马丹萍，王 杨1，唐自强2
（1．长安大学电子与控制工程学院，陕西西安 710064；2．长安大学汽车学院，陕西西安 710064）
作者简介：马丹萍（1992－），女，长安大学电子与控制工程学院硕士研究生，控制工程专业。
王 杨（1991－），女，长安大学电子与控制工程学院硕士研究生，控制理论与控制工程专业。
唐自强（1991－），男，长安大学汽车学院硕士研究生，车辆工程专业。
摘 要：针对永磁同步电机空间矢量调速系统，采用基于模型的设计方法，实现了永磁同步电机调速系统的稳定控制。利用Embed Coder工具箱搭建了永磁同步电机空间矢量控制系统仿真模型，并对控制系统的调速性能进行了仿真分析，在验证了仿真模型的正确性后，搭建了控制系统定点代码模型，并将其定点模型自动生成C代码，最终在设计的硬件测试平台上进行了调试。结果表明：利用基于模型设计方法实现的永磁同步电机调速控制系统具有良好的动态响应性能。
关键词：永磁同步电机；基于模型设计；空间矢量控制
Abstract：On account of the space vector control system for PMSM，adopt MBD techniques，achieved a stable control of per－manent magnet synchronous motor speed control system．The simulation model of space vector control for PMSM was built with MATLAB／Simulink Embedded Coder toolbox，and the performance of the speed control system is simulated．After verifying the correctness of the simulation model，the fixed－point code model was built for the control system．And used the fixed－point code model to generate C code automatically，and the generated C code was debugged in the designed hardware test platform debugging．the experimental results shows that the space vector control system for PMSM implemented by MBD technique has good dynamic response performance．
Key words：PMSM；MBD；Space Vector Control
1 引言
永磁同步电机作为同步电机的一种，由于具有体积小、重量轻、运行效率高、动态性能好等优点，被广泛应用于调速和伺服系统［1］。随着电力电子产品集成化、数字化的不断提高，DSP以其高性能、多功能的优势在逆变电路、变频调速等电力电子领域以及运动控制领域中得到了广泛的应用。
DSP的传统开发模式［2］是：首先用模拟软件（如MATLAB）验证工程师们的想法；然后在自制的硬件平台上进行编程、排错与调试，以实现需求分析阶段工程师们的想法；最后才是对整个设计系统的测试。由于整个开发过程相互独立，割裂了各个过程之间的有机统一；此外开发人员较多，每个人需求文档的理解难免存在偏差，这就会造成产品的功能与设计预期不符合的尴尬情况。这种方法的弊病在于：前面四个开发阶段，任何一个出现问题，本次的工作将以失败告终，这显然降低了开发效率，并且使得开发周期延长。相对于传统的项目开发中控制器算法开发采用手工编程的方式。基于模型的设计以TI公司和Math－Works公司联合开发的Embed Coder工具箱为依托，为嵌入式开发开拓了新途径［3］。在MBD （Model－Based Design）技术中，控制器代码可采用MATLAB Real－Time Workshop Embedded Coder自动生成［4］，大大缩减了手工编程所需的人力、物力及周期，提高了代码的可靠性与一致性，同时加快了软硬件的开发速度，缩短了开发周期。本文以永磁同步电机为研究对象，利用基于模型的设计方法实现永磁同步电机的空间矢量控制，通过将基于模型的设计方法应用于永磁同步电机控制中来提高永磁同步电机控制系统的开发效率。
2 基于模型方法简介
2．1 基于模型设计概念
基于模型的设计，是在系统设计的过程中，从需求分析到系统设计实现，再到测试验证，所有信息的传递、工作的核心与基础都是系统模型，在基于模型的设计过程中，通过建模和仿真来获得从需求到设计实现和测试，系统模型是开发过程的核心。
2．2 基于模型设计流程
不依赖物理硬件和可执行的文本规范，基于模型设计MBD开发的可执行规范是系统模型。这个可执行规范支持系统级和硬件级的设计和仿真、自动代码生成以及贯穿整个开发过程的测试和验证［3］。基于模型设计的基本流程如图1所示。
图1 基于模型设计的流程
3 永磁同步电机控制系统建模与仿真
3．1 永磁同步电机控制系统原理简介
本文采用的PMSM空间矢量控制结构框图如图2所示。
图2 永磁同步电机空间矢量控制结构框图
在图2所示的控制框图中，ia、ib是电流传感器检测到的PMSM两相电流，利用Clark变换将其转换到两相静止坐标系（a，b）下的电流isα、isβ。Clark坐标系下的两相电流经过Park变换后，输出两相旋转坐标系下的电流isd、isq。isd、isq作为反馈电流，与给定的i Sdref、i Sqref比较后，经过PID控制器调节后输出v Sdref、v Sqref。再经过反Park变换，得到两相静止坐标系下的电压v Sαref、v Sβref。经过空间矢量运算后，输出三相逆变桥功率管的控制信号，来驱动逆变桥。
这里i Sqref是给定速度参考值与检测到PMSM的实际转速差值经过速度PID调节后输出的转矩电流参考值，i Sdref＝0。
3．2 永磁同步电机控制系统仿真模型
根据图2的永磁同步电机空间矢量控制结构框图以及控制系统的性能要求，搭建的PMSM空间矢量控制系统Simulink仿真模型如图3所示。
图3 PMSM空间矢量控制仿真模型
由模型可以看出，该控制系统主要包括系统输入模型（System Input）、控制器模型（MCU）、逆变器模型（Inverter）以及永磁同步电机模型（PMSM Motor）系统输入模型，Scope为系统信号观测模型。
3．3 参数设置
控制系统仿真模型的参数设置主要包括速度环和电流环PID参数设置、永磁同步电机的参数设置以及系统电流环和速度环调节频率设置。下面对控制系统仿真模型的参数设置方法做详细介绍。
（1）速度环和电流环PID参数设置
速度环和电流环参数设置的基本流程为先粗调，然后再进行微调，具体实施过程为先对速度环的PID参数进行粗调，参照稳定边界法则对PID参数进行调节，使得系统的速度相应能够达到系统要求，然后在对电流环参数进行粗调，使得电流动态相应波形大致达到系统要求。最后，根据系统的初步仿真结果，再对速度环和电流环的PID参数进行微调［5］，使得系统达到一个比较理想的动态和稳态性能。
（2）永磁同步电机参数设置
永磁同步电机的参数设置根据实际电机技术文档提供的参数进行设置。
（3）系统电流环和速度环调节频率设置根据系统要求，进行相应的设置。
3．4 仿真结果分析
为了验证所搭建的永磁同步电机控制系统的正确性和有效性，下面对整个控制系统模型进行相关性能的仿真、验证。图4为速度闭环时给定转速Spd Ref为300r·min－1时的速度、电流、转子位置波形图。
图4 Spd Ref＝300r·min－1电机响应曲线
由图4可以看出，电机在给定速度下能够在0．2s左右达到给定值，并且无超调，说明速度动态响应性能良好，同时也表明了速度PID控制参数设置合理。
4 永磁同步电机控制系统实验结果分析
4．1 控制系统硬件设计
系统的硬件结构如图5所示，主要由DSP控制板、主功率电路、电机、光电码盘、调理电路和保护电路构成。
图5 系统硬件结构图
4．2 代码模型搭建
代码模型的功能与图3仿真模型完全一致，不同的是，在代码模型中添加了相关外设的驱动模块，如PWM模块、AD模块以及QEP模块等。其目的是为了将控制算法与实际的底层硬件连接起来，为自动生成代码做准备。图6为控制系统最终搭建的代码模型，其基本结构是通过AD中断来定时并进行整个控制算法的调用，解决了系统电流环和转速环PID调节频率不一致的问题，因为在中断函数调用中不允许不同的采样频率。根据控制系统的要求，电流环的采样频率为50μs，而速度环的采样频率为5ms，这里采用PWM下溢来启动AD转换，AD转换完成之后产生中断，由于PWM频率为20k Hz，因此AD转换中断也为20k Hz，而在AD中断中调用电流PID控制和空间矢量算法，其调用频率为50μs，这样就完成了电流环50μs的采样频率。而速度环可以通过Rate transition模块来实现5ms的采样频率。
电机的给定速度通过GUI控制界面写RTDX通道来实现，Take Samples模块用来将电机的实际转速和PWM比较寄存器的值同过RT－DX通道传输给GUI界面进行波形绘制。
电流环PID控制和SVPWM算法实现部分封装在Function Call Subsystem中，具体实现如图7所示，主要包括PWM模块、QEP模块、ADC模块、Handware Interrupt模块、RTDX模块等。
图6 PMSM控制系统代码模型
图7 Function call具体实现
在完成了永磁同步电机的空间矢量控制理论分析、控制系统仿真和控制算法代码模型搭建后，结合搭建的硬件测试平台，将控制算法自动生成代码下载到硬件测试平台上进行实际调试和功能验证。测试平台主要包括控制板、功率驱动板、永磁同步电机、直流电源以及示波器。
4．3 系统调试
系统调试的目的主要是为确保硬件功能的完整性，保障整个控制系统能够正常工作，包括主控制板、功率驱动板以及相关的检测器件，使得电路有较高的稳定性和准确性，以便于软件的调试。
系统调试主要包括：SVPWM信号的调试、光电编码器的调试。
4．4 自动生成代码相关设置
在对整个系统进行自动代码生成前，需要对代码模型进行一些必要设置，如是否建立CCS工程、是否生成报告等。
（1）模型属性的设置
对于模型属性的设置，主要是对打开模型时调用的函数或者M脚本进行设置。在模型中有很多参数是以M脚本的形式进行设置的，如电机参数、相关数据的波形绘制等，为了方便模型使用，这里将电机的参数脚本文件名输入模型属性的Pre Load Fcn回调函数对话框中，这样，在每次打开模型的时候，会对模型参数脚本进行自动调用，如图8所示。
图8 GUI启动M文件写入Post Load Fcn对话框
图9 永磁同步电机GUI显示、控制界面
另外，编写的GUI启动M函数文件写入Post Load Fcn对话框中，每次打开模型时，根据编写的函数文件自动对模型进行代码生成，并且载入处理器，并弹出GUI界面，这样省去了每次手动build模型的麻烦，方便程序调试。
（2）Code Generation的设置
对于Code Generation主要设置器产生代码生成报告，方便相关函数和模块生成代码生成情况的查看。
完成上述设置后，保存并关闭模型，然后再重新打开模型，MATLAB／Simulink会自动对代码模型进行编译并且创建CCS工程文件，并将生成的．out文件自动载入目标板，同时，并自动打开设计的GUI图形界面，如图9所示。
4．5 调试结果分析
到此为止，代码生成工作已经完成，可以通过GUI控制界面上的滚动条来修改电机的速度给定，可实现电机的调速控制，同时也可以通过GUI界面上的复选框来选择电机的转向，实现方向控制。通过示波器观察给定转速下的电机电流、转速波形。
图10－图15为电机给定转速是2000 r·min－1、1000r·min－1和500r·min－1时的转速、电流响应波形。可以看出空间矢量控制系统具有启动快、响应快的特点。
图10 Speed Ref＝2000r·min－1时，电机的实测电流波形
图11 Speed Ref＝2000r·min－1时，电机A相实测转速波形
图12 Speed Ref＝1000r·min－1时，电机的实测电流波形
在转速波形图中，横坐标代表采样点，数据采样频率为0．01s，如横坐标为20时，时间为0．2s。电机给定转速为500r·min－1、1000r·min－1和2000r·min－1时，电机实际转速能够快速达到给定转速，表明系统的速度响应性能良好；当电机运转在较高的转速时，电机电流波形接近正弦波，但是当电机转速较低时，电机电流波形失真比较严重，正弦性比较差。这主要是由于永磁同步电机的齿槽转矩的影响造成的，使得电机输出的电磁转矩存在一定的波动，而随着电机转速的升高，电机输出的电磁转矩增大，齿槽转矩在其中的影响越来越小，即影响越来越弱，电机电流波形就会越来越接近正弦波。
图13 Speed Ref＝1000r·min－1时，电机A相实测转速波形
图14 Speed Ref＝500r·min－1时，电机的实测转速波形
图15Speed Ref＝500r·min－1时，电机A相实测电流波形
将上面的实验结果与仿真结果对比，电机的电流、转速响应基本和仿真结果一致，只有在电机转速较低时，电机实验电流波有所失真，而仿真波形依然为正弦波，这是由于系统仿真中采用的电机是理想模型，忽略了电机物理构造对实际运行的影响。
由仿真建模、系统代码建模、控制系统自动代码生成最后到在实际硬件平台上的测试与调试，实验结果验证了采用基于模型设计方法来实现PMSM控制算法是有效的和可行的。
5 总结
（1）介绍了基于模型设计方法概念及其基本流程，分析了永磁同步电机的数学模型并在Sim－ulink环境下自己搭建了永磁同步电机模型，在此基础上分析了永磁同步电机空间矢量控制系统的实现原理，并给出了永磁同步电机空间矢量控制数字实现方法。
（2）利用MATLAB／Simulink中的Embed－ded Coder工具箱搭建了永磁同步电机的空间矢量控制系统仿真模型，对系统的调速性能进行了仿真。基于TMS320F2812控制芯片设计了基于模型设计的永磁同步电机调速控制系统的硬件测试平台。
（3）在搭建了永磁同步电机空间矢量仿真模型的基础上，搭建了永磁同步电机控制系统的代码模型，最终将代码模型自动生成C代码，在设计的硬件测试平台上进行了实际调试，实验结果表明通过基于模型的设计方法实现的永磁同步电机空间矢量调速系统的调速性能能够达到要求。
［1］ 纪艳华，钱佳利．基于DSP和FPGA的全数字永磁同步电机伺服系统的设计［J］．电机与控制应用，2014．41（3）：28－29．
［2］ 梁志强．基于模型的DSP程序设计［J］．微计算机应用，2008，29（3）：93－96．
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［4］ 齐振恒，孙中杰，李涛．RTW嵌入式代码自动生成机制与代码结构分析［J］．计算机测量与控制，2010，18（3）：639－640．
［5］ 舒佳驰，刘明基，郭韩金．基于模糊PI控制器的永磁同步电动机最大转矩电流比控制［J］．电机与控制应用，2014， 41（1）：10－12．
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