自由擴(kuò)展，處理器和 I/O 之間的通信由 PHS（ Peripheral HighSpeed Bus）總線實現(xiàn)（例如 ds1005）。 dSPACE 軟件環(huán)境主要由兩大部分組成：一部分是實時代碼的生成和下載軟件RTI，它是連接在 dSPACE 實時系統(tǒng)與 MATLAB/Simulink 的紐帶，通過 RTW 擴(kuò)展，中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 6 頁 可實現(xiàn)從 Simulink 模型到 dSPACE 實時硬件代碼的自動下載。 RTI 可以處理連續(xù)系統(tǒng)、時變系統(tǒng)、混合系統(tǒng)和多采樣頻率系統(tǒng)，當(dāng)仿真的系統(tǒng)比較復(fù)雜，單處理器系統(tǒng)難以完成時，可能就需要多個處理器并行工作，這時就需要 RTI－ MP17 的幫助以完成多處理器系統(tǒng)的設(shè)計并建立多處理器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括多處理器之間的通信。另一部分是測試軟件，其中包含了綜合實驗與測試環(huán)境 ControlDesk、自動試驗及參數(shù)調(diào)整軟件 MLIB/MTRACE、 PC 與實時處理器通信軟件 CLIB 以及實時動畫軟件 RealMotion等。 ControlDesk是 dSPACE 開發(fā)的最為關(guān)鍵的試驗工具軟件，雖然控制器的開發(fā)和仿真模型的建立還是使用 MATLAB/Simulink，但是模型一旦已經(jīng)通過 RTI 實現(xiàn)并下載到實時仿真系統(tǒng)后， ControlDesk 就可以完成對實時硬件的圖形化管理、用戶虛擬儀表的建立、變量（參數(shù)） 的可視化管理、試驗過程自動化等功能。正是由于上述優(yōu)點，使得 dSPACE 從誕生之日起就引起了廣泛的關(guān)注。目前， dSPACE 在一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、發(fā)動機(jī)、機(jī)器人及工業(yè)控制等領(lǐng)域。在國內(nèi)，越來越多的高 校、研究部門、企業(yè)開始用 dSPACE來解決在實際工具中碰到的問題。而且，也正是由于 dSPACE 的存在，使得控制系統(tǒng)的開發(fā)、產(chǎn)品型控制器的仿真測試變得更加方便易行，大大加快了新產(chǎn)品的研制速度，也使技術(shù)研究人員對控制算法及仿真測試方案的研究進(jìn)入更高的境界。 dSPACE 的實時仿真功能 對進(jìn)行控制算法研究的工程師而言，都希望找到一個方便快捷的途徑，可以將他們用控制系統(tǒng)設(shè)計軟件（如 MATLAB/Simulink）開發(fā)的控制算法在一個實時的硬件上實現(xiàn)，以觀察與某些實物（部件）相連時控制算法的性能，而且如果 控制算法不理想時，還可以迅速地進(jìn)行反復(fù)設(shè)計以找到理想的控制方案。另一方面，如果產(chǎn)品開的控制器生產(chǎn)出來后，可能由于控制對象還處于研制階段，或得不到真實的控制對象，那么工程師就希望找到一個方便的途徑來獨(dú)立完成對控制器的測試。 dSPACE 的快速原型控制（ RCP）和硬件在回路仿真（ HIL）這二個功能可以很好地解決這二個問題。要實現(xiàn)快速控制原型，必須有集成良好便于使用的建模、設(shè)計、離線仿真、實時開發(fā)及測試工具。 dSPACE 實時系統(tǒng)允許反復(fù)修改模型設(shè)計，進(jìn)行離線和實時仿真。這樣，就可以將錯誤及不當(dāng)之處消除于設(shè)計初期，使 設(shè)計修改費(fèi)用減至最低。使用 RCP 技術(shù)，可以在費(fèi)用和性能之間進(jìn)行折衷；在最終產(chǎn)品硬件投產(chǎn)之前，仔細(xì)研究諸如離散化及采樣頻率等的影響、算法的性能等問題。通過將快速原型硬件系統(tǒng)與所要控制的實際設(shè)備相連，可以反復(fù)研究使用不同傳感器及驅(qū)動機(jī)構(gòu)時系統(tǒng)的性能特征。而且，還可以利用旁路（ BYPASS）技術(shù)將原型電控單 ECU(Electronic Control Unit）或控制器集成于開發(fā)過程中，從而逐步完成從原型控制器到產(chǎn)品型控制器的順利轉(zhuǎn)換。 RCP 的關(guān)鍵是硬件代碼的自動生成和下載。當(dāng)新型控制系統(tǒng)設(shè)計結(jié)束，并已制成產(chǎn)品型 控制器，需要在閉環(huán)下對其進(jìn)行詳細(xì)測試。但由于種種原因如：極限測試、失效測試及在真實環(huán)境中測試費(fèi)用較昂貴等，使測試難以進(jìn)行，例如：在積雪覆蓋的路面上進(jìn)行汽車防抱死裝置（ ABS）控制器的小摩擦測試就只能在冬季有雪的天氣進(jìn)行；有時為了縮短開發(fā)周期，甚至希望在控制器運(yùn)行環(huán)境不存在的情況下（如：控制對象與控制器并行開發(fā)），對其進(jìn)行測試。 dSPACE 實時仿真系統(tǒng)的 HIL 仿真就非常適合解決這一類的問題。不論 RCP 還是 HIL，實時仿真都是非常重要的。實時仿真需要中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 的計算能力很大一部分取決于仿真模型的特征：如果它包含了大量的計 算過程，則需要提供很強(qiáng)的計算能力，否則計算時間就不會滿足實時的要求。 課題的研究背景、意義 隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，以 永磁同步電機(jī) 作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展得以極大的邁進(jìn)。以 DSP 為核心的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，由于其控制靈活，智能化水平高，參數(shù)易修改，便于分布式控制等，已成為當(dāng)今交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。由于調(diào)速控制技術(shù)是決定交流調(diào)速系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時這也是國外交流調(diào)速技術(shù)封鎖的主要部分。隨著國內(nèi)交流調(diào)速用電機(jī)及驅(qū)動器等硬件技術(shù)逐步成熟，以軟形式存 在于控制芯片中的調(diào)速控制技術(shù)成為制約我國高性能交流調(diào)速技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸。所以，雖然國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場的大部分還是被國外公司所占據(jù)，為了加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對國際變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢有一個全面的了解和學(xué)習(xí)，并且有所創(chuàng)新。因此研究高性能交流調(diào)速控制技術(shù)，尤其是最具應(yīng)用前景的 永磁同步電機(jī) 調(diào)速控制技術(shù)，具有重要的理論意義和實用價值。 課題的主要內(nèi)容 本課題研究的是基于 dSPACE 的 永磁同步電機(jī) 矢量控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)中 ,在永磁同步電機(jī)矢量控制的前 提下采用速度和電流雙閉環(huán)的控制，并以 dSPACE 為 控制核心，結(jié)合一定的外圍電路，通過調(diào)試，進(jìn)行實驗驗證。研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面 : (1)永磁同步電機(jī)矢量控制理論分析。分析 PMSM 工作原理 并根據(jù)其 非線性、強(qiáng) 耦合的特點，利用矢量變換對電機(jī)模型進(jìn)行解耦，建立了永磁同步電機(jī) 速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)控制的數(shù)學(xué)模型，同時 分析 了坐標(biāo)變換的原理和方法。 (2)采用一種空間電壓矢量 (SVPWM)控制技術(shù)，并對其原理及實際應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析和仿真論證。 (3)在 MATLAB/Simulink 中對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，觀 察了電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、 定子線 電流波形。 (4)硬件電路的設(shè)計和調(diào)試。 借助增量式編碼器、電壓傳感器、電流傳感器將檢測出的模擬量反饋值通過 dSPACE 的 I/O 接口送入 PC 機(jī) 進(jìn)行計算 ，然后觀察電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置角的波形和電流波形。 (5)進(jìn)行實驗驗證，并就實驗結(jié)果進(jìn)行分析。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理 永磁同步電機(jī) 的數(shù)學(xué)模型 本系統(tǒng)采用的是凸極 面 貼 式 永磁同步電機(jī)，其物理模型如圖 所示，其中f?為 永磁磁極產(chǎn)生的與定子交鏈的磁鏈， ? 是轉(zhuǎn)子磁鏈與定子 A 相繞組軸線之間的電角度。 Af??ZABCYCXB 圖 永磁同步電機(jī)物理模型 永磁同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時其定子與轉(zhuǎn)子處于相對運(yùn)動狀態(tài)，永磁磁極與定子繞組，定子繞組與轉(zhuǎn)子之間的相互影響，導(dǎo)致 永磁同步電機(jī) 內(nèi)部電磁關(guān)系十分復(fù)雜， 再加上磁路飽和等非線性因素，給電機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立帶來了很大的困難。為了簡化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，我們 做以下 假設(shè)： 1）忽略磁路中鐵心的磁飽和； 2）不計鐵心的渦流損耗與磁滯損耗； 3）定子 電樞繞組的空載電勢是正弦波； 4）轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組； 5）永磁材料的電導(dǎo)率為零。 永磁同步電機(jī)矢量控制中要用到的坐標(biāo)系分兩大類，一類是靜止坐標(biāo)系，包括 三相 A、 B、 C 坐標(biāo)系和兩相 ? ， ? 坐標(biāo)系；另一類是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，常用的是兩相 d ,q 坐標(biāo)系。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 在滿足功率不變的條件下，可以將 永磁同