戴茵茵，林宇洲

（1.華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門361021；2.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

橫向磁通永磁電機(jī)（transverse-flux permanent magnet motor，簡稱TFPMM）是德國教授 Weh提出的一種新型電機(jī)結(jié)構(gòu)形式.該結(jié)構(gòu)理論上克服了傳統(tǒng)電機(jī)齒槽處在同一截面，幾何尺寸相互制約的缺陷，并可同時(shí)增大電機(jī)電負(fù)荷和磁負(fù)荷，從根本上提高了電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，特別適合低速、大轉(zhuǎn)矩、直接驅(qū)動(dòng)等場合［1-2］.目前，國內(nèi)外對(duì)TFPMM的研究主要集中在電機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電磁場分析這兩方面，而對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方面的研究相對(duì)較少［3］.雖然TFPMM驅(qū)動(dòng)控制策略可借鑒傳統(tǒng)電機(jī)的控制，但作為一種新型電機(jī)結(jié)構(gòu)，畢竟有其特殊性.德國dSPACE公司開發(fā)了一套基于MATLAB／Simulink的dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng).該仿真系統(tǒng)能將被控對(duì)象以實(shí)物的形式連接在仿真回路上，允許反復(fù)修改控制器模型并進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，直至找到理想的控制方案，這為研究驅(qū)動(dòng)TFPMM更加復(fù)雜的控制算法提供了基礎(chǔ).本文在MATLAB／Simulink離線仿真基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以dSPACE為核心的橫向磁通永磁電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái).

1 MATLAB／Simulink離線仿真

1.1 TFPMM數(shù)學(xué)模型

TFPMM雖是一種新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)，但仍屬于同步電機(jī)范疇［4］，工作于無刷直流驅(qū)動(dòng)模式下.因此，其數(shù)學(xué)模型可仿照無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立.與無刷直流電機(jī)不同的是，TFPMM三相磁路無耦合，相之間不存在互感.TFPMM電壓方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程及運(yùn)動(dòng)方程分別為

式（1）～（3）中：ua，ub，uc均為定子相電壓；ia，ib，ic均為定子相電流；ea，eb，ec均為定子相繞組反電動(dòng)勢；R為相電阻；L為每相繞組的自感；p＝d／dt是微分算子；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.

1.2 TFPMM控制系統(tǒng)仿真模型

TFPMM控制系統(tǒng)采用速度和電流雙閉環(huán)無刷直流控制方案，在MATLAB／Simulinik軟件環(huán)境下，應(yīng)用模塊化建模方法構(gòu)建的TFPMM控制系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示.圖1中的各主要功能模塊分別是：TFPMM本體、逆變器脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)、霍爾位置信號(hào)、速度PI調(diào)節(jié)、電流滯環(huán)調(diào)節(jié)等.TFPMM本體依據(jù)TFPMM數(shù)學(xué)模型搭建，其參數(shù)配置和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)一致.考慮該模型要實(shí)現(xiàn)與dSPACE的連接，此控制系統(tǒng)仿真模型中模擬了霍爾位置傳感器的作用.

圖1 TFPMM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型Fig.1 Model of double-closed loop control system of TFPMM

1.3 仿真結(jié)果的分析

TFPMM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真波形圖，如圖2所示.圖2（a）中：參考轉(zhuǎn)速n＝200 r·min-1；t＝0.5 s；額定負(fù)載TL＝45 N·m.由圖2（a）可知：電機(jī)起動(dòng)后很快達(dá)到給定轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定下來，且負(fù)載變化時(shí)，由于雙閉環(huán)的調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速基本不受干擾，始終穩(wěn)定在給定值.圖2（b）給出了相反電勢與相電流的仿真波形.由圖2（b）可知：TFPMM反電勢波形接近正弦波，這與對(duì)TFPMM樣機(jī)做發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果相一致，說明該控制系統(tǒng)仿真模型能夠反映實(shí)際電機(jī)性能.

圖2 TFPMM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真波形圖Fig.2 Simulation waves of TFPMM control system

2 基于dSPACE的實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)

dSPACE系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了與MATLAB／Simulink的完全無縫連接，并擁有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，擴(kuò)充性好等優(yōu)點(diǎn).它主要由硬件系統(tǒng)和軟件環(huán)境兩部分組成，其強(qiáng)大的軟件環(huán)境支持在線模型代碼的自動(dòng)生成、編譯、鏈接，下載，并實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際對(duì)象的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)控制［5］.

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

TFPMM控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示.平臺(tái)結(jié)構(gòu)包括了以dSPACE和計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的控制核心、逆變器電路、信號(hào)檢測電路、光耦隔離電路和TFPMM實(shí)驗(yàn)樣機(jī)等幾部分.其中計(jì)算機(jī)部分主要用于系統(tǒng)在線模型的設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)代碼的生成、下載，以及實(shí)驗(yàn)仿真的研究.

圖3 TFPMM控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Diagram of TFPMM control system for experiment

dSPACE硬件平臺(tái)采用DS1103PPC作為控制算法處理核心，承擔(dān)所有的實(shí)時(shí)計(jì)算.逆變器的功率器件采用IGBT（insulated gate bipolar transistor）智能功率模塊（IPM），其額定值為60 V，80 A.IPM內(nèi)部集成了三相逆變橋、驅(qū)動(dòng)電路、制動(dòng)電路和保護(hù)電路.在實(shí)際應(yīng)用中，只要輔以光耦隔離電路，驅(qū)動(dòng)電源，以及各開關(guān)管子的PWM控制信號(hào)即可.三路霍爾位置傳感器提供轉(zhuǎn)子位置，及計(jì)算電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速.兩路霍爾電流傳感器將檢測到的定子相電流通過隔離轉(zhuǎn)換，送入DS1103PPC處理器.經(jīng)過相應(yīng)的算法處理后，便可產(chǎn)生使各IGBT管依次開通的PWM脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)TFPMM的運(yùn)轉(zhuǎn).

2.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際控制系統(tǒng)中，用實(shí)物替代圖1中的TFPMM、逆變器等模塊，引入相應(yīng)的I／O，D／A轉(zhuǎn)換接口，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)配置，便可得到控制系統(tǒng)快速控制原型，如圖4所示.圖4中：Subsystem模塊為MATLAB離線仿真所搭模塊的封裝；虛線框表示實(shí)際電路的接口.

利用 MATLAB中的RTW（real time workshop）與dSPACE系統(tǒng)中的RTI（real time interface），Simulink模型生成dSPACE系統(tǒng)可執(zhí)行程序代碼，并將其下載到硬件中.RTI根據(jù)信號(hào)參數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)變量文件，借助于測試軟件ControlDesk，建立虛擬儀表，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、變量訪問、參數(shù)在線調(diào)試［6］.運(yùn)用Control Desk所建立的虛擬控制實(shí)驗(yàn)面板，如圖5所示.該控制面板可對(duì)仿真參數(shù)如PI系數(shù)、給定轉(zhuǎn)速值等進(jìn)行在線修改，還可實(shí)時(shí)跟蹤顯示各參量波形.

圖4 控制系統(tǒng)快速控制原型Fig.4 Rapid control prototype

圖5 Controldesk綜合控制實(shí)驗(yàn)面板Fig.5 Control panel built by Controldesk for experiment

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)采用的TFPMM實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為三相Y形連接、8對(duì)極、外轉(zhuǎn)子輪轂結(jié)構(gòu).實(shí)驗(yàn)中，額定電壓為60 V，額定電流為50 A.在給定轉(zhuǎn)速n＝200 r·min-1，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL＝35 N·m下，通過Controldesk綜合控制實(shí)驗(yàn)面板，觀測到的電機(jī)相電流波形，以及用示波器測量的電機(jī)相電流波形，分別如圖6，7所示.通過軟件計(jì)算所得出實(shí)際轉(zhuǎn)速為199.392 r·min-1.這與給定轉(zhuǎn)速基本一致，也與用測速工具所測量結(jié)果基本一致，說明了本雙閉環(huán)控制系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)速性能.對(duì)比實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果，進(jìn)一步論證了該控制系統(tǒng)方案的可行性.

圖6 虛擬控制面板參數(shù)及波形顯示Fig.6 Display of parameters and waves on the virtual panel

圖7 相電流實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Actual waves of a phase current

3 結(jié)束論

通過MATLAB／simulink軟件平臺(tái)與dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的相結(jié)合，構(gòu)建了新型TFPMM的速度和電流雙閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明：該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可靠性，為今后解決更復(fù)雜的TFPMM驅(qū)動(dòng)控制算法提供了基礎(chǔ).

［1］ 陳金濤，辜承林.新型橫向磁通永磁電機(jī)研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（15）：155-160.

［2］ 褚文強(qiáng)，辜承林.新型橫向磁通永磁電機(jī)磁場研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（24）：58-62.

［3］ 王建寬，施進(jìn)浩，江建中.橫向磁場永磁電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究［J］.微特電機(jī)，2005（11）：14-16.

［4］ 涂小濤.直驅(qū)式電動(dòng)汽車用新型橫向磁通永磁電機(jī)控制應(yīng)用研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2012：14-16.

［5］ 楊滌.系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真開發(fā)環(huán)境與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003：339-342.

［6］ 舒楊，李輝，孫永奎.基于dSPACE的無刷直流電機(jī)控制器快速開發(fā)方法［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（8）：2023-2025.