畢大強(qiáng), 郭瑞光, 陳洪濤

(清華大學(xué) 電機(jī)系 電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 北京 100084)

快速控制原形(RCP)技術(shù)近些年快速發(fā)展,被廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車測試領(lǐng)域,不僅加快了產(chǎn)品的快速研發(fā),而且在復(fù)雜環(huán)境下開始驗(yàn)證控制算法,減少了實(shí)驗(yàn)測試中的故障發(fā)生概率,加快先進(jìn)控制算法在產(chǎn)品中的應(yīng)用[1-4]。

文獻(xiàn)[5-6]采用dSPACE實(shí)時(shí)仿真設(shè)備設(shè)計(jì)對永磁無刷直流電機(jī)進(jìn)行了RCP設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[7]基于PXI和RT_LAB實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)快速原形設(shè)計(jì),但是使用設(shè)備多,增加了系統(tǒng)復(fù)雜度,同樣也增加了系統(tǒng)成本。文獻(xiàn)[8]基于RT_LAB設(shè)計(jì)了三電平H橋RCP實(shí)驗(yàn)平臺。文獻(xiàn)[9]采用dSPACE設(shè)計(jì)了基于RCP的混合動力控制系統(tǒng),驗(yàn)證了采用RCP控制符合實(shí)際系統(tǒng)工作需求。文獻(xiàn)[10]采用TI公司DSP2812實(shí)現(xiàn)快速控制原形控制器,采用Simulink自動代碼生成,但是其資源有限,并且只能采用定點(diǎn)運(yùn)算,制約了它在Simulink中的圖形化編程。文獻(xiàn)[11]將基于NI PXI的快速控制原形技術(shù)應(yīng)用在微電網(wǎng)仿真控制中,參與微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制。

在高校電氣工程專業(yè),為培養(yǎng)并提高學(xué)生將永磁同步電機(jī)控制技術(shù)理論與實(shí)踐快速結(jié)合的能力,都很重視快速RCP技術(shù)。但是當(dāng)前相關(guān)永磁同步電機(jī)RCP技術(shù)教學(xué)平臺的研發(fā)卻相對較少。為此，本文研制了基于PXI的永磁同步電機(jī)RCP教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺采用NI控制器+永磁同步電機(jī)變頻驅(qū)動電路結(jié)構(gòu),其中NI控制器負(fù)責(zé)運(yùn)行控制算法,變頻電路負(fù)責(zé)驅(qū)動實(shí)際的永磁同步電機(jī)。采用Simulink自動代碼生成技術(shù)將仿真算法快速生成可執(zhí)行控制代碼,利用NI-VeriStand 軟件將生成的永磁同步電機(jī)控制算法加載到NI 控制器進(jìn)行驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行,無需對控制算法進(jìn)行二次編程,減少算法驗(yàn)證時(shí)間,提高先進(jìn)算法在永磁同步電機(jī)控制應(yīng)用中的進(jìn)度與效率,方便學(xué)生快速設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的電機(jī)控制算法。

1 永磁同步電機(jī)RCP平臺設(shè)計(jì)

1.1 平臺硬件組成

如圖1所示,實(shí)驗(yàn)平臺由上位機(jī)(PC機(jī))、控制器、變頻驅(qū)動電路、永磁同步電機(jī)組成。

圖1 永磁同步電機(jī)RCP實(shí)驗(yàn)平臺硬件組成

上位機(jī)操作的軟件有Matlab/Simulink、LabVIEW和NI-VeriStand,主要負(fù)責(zé)打包控制程序，然后下載到控制器中,并且監(jiān)控控制狀態(tài)。

控制器主要由NI-PXI控制器和NI-PXI-FPGA板卡組成。控制器的作用是運(yùn)行永磁同步電機(jī)控制算法,FPGA板卡首先負(fù)責(zé)把變頻驅(qū)動電路傳感器采集到的電壓/電流模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,以及采集編碼器脈沖并計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速信號,最后將信號傳遞到控制器中參與運(yùn)算；其次利用其高速并行特性,輸出PWM脈沖信號驅(qū)動變頻驅(qū)動電路,達(dá)到控制實(shí)際電機(jī)效果。

變頻驅(qū)動電路與永磁電機(jī)組成被控對象,變頻驅(qū)動電路主要負(fù)責(zé)功率變換,將直流電變換成交流電驅(qū)動永磁同步電機(jī)運(yùn)行。通過磁粉制動器可為永磁同步電機(jī)加載,模擬不同工況下的負(fù)載變化情況。

1.2 平臺軟件結(jié)構(gòu)

軟件實(shí)現(xiàn)方式采用模塊化獨(dú)立編程思想,使學(xué)生對整個(gè)控制思想和控制流程的理解更加直觀方便。采用3種軟件(Simulink、LabVIEW和VeriStand)對永磁同步電機(jī)模塊化編程。Simulink主要負(fù)責(zé)永磁同步電機(jī)的控制算法,LabVIEW主要負(fù)責(zé)軟FPGA硬件IO配置及對應(yīng)關(guān)系，以及PWM信號產(chǎn)生與高速信號采集的編程,VeriStand主要負(fù)責(zé)軟件集成及下載運(yùn)行和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的快速實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 永磁同步電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)過程

在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行永磁同步電機(jī)算法仿真以及仿真算法的自動代碼生成,快速形成控制器可執(zhí)行控制代碼,能夠快速實(shí)現(xiàn)算法的驗(yàn)證以及與其他算法對比分析,加快算法的優(yōu)化速度。

LabVIEW軟件通過對FPGA編程,實(shí)現(xiàn)實(shí)際硬件IO的不同配置,對高速信號進(jìn)行快速實(shí)時(shí)處理。

NI-VeriStand環(huán)境的作用主要有2個(gè)方面,一是將Simulink自動生成的控制代碼和LabVIEW生成的IO配置文件下載到控制器,然后進(jìn)行相關(guān)的配置,實(shí)現(xiàn)對永磁同步電機(jī)的控制；二是通過VeriStand軟件快速實(shí)現(xiàn)對控制電機(jī)監(jiān)控上位機(jī)的設(shè)計(jì),上位機(jī)與控制器通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)對電機(jī)實(shí)際電壓電流瞬時(shí)波形的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2 實(shí)驗(yàn)平臺搭建與實(shí)驗(yàn)

2.1 永磁同步電機(jī)RCP實(shí)驗(yàn)平臺搭建

實(shí)驗(yàn)平臺的外觀如圖3所示。PXI控制器由NI PXI 1071機(jī)箱、NI PXI 8840控制器和NI PXI 7846R FPGA板卡組成。VeriStand軟件通過以太網(wǎng)線與PXI控制器通信,利用VeriStand為控制器下載永磁同步電機(jī)控制算法并且監(jiān)控電機(jī)狀態(tài)。

電機(jī)驅(qū)動電路額定功率為10 kW,直流輸入電壓為560 V,交流輸出電壓為380 V。電機(jī)驅(qū)動電路通過并行數(shù)據(jù)線與PXI控制器相連,利用上位機(jī)控制并檢測電機(jī)驅(qū)動電路工作狀態(tài)。

隔離變壓器額定容量為10 kVA,接線方式為Yd11,變壓器變比為400V∶400V,副邊側(cè)與逆變器連接,原邊側(cè)與電網(wǎng)連接。

永磁同步電機(jī)額定容量為10 kVA,額定電壓為260 V,額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,額定電流為22 A,轉(zhuǎn)速范圍為0～2 000 r/min,極對數(shù)為4。

磁粉制動器加載轉(zhuǎn)矩范圍為0～230 N·m,永磁電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為63 N,所以將磁粉制動器轉(zhuǎn)矩限制電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺外觀

2.2 永磁同步電機(jī)RCP實(shí)驗(yàn)平臺監(jiān)控上位機(jī)

RCP技術(shù)快速縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期,同時(shí)在教學(xué)過程中也增加了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的快速性與安全性。本文利用VeriStand軟件快速搭建永磁同步電機(jī)RCP實(shí)驗(yàn)平臺監(jiān)控上位機(jī),監(jiān)控界面如圖4所示。主要由平臺控制區(qū),平臺主要參數(shù)監(jiān)測區(qū)和示波區(qū)組成。

圖4 RCP實(shí)驗(yàn)平臺監(jiān)控界面

平臺控制區(qū)由7個(gè)布爾控件,1個(gè)速度輸入,1個(gè)故障指示燈和1個(gè)故障代碼顯示組成。其中7個(gè)布爾控件分別是復(fù)位、機(jī)箱風(fēng)扇開關(guān)、永磁電機(jī)風(fēng)扇開關(guān)、預(yù)充電繼電器開關(guān)、運(yùn)行繼電器開關(guān)、永磁電機(jī)初始角度定位開關(guān)和速度啟動開關(guān)組成。

平臺主要參數(shù)監(jiān)測區(qū)由直流母線電壓監(jiān)測值Udc_real、永磁電機(jī)有功功率P、永磁電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩r_Tn、電機(jī)定子三相電流有效值Iu_rms、Iv_rms、Iw_rms、電機(jī)轉(zhuǎn)速speed、變流器溫度組成。

平臺示波區(qū)可以觀察電機(jī)定子電流實(shí)時(shí)波形詳細(xì)情況、電機(jī)轉(zhuǎn)速r_speed、實(shí)驗(yàn)平臺直流母線電壓Udc_real和電機(jī)功率P等。通過示波器下方的工具,可以對波形進(jìn)行拉寬、放大、縮小等操作。

2.3 永磁同步電機(jī)控制策略

永磁電機(jī)控制方式有多種,本文采用電機(jī)定子d軸方向分電流id=0控制方式,首先建立d、q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈相重合,其數(shù)學(xué)模型可以表示為：

其中,Ld、Lq是電機(jī)定子直軸和交軸電感,vd、vq、id、iq為d、q坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)定子的電壓和電流,R是電機(jī)定子電阻,Ψd、Ψq為d、q軸磁鏈,Tem為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,pn為轉(zhuǎn)子極對數(shù),ωg是電機(jī)轉(zhuǎn)速,Ψr是轉(zhuǎn)子磁鏈,Tload為負(fù)載轉(zhuǎn)矩,J為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量。

根據(jù)式(1)可建立永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)。圖5是永磁同步電機(jī)的控制框圖,采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制。轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器都采用PI控制。

圖5 永磁同步電機(jī)控制原理圖

2.4 永磁同步電機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

給定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min空載啟動，結(jié)果見圖6。由圖6可知：電機(jī)轉(zhuǎn)速r_speed緩慢爬升,當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后r_speed為1 000 r/min；空載時(shí)永磁同步電機(jī)定子電流很小。

圖6 1 000 r/min空載啟動

圖7為電機(jī)運(yùn)行在轉(zhuǎn)速1 000 r/min下的輸出功率為2.25 kW的波形圖。由圖7可知,電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 000 r/min,永磁電機(jī)定子電流正弦性能良好。

圖7 轉(zhuǎn)速1 000 r/min加載

圖8為初始給定轉(zhuǎn)速600 r/min時(shí)控制磁粉制動器為電機(jī)加載，控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變,電機(jī)轉(zhuǎn)速指令值由600 r/min變?yōu)? 000 r/min的波形圖。由圖8可知,通過控制,電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定在1 000 r/min,電機(jī)定子電流緩慢變化,沒有瞬態(tài)沖擊,說明電機(jī)的恒載變速過程控制良好。

圖8 恒載600 r/min變1 000 r/min運(yùn)行

圖9為帶載正反轉(zhuǎn)切換過程,轉(zhuǎn)速由+700 r/min變?yōu)?700 r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

圖9 帶載正反轉(zhuǎn)切換

3 結(jié)語

為提高永磁同步電機(jī)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)與科研實(shí)驗(yàn)的效果,設(shè)計(jì)了基于PXI永磁同步電機(jī)RCP教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺,利用PXI控制器的豐富資源既可模擬實(shí)際控制器,又可快速實(shí)現(xiàn)上位機(jī)圖形化編程,方便學(xué)生理解控制原理,控制自動代碼生成,易于新控制算法的快速實(shí)施與驗(yàn)證。