基于代碼生成的PMSM滑?？刂?/h1>
2020-04-14 04:54趙乘麟王尊林立王翔
電腦知識(shí)與技術(shù) 2020年4期
趙乘麟 王尊 林立 王翔
摘要：滑?？刂谱?0世紀(jì)50年代提出以來(lái)已經(jīng)在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，近年來(lái)隨著電機(jī)數(shù)字控制技術(shù)的愈發(fā)成熟，滑?？刂圃陔姍C(jī)高性能控制領(lǐng)域也取得諸多應(yīng)用。但滑?？刂破鋺?yīng)用形式較為靈活，控制過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，給實(shí)際應(yīng)用尤其是控制程序設(shè)計(jì)帶來(lái)不少難度;為了縮短研發(fā)周期，降低應(yīng)用門檻，構(gòu)建起數(shù)字仿真和實(shí)物應(yīng)用之間的快速通道，在此詳細(xì)介紹基于Matlab/Simunlink平臺(tái)代碼快速生成技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)字仿真到實(shí)物運(yùn)行的快速應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī);滑?？刂?代碼生成
中圖分類號(hào)：TP341
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1009-3044（2020）04-0278-03
1 概述
滑?？刂疲⊿liding mode control，SMC）出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，經(jīng)多年發(fā)展已廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著電機(jī)全數(shù)字控制技術(shù)的快速發(fā)展，滑模控制近年來(lái)同樣被引入于電機(jī)控制中，并已在永磁同步電機(jī)（Permanent magnet synchronous motor，PMSM）的高性能控制算法中有較多應(yīng)用。[1-4]但滑?？刂破湫问捷^為靈活，沒(méi)有固定的使用的模板，需要根據(jù)控制對(duì)象的不同和滑模面的不同而量身設(shè)計(jì)，給其硬件編程帶來(lái)不小的難度。加之PMSM本身是一個(gè)三階的非線性系統(tǒng)，控制難度大，這使得控制策略變得更為復(fù)雜，進(jìn)一步增加了硬件實(shí)現(xiàn)的難度，極大了增加了其應(yīng)用門檻。
為簡(jiǎn)化編程過(guò)程，提高驗(yàn)證速度，在此采用TI公司C2000系列芯片，基于Matlab/Simunlink的快速代碼生成功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真到實(shí)物運(yùn)行快速轉(zhuǎn)換，極大地縮短了研發(fā)周期，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
2 電機(jī)模型
內(nèi)置式永磁同步電機(jī)在d-q下電壓方程可寫為：
式中：uavu。為d、q軸定子電壓;isig為d、q軸定子電流;Lg、L。為d、q軸電感;R，為定子電阻;ψ，為永磁體磁鏈;w。為轉(zhuǎn)子電角速度;p為微分算子。
將式（1）轉(zhuǎn)換至兩相旋轉(zhuǎn)a-β坐標(biāo)系中，并整理成狀態(tài)方程：
ua、ug為a、β軸定子電壓;iq、ig為a、β軸定子電流;Ld、Lq為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d、q軸電感;θ為a軸與d軸的夾角;
將永磁同步電機(jī)a-β坐標(biāo)系中的磁鏈也表示為狀態(tài)方程形式為：
因此永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程可寫為：
式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩;Pn為極對(duì)數(shù)。
2.1 SMC-DTC控制原理
（Direct torque control，DTC）制策略是直接以磁鏈和轉(zhuǎn)矩為控制量實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制，是繼矢量控制之后又一重要的電機(jī)控制策略。SMC-DTC 是在此基礎(chǔ)上代替滯環(huán)控制，引入空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse W idth Modulation，SVPWM）?；？刂票旧硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不固定，而是在動(dòng)態(tài)的過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行有目的的變化，迫使系統(tǒng)按照所設(shè)計(jì)的滑動(dòng)模態(tài)的狀態(tài)軌跡變化，這種動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定使得滑?？刂祈憫?yīng)快，且對(duì)擾動(dòng)和參數(shù)變化不敏感，魯棒性強(qiáng)。[1-2]
2.2 滑模面設(shè)計(jì)
在DTC控制策略中，取定子磁鏈ψ，和轉(zhuǎn)矩T。為控制量，因此設(shè)計(jì)磁鏈S，和轉(zhuǎn)矩S2兩個(gè)滑模面。設(shè)計(jì)滑模面如下：
式中： ?カ控制參數(shù); ?為磁鏈和轉(zhuǎn)矩參考值。
設(shè)計(jì)趨近律如下：
式中：K，、K2、&、&2均為控制參數(shù)。
2.3 控制律推導(dǎo)
聯(lián)立（2）～（6）式可得：
由（7）可推出控制率為：
圖1為PMSM轉(zhuǎn)矩和磁鏈閉環(huán)控制框圖，如圖所示SMC-DTC和常規(guī)的DTC過(guò)程大致相同，由傳感器獲取電機(jī)三相電流、電壓信號(hào)經(jīng)3S/2S轉(zhuǎn)化后可估算電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩和磁鏈值，由式（5）得到S、S2;由式（8）推導(dǎo)出ua、ug，再由SVPWM調(diào)制脈沖信號(hào)，控制逆變器導(dǎo)通。
3 代碼生成
圖2為基于TMS320F28335控制芯片的程序框圖，圖中的eQEP、ADC及ePWM1～3分別為F28335芯片自帶的三個(gè)片內(nèi)外設(shè)，分別為光電編碼器解碼外設(shè)、模數(shù)轉(zhuǎn)換外設(shè)及1～3號(hào)PWM外設(shè)。其程序主要包含兩個(gè)部分，虛線內(nèi)的中斷服務(wù)程序和外部循環(huán)主程序。[5-7]
3.1 外設(shè)初始化
3.1.1 eQEP初始化
eQEP為F28335內(nèi)用于解碼光電編碼器的外設(shè)，通過(guò)捕獲編碼器的兩路脈沖信號(hào)和檢索信號(hào)以計(jì)算編碼器的角度和轉(zhuǎn)速。在此使用的是1024線的編碼器，旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生4096次計(jì)數(shù)，因此設(shè)置eQEP記數(shù)范圍為0～4095，并設(shè)置記數(shù)值由程序軟件進(jìn)行初始化。
3.1.2 ADC初始化
ADC為F28335內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換外設(shè)，能夠采集0～3.3V的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)為0～4095之間的數(shù)值，此外設(shè)可用以處理電流、電壓傳感器的模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流和電壓信號(hào)采集。為保證采集信號(hào)的實(shí)時(shí)性，在此設(shè)置ADC信號(hào)采集和排序由ePWM外設(shè)周期性觸發(fā)。
3.1.3 ePWM初始化
ePWM外設(shè)是F28335芯片內(nèi)用以產(chǎn)生高精度PWM脈沖的外設(shè)。主要由計(jì)數(shù)器、比較器和死區(qū)配置構(gòu)成，還包含諸如錯(cuò)誤聯(lián)防、影子寄存器等輔助模塊。在此設(shè)置計(jì)數(shù)模式為增減記數(shù)，頻率設(shè)為5kHz，設(shè)置比較器在增記數(shù)比值相等時(shí)輸出高電平，在減記數(shù)比值相等時(shí)輸出低電平。死區(qū)設(shè)置為前后雙死區(qū)，死區(qū)時(shí)間依據(jù)器件性能而定。[8-9]
3.2 中斷服務(wù)程序
F28335有CPU，PIE及外設(shè)三級(jí)中斷，12個(gè)CPU的可屏蔽中斷線，每組對(duì)應(yīng)8個(gè)外設(shè)中斷，構(gòu)成12x8的中斷向量表。在此采用的是SEQ1中斷，在ADC外設(shè)初始化中開(kāi)啟中斷。中斷服務(wù)程序打包于Simunlink的Function-Call子模塊內(nèi)由中斷源觸發(fā)運(yùn)行。
如圖2所示，中斷服務(wù)程序主體為轉(zhuǎn)矩和磁鏈閉環(huán)。為保證中斷內(nèi)ADC信號(hào)的實(shí)時(shí)性，設(shè)置中斷觸發(fā)源為ADC采集完成標(biāo)志位，保證電流、電壓信號(hào)實(shí)時(shí)性，將獲取的數(shù)值轉(zhuǎn)為實(shí)際值或標(biāo)幺值以便計(jì)算。再由式（8）推導(dǎo)電壓矢量，經(jīng)SVPWM可得出導(dǎo)通時(shí)間，對(duì)結(jié)果取整后用以更新ePWM外設(shè)的比較值。3.3 外部主程序循環(huán)
光電編碼器測(cè)轉(zhuǎn)速的手段主要有M法和T法兩種，在此采用了M法，由式（9）得電機(jī)轉(zhuǎn)速。
式中：o為電機(jī)轉(zhuǎn)速;N為單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)的脈沖數(shù);T。為間隔時(shí)間，在此為0.01s;M為碼盤一圈最大脈沖數(shù)。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
4.1 試驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介
搭建如圖3所示的全數(shù)字電機(jī)控制平臺(tái)。其主要由直流電源、TMS320F28335控制器、逆變器、永磁同步電機(jī)、負(fù)載電機(jī)及其控制器組成。通過(guò)F28338自帶的SCI外設(shè)經(jīng)RS232與上位機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)指令收發(fā)和數(shù)據(jù)顯示，負(fù)載電機(jī)由單獨(dú)的控制機(jī)器控制經(jīng)RS485與上位機(jī)通訊。
4.2 試驗(yàn)結(jié)果
圖4為被測(cè)PMSM在相同負(fù)載下采用SMC-DTC策略和常規(guī)矢量控制策略負(fù)載起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比圖;其中a圖為采用基于代碼生成實(shí)現(xiàn)的SMC-DTC策略起動(dòng)轉(zhuǎn)速，從靜止到穩(wěn)定于800rpm用時(shí)約0.5s，b圖為常規(guī)矢量控制策略起動(dòng)轉(zhuǎn)速，從靜止到穩(wěn)定于800rpm用時(shí)約2s。
5 結(jié)論
綜上所述SMC-DTC策略省去了復(fù)雜的矢量轉(zhuǎn)換，得益于滑?？刂票旧韯?dòng)態(tài)穩(wěn)定的特點(diǎn)，使其具有較高的電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度及擾動(dòng)的不敏感性。圖4中SMC-DTC策略電機(jī)負(fù)載起動(dòng)時(shí)間較矢量控制大幅縮短，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度顯著提高。此外為縮短研發(fā)周期，增加研發(fā)效率，構(gòu)建數(shù)字仿真到實(shí)物運(yùn)行的快速通道。在此創(chuàng)新采用基于Matlab/Simunlink快速代碼生成技術(shù)，詳細(xì)介紹了基于Simunlink圖形界面的TMS320F28335控制程序設(shè)計(jì)，并于實(shí)物平臺(tái)驗(yàn)證此方法高效、可行，為電機(jī)全數(shù)字控制器的研發(fā)提供了新方法、新工具，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
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[7]鄧盼，侯志敏.基于DSP模型的快速代碼的生成[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（06）：142-144.
[8]王新帥，杜明星，魏克新.基于Matlab的PWM整流器程序代碼生成方法[J].電力電子技術(shù)，2015，49（01）：14-16.
[9]王士偉，王盛德，吳雨晨.基于模型設(shè)計(jì)的SVPWM算法自動(dòng)代碼生成技術(shù)研究[J].電工技術(shù)，2018（24）：134-136.
[通聯(lián)編輯：朱寶貴]
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關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī);滑?？刂?代碼生成
中圖分類號(hào)：TP341
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1009-3044（2020）04-0278-03
1 概述
滑?？刂疲⊿liding mode control，SMC）出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，經(jīng)多年發(fā)展已廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著電機(jī)全數(shù)字控制技術(shù)的快速發(fā)展，滑模控制近年來(lái)同樣被引入于電機(jī)控制中，并已在永磁同步電機(jī)（Permanent magnet synchronous motor，PMSM）的高性能控制算法中有較多應(yīng)用。[1-4]但滑?？刂破湫问捷^為靈活，沒(méi)有固定的使用的模板，需要根據(jù)控制對(duì)象的不同和滑模面的不同而量身設(shè)計(jì)，給其硬件編程帶來(lái)不小的難度。加之PMSM本身是一個(gè)三階的非線性系統(tǒng)，控制難度大，這使得控制策略變得更為復(fù)雜，進(jìn)一步增加了硬件實(shí)現(xiàn)的難度，極大了增加了其應(yīng)用門檻。
為簡(jiǎn)化編程過(guò)程，提高驗(yàn)證速度，在此采用TI公司C2000系列芯片，基于Matlab/Simunlink的快速代碼生成功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真到實(shí)物運(yùn)行快速轉(zhuǎn)換，極大地縮短了研發(fā)周期，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
2 電機(jī)模型
內(nèi)置式永磁同步電機(jī)在d-q下電壓方程可寫為：
式中：uavu。為d、q軸定子電壓;isig為d、q軸定子電流;Lg、L。為d、q軸電感;R，為定子電阻;ψ，為永磁體磁鏈;w。為轉(zhuǎn)子電角速度;p為微分算子。
將式（1）轉(zhuǎn)換至兩相旋轉(zhuǎn)a-β坐標(biāo)系中，并整理成狀態(tài)方程：
ua、ug為a、β軸定子電壓;iq、ig為a、β軸定子電流;Ld、Lq為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d、q軸電感;θ為a軸與d軸的夾角;
將永磁同步電機(jī)a-β坐標(biāo)系中的磁鏈也表示為狀態(tài)方程形式為：
因此永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程可寫為：
式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩;Pn為極對(duì)數(shù)。
2.1 SMC-DTC控制原理
（Direct torque control，DTC）制策略是直接以磁鏈和轉(zhuǎn)矩為控制量實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制，是繼矢量控制之后又一重要的電機(jī)控制策略。SMC-DTC 是在此基礎(chǔ)上代替滯環(huán)控制，引入空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse W idth Modulation，SVPWM）?；？刂票旧硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不固定，而是在動(dòng)態(tài)的過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行有目的的變化，迫使系統(tǒng)按照所設(shè)計(jì)的滑動(dòng)模態(tài)的狀態(tài)軌跡變化，這種動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定使得滑?？刂祈憫?yīng)快，且對(duì)擾動(dòng)和參數(shù)變化不敏感，魯棒性強(qiáng)。[1-2]
2.2 滑模面設(shè)計(jì)
在DTC控制策略中，取定子磁鏈ψ，和轉(zhuǎn)矩T。為控制量，因此設(shè)計(jì)磁鏈S，和轉(zhuǎn)矩S2兩個(gè)滑模面。設(shè)計(jì)滑模面如下：
式中： ?カ控制參數(shù); ?為磁鏈和轉(zhuǎn)矩參考值。
設(shè)計(jì)趨近律如下：
式中：K，、K2、&、&2均為控制參數(shù)。
2.3 控制律推導(dǎo)
聯(lián)立（2）～（6）式可得：
由（7）可推出控制率為：
圖1為PMSM轉(zhuǎn)矩和磁鏈閉環(huán)控制框圖，如圖所示SMC-DTC和常規(guī)的DTC過(guò)程大致相同，由傳感器獲取電機(jī)三相電流、電壓信號(hào)經(jīng)3S/2S轉(zhuǎn)化后可估算電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩和磁鏈值，由式（5）得到S、S2;由式（8）推導(dǎo)出ua、ug，再由SVPWM調(diào)制脈沖信號(hào)，控制逆變器導(dǎo)通。
3 代碼生成
圖2為基于TMS320F28335控制芯片的程序框圖，圖中的eQEP、ADC及ePWM1～3分別為F28335芯片自帶的三個(gè)片內(nèi)外設(shè)，分別為光電編碼器解碼外設(shè)、模數(shù)轉(zhuǎn)換外設(shè)及1～3號(hào)PWM外設(shè)。其程序主要包含兩個(gè)部分，虛線內(nèi)的中斷服務(wù)程序和外部循環(huán)主程序。[5-7]
3.1 外設(shè)初始化
3.1.1 eQEP初始化
eQEP為F28335內(nèi)用于解碼光電編碼器的外設(shè)，通過(guò)捕獲編碼器的兩路脈沖信號(hào)和檢索信號(hào)以計(jì)算編碼器的角度和轉(zhuǎn)速。在此使用的是1024線的編碼器，旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生4096次計(jì)數(shù)，因此設(shè)置eQEP記數(shù)范圍為0～4095，并設(shè)置記數(shù)值由程序軟件進(jìn)行初始化。
3.1.2 ADC初始化
ADC為F28335內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換外設(shè)，能夠采集0～3.3V的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)為0～4095之間的數(shù)值，此外設(shè)可用以處理電流、電壓傳感器的模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流和電壓信號(hào)采集。為保證采集信號(hào)的實(shí)時(shí)性，在此設(shè)置ADC信號(hào)采集和排序由ePWM外設(shè)周期性觸發(fā)。
3.1.3 ePWM初始化
ePWM外設(shè)是F28335芯片內(nèi)用以產(chǎn)生高精度PWM脈沖的外設(shè)。主要由計(jì)數(shù)器、比較器和死區(qū)配置構(gòu)成，還包含諸如錯(cuò)誤聯(lián)防、影子寄存器等輔助模塊。在此設(shè)置計(jì)數(shù)模式為增減記數(shù)，頻率設(shè)為5kHz，設(shè)置比較器在增記數(shù)比值相等時(shí)輸出高電平，在減記數(shù)比值相等時(shí)輸出低電平。死區(qū)設(shè)置為前后雙死區(qū)，死區(qū)時(shí)間依據(jù)器件性能而定。[8-9]
3.2 中斷服務(wù)程序
F28335有CPU，PIE及外設(shè)三級(jí)中斷，12個(gè)CPU的可屏蔽中斷線，每組對(duì)應(yīng)8個(gè)外設(shè)中斷，構(gòu)成12x8的中斷向量表。在此采用的是SEQ1中斷，在ADC外設(shè)初始化中開(kāi)啟中斷。中斷服務(wù)程序打包于Simunlink的Function-Call子模塊內(nèi)由中斷源觸發(fā)運(yùn)行。
如圖2所示，中斷服務(wù)程序主體為轉(zhuǎn)矩和磁鏈閉環(huán)。為保證中斷內(nèi)ADC信號(hào)的實(shí)時(shí)性，設(shè)置中斷觸發(fā)源為ADC采集完成標(biāo)志位，保證電流、電壓信號(hào)實(shí)時(shí)性，將獲取的數(shù)值轉(zhuǎn)為實(shí)際值或標(biāo)幺值以便計(jì)算。再由式（8）推導(dǎo)電壓矢量，經(jīng)SVPWM可得出導(dǎo)通時(shí)間，對(duì)結(jié)果取整后用以更新ePWM外設(shè)的比較值。3.3 外部主程序循環(huán)
光電編碼器測(cè)轉(zhuǎn)速的手段主要有M法和T法兩種，在此采用了M法，由式（9）得電機(jī)轉(zhuǎn)速。
式中：o為電機(jī)轉(zhuǎn)速;N為單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)的脈沖數(shù);T。為間隔時(shí)間，在此為0.01s;M為碼盤一圈最大脈沖數(shù)。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
4.1 試驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介
搭建如圖3所示的全數(shù)字電機(jī)控制平臺(tái)。其主要由直流電源、TMS320F28335控制器、逆變器、永磁同步電機(jī)、負(fù)載電機(jī)及其控制器組成。通過(guò)F28338自帶的SCI外設(shè)經(jīng)RS232與上位機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)指令收發(fā)和數(shù)據(jù)顯示，負(fù)載電機(jī)由單獨(dú)的控制機(jī)器控制經(jīng)RS485與上位機(jī)通訊。
4.2 試驗(yàn)結(jié)果
圖4為被測(cè)PMSM在相同負(fù)載下采用SMC-DTC策略和常規(guī)矢量控制策略負(fù)載起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)比圖;其中a圖為采用基于代碼生成實(shí)現(xiàn)的SMC-DTC策略起動(dòng)轉(zhuǎn)速，從靜止到穩(wěn)定于800rpm用時(shí)約0.5s，b圖為常規(guī)矢量控制策略起動(dòng)轉(zhuǎn)速，從靜止到穩(wěn)定于800rpm用時(shí)約2s。
5 結(jié)論
綜上所述SMC-DTC策略省去了復(fù)雜的矢量轉(zhuǎn)換，得益于滑?？刂票旧韯?dòng)態(tài)穩(wěn)定的特點(diǎn)，使其具有較高的電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度及擾動(dòng)的不敏感性。圖4中SMC-DTC策略電機(jī)負(fù)載起動(dòng)時(shí)間較矢量控制大幅縮短，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度顯著提高。此外為縮短研發(fā)周期，增加研發(fā)效率，構(gòu)建數(shù)字仿真到實(shí)物運(yùn)行的快速通道。在此創(chuàng)新采用基于Matlab/Simunlink快速代碼生成技術(shù)，詳細(xì)介紹了基于Simunlink圖形界面的TMS320F28335控制程序設(shè)計(jì)，并于實(shí)物平臺(tái)驗(yàn)證此方法高效、可行，為電機(jī)全數(shù)字控制器的研發(fā)提供了新方法、新工具，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
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[通聯(lián)編輯：朱寶貴]
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