无刷直流电机驱动闭环速度控制快速原型设计与实现

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报5（2018）99无刷直流电机闭环速度控制快速原型设计与实现放大图片作者：Kristan K.b，Saibabu Ch.Ca部。电气电子工程，GMR Institute of Technology，Rajam，AP，印度b部电气电子工程，Gudlavalleru工程学院，Gudlavalleru，AP，印度c部电气电子工程，贾瓦哈拉尔·尼赫鲁科技大学Kakinada，Kakinada，AP，印度接收日期：2016年3月3日;接收日期：2016年11月4日;接受日期：2016年12月5日2017年1月3日在线发布摘要本文介绍了使用dSPACE DS1103控制器板实现无刷直流（BLDC）电机驱动器闭环速度控制的快速控制原型实现。通常，为电机驱动器开发的控制算法可能在稳态和瞬态条件下显示出良好的仿真结果;然而，驱动器的实时性能在很大程度上取决于实时控制软件的执行、速度和位置测量以及数据采集。硬件实现的真正挑战在于选择合适的硬件设备，以及 设 备 与 控 制 器 板 的 完 美 配 置 dSPACE DS 1103 控 制 器 板 适 用 于 高 性 能 电 机 控 制 ， 因 为 它 可 以 灵 活 地 将MATLAB/Simulink模块转换为支持DSP的嵌入式代码。在本文中，一个详细的程序，以有效地控制无刷直流电机驱动器的实时性。© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：无刷直流电机;快速控制原型; dSPACE; DS 11031. 介绍电驱动器是所有工业、商业和住宅应用中重要的机械能源组件，如泵、风扇、磨机、传送带、电梯、骑手、压缩机、包装设备等（Bose，2005; Hughes，2013）。 这些系统消耗了全世界大约35%的发电量。 因此，市场上出现了对节能、更少维护、良好速度范围、更少噪音、高功率、更高扭矩密度和成本效益的电动机驱动器的需求（Bose，2005;Gim，1995;Jayaram，2009;deAlmeida等人，2014;Bist等人，2014;Bist和Singh，2013）。目前，无刷直流（BLDC）电机*通讯作者。电子邮件地址：devendra. gmrit.org（D. Potnuru），k gmail.com. K.），chs eee@yahoo.co.in（S. Ch.）。电子研究所（ERI）负责同行评审。https://doi.org/10.1016/j.jesit.2016.12.0052314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。100D. Potnuru等人/电气系统与信息技术学报5（2018）99由于其优越的特性，如较高的电流比转矩、功率密度、速度范围和低噪声运行，2013年;Aydogmus和Sünter，2012年;Garthikei，2012年;Karthikeyan和Sekaran，2011年;Shehata，2013年）。在过去的几年里，三相BLDC电机越来越多地用于许多工业应用，更重要的是用于汽车，以减少二氧化碳排放，燃料消耗和控制复杂性。BLDC电机是永磁同步电机、固态逆变器、电子控制电路和转子位置传感器的组合（Singh和Bist，2013年;Kim和Youn，2002年）。无刷直流电机的逆变器及其控制单元和转子位置传感器模仿直流电机的机械换向，称为电子换向（PillayandKrishnan，1989;PillayandKrishnan，1988）。基本上有两类BLDC电机，即。永磁同步电动机（PMSM）和BLDC电动机，这取决于它们的反电动势波形。具有六阶梯形波形的被称为BLDC电机，其中定子由三相集中绕组和转子与永磁体组成，并且PMSM具有正弦反电动势，其中定子由三相分布绕组和转子与永磁体组成（Pillay和Krishnan，1989）。为了提高驱动器的性能，研究人员主要集中在速度控制方法、转矩脉动最小化、逆变器拓扑结构和前端转换器的设计（Xie等人，2013年;Aydogmus和Sünter，2012年; Garnovi，2012年; Yildiz，2012年; Liu等人，2010; Lee和Noh，2011; Im等人，2010; Baratam等人，2014;Pan等人，2015;Shao等人，2003;Wang和Liu，2009;Moseler和Isermann，2000;Potnuru等人，2016年）。为了进一步缩短测试时间，快速控制原型在设计控制策略和与现有电子控制单元的接口方面发挥了更大的作用。快速控制原型是一个过程，在MATLAB/Simulink中开发的数学模型可以很容易地导入到实时计算机上，并通过RTI（实时接口）模块连接真实世界的系统。在无刷直流电机驱动的数字控制方面已经做了大量的工作Rubaai等人（2008年）给出了使用模糊控制器的BLDC电机快速控制原型的集成环境概念，Monmasson和Cirstea（2007年）给出了使用FPGA的工业控制系统设计方法，Rubaai等人（2006年）给出了使用DS1103的BLDC电机快速控制原型开发。目前，dSPACEDS 1104、dSPACE DS 1103和opal-RT是著名的硬件和实时软件工具，它们通过MATLAB/Simulink接口编程运行，可用于快速控制原型开发（Vasca和Iannelli，2013）。然而，它们在ADC和DAC端口的数量、内部存储器和输入/输出端口的数量等方面有所不同。用于快速控制原型的Opal-RT实施所涉及的成本略高于类似设施。人们可以阅读（Anon，2016）来比较DS1104和DS1103板的规格。然而，详细的设计和开发方法的快速控制原型实现速度控制无刷直流电机驱动器是不提供给作者硬件实现的真正挑战在于选择合适的硬件设备和设备与控制板的完美配置本文论述了无刷直流电机驱动控制的各种硬件实现方面的描述并利用dSPACE DS1103控制板在实验室中搭建了实验测试台。DS 1103在将MATLAB/Simulink模块转换为支持实时DSP的嵌入式代码方面具有更大的灵活性。嵌入式代码可以转储到DS1103板提供的DSP处理器中，并控制电力电子设备。dSPACE提供的实时干扰（RTI）是软件开发和dSPACE硬件之间的纽带此外，可以使用dSPACE控制台软件进行在线数据采集和监控。如果在测试期间需要修改任何功能，则可以在MATLAB/Simulink中简单地进行校正，并再次将其闪存到硬件中（Ghaffari，2012; Quijano等人，2002; El Beid和Doubabi，2014; Monti等人， 2003年）。在开发过程中，dSPACE快速原型系统可以替代任何控制器，其优势在于：（i）模型的在线修改;（ii）可在线读取和更新已执行的模型参数;（iii）在执行期间可访问模型数量。这些优点使研究人员和工程师能够在更短的时间内测试和验证他们的控制算法。2. 驱动方案整个三相BLDC电机驱动方案如图所示。1.一、 采用增量式编码器测量电机轴转速，并与参考转速进行比较，将速度误差反馈给PID速度控制器。D. Potnuru等人/电气系统与信息技术学报5（2018）99101Fig. 1. BLDC电机驱动方案。此外，转矩参考是通过使用限制器限制PID控制器的输出来获得的。基于负载转矩要求，参考电流发生器产生参考电流ia、ib和ic，并且这些值实际上是通过用kt缩放转矩参考T而获得的，并且它只不过是ia=ib=ic=T/kt。对于均匀转矩控制，定子绕组需要在六个离散位置处基于转子位置被激励因此，当前遵循梯形反电动势波形的平坦部分以获得均匀的转矩。该驱动器的转矩和速度控制被认为是逆变器的两相接通控制，因此它将像直流他励电机一样工作。 现在，这些参考电流和实际定子相电流在磁滞控制器中进行比较，然后磁滞电流控制器生成控制信号以接通逆变器开关（Pillay和Krishnan，1988年;Krishnan，2009年）。3. 无刷直流电机在本小节中，描述了无刷直流电机的建模，并基于五个状态变量，即。三个定子相电流（ia，ib，ic）、速度（ωm）和转子位置（θr）。Eqs。（1）-（5）是动态状态方程（Lee和Ehsani，2003年），并基于以下假设开发，例如忽略铁和杂散损耗，以及忽略由于定子谐波场引起的转子中的感应电流（Pillay和Krishnan，1988年; Krishnan，2009年; Han等人，2008;Pillay和Krishnan，1991;Lee和Ehsani，2003）。1迪阿DT=L-M1科夫阿斯— RSIA— KPωmeas （θr）θ（1）邸bDT=L-M1B.S.— RSIB— KPωmebs （θr）θ（2）迪克DT=L-M马奇夫CS— Rsic— KPωmecs （θr）θ（3）dωm=−B（ω）−1（T-T）（4）dtJdθr PmJe lDT=2[ωm]（5）102D. Potnuru等人/电气系统与信息技术学报5（2018）99式中，eas（θr）是转子角位置（弧度/秒）的函数，其幅值如图2所示，数学表示见（6），但同样的公式也可推广到ebs（θr）和ecs（θr）。此外，vas、vbs和vcs是馈送到BLDC电机的定子的相电压，并且类似地，ia、ib和ic是定子相电流，Te是D. Potnuru等人/电气系统与信息技术学报5（2018）99103⎪图二.无刷直流电机一个周期的反电动势和定子相电流（电气）。电磁转矩，Tl是负载转矩，kp是反电动势常数，其值为2NlrBmax。其中B是通量密度，Ir是导体的横截面面积，N表示导体的数量。（6E/π）θr; 0<θr π/ 6E;π/ 6<θr 5π/ 6e作为（θr）=-（6E/π）θ r+6E; 5π/ 6<θr 7π/ 6−E; 7π/ 6<θr 11π/ 6⎪⎩(6E/π)θr−12E; 11π/ 6θr2π（六）其中J是转动惯量，B是粘性摩擦系数，P是极数，λp ωm是梯形反电动势的峰值，用E表示。4. 无刷直流电机驱动在本节中，描述了无刷直流电机驱动器的仿真方法，该方法由以下子系统组成(1) BLDC电机(2) 速度控制器（PID）块(3) 逆变器和滞环电流控制器块4.1. BLDC电机BLDC电机驱动器的整体框图如图所示。该控制器由外环速度控制器和内环电流控制器组成。 整个MATLAB/Simulink框图如图所示。 其中，内部电流控制回路与逆变器子系统相结合。驱动器的性能取决于速度控制器的PID控制器增益的整定，更重要的是内环中的滞环电流控制器的对于任何给定的电动机驱动器，在设计速度控制器时，内部电流回路的操作所需的时间应该比外部速度控制回路少得多这是因为电流环的电气时间常数（L/Rs）总是小于速度控制环的机械时间常数（J/B）从（1）到（5）的动态方程用于BLDC电机的仿真。⎧⎪⎪⎨104D. Potnuru等人/电气系统与信息技术学报5（2018）99−图三. BLDC驱动器的整体MATLAB/Simulink图。表1基于转子位置的逆变器设备的切换π/6θπ/2s 1= 1;s 2= 0;s 3= 0;s 4= 1s 5= 0;s 6= 0π/2θ 5π/6s 1= 1;s 2= 0;s 3= 0;s 4= 0s 5= 0;s 6= 15π/6θ 7π/6s 1= 0;s 2= 0;s 3= 1;s 4= 0s 5= 0;s 6= 17π/6θ 9π/6s 1= 0;s 2= 1s 3= 1;s 4= 0s 5= 0;s 6= 09π/6θ 11π/6s 1= 0;s 2= 1s 3= 0;s 4= 0s 5= 1;s 6= 011π/6θ 2π s 1= 0;s 2= 0s 3= 0;s 4= 1s 5= 1;s 6= 04.2. 速度控制器PID控制器被认为是用于无刷直流电机驱动器的速度控制，并且PID控制器的输出由电机转矩常数Kt缩放以获得最大参考电流Imax，其用于磁滞电流控制器中的参考速度控制器的性能主要取决于PID控制器增益，因此增益的整定已经通过Zieglar-Nichols方法完成4.3. 逆变器和滞环电流模块在目前的工作中，逆变器的实现与电流控制器子系统相结合滞环电流控制技术被认为是主要的电流控制策略。这是由于瞬态条件下的快速动态性能。等式（7）至（14）用于实现滞环电流控制器以及基于开关函数概念的逆变器操作，其中开关切换逻辑基于ia（k）、ia（k1）、ia的斜率和转子角位置（θ）。当ia（k）为正数时if（i a（k））（i a（k-1））则S1= 1（7）if（i a（k））> LL）||（（LL π/6）（θ<5 π/6）] S1+[（θ > 7 π/6）（θ <11 π/6）] S2;（ 9）db=（θ > 0）（θ< π/2）] S1+（θ > 5 π/6）（θ<9 π/6）] S1+（θ > 11 π/6）（θ <2 π） S2;（ 10 ） dc= （ θ > 0 ） （ θ< π/6 ） S1+ （ θ > π/2 ） （ θ<7 π/6 ） S2+ （ θ > 9 π/6 ） π （ θ <2 π ） S1;（ 11）va=0。5Vdc·da（ 12）vb=0。5Vdc·db（ 13）vc=0.5Vdc·dc（ 14）其中s1、s2属于定子绕组的A相类似地，（s3，s4）和（s5，s6）分别用于切换B相和5. 硬件实现本小节描述了所提出工作的硬件实现。实验测试台的框图如图4所示，它由以下子系统1. 具有机械负载布置和增量编码器的2. dSPACE DS1103控制器板3. 电压源逆变器，带有基于霍尔效应的电流、电压测量传感器5.1. 带霍尔传感器/增量编码器的106D. Potnuru等人/电气系统与信息技术学报5（2018）99高性能四方波型3马力无刷直流电动机被认为是实验。包括一个内置的增量编码器，霍尔位置传感器，用于感测转子的速度和位置 图图5示出了用于实验的BLDC电机驱动器的快照，而图6示出了在实验室中建立的实验测试台的俯视图。D. Potnuru等人/电气系统与信息技术学报5（2018）99107图五.本工作中使用的BLDC电机的快照。见图6。无刷直流电机调速实验测试台。5.2. dSPACE DS1103控制器板使用dSPACE DS 1103的快速控制原型实现在将MATLAB/Simulink功能块与实时I/O块集连接方面具有更大的灵活性。该控制板由一个高速从DSP处理器TMS320F240和用户友好的配置，用于产生脉冲宽度调制（PWM）脉冲，增量编码器，模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）。主板上的控制器配有dSPACE的辅助连接器面板CLP 1103，可轻松连接控制器板和传感器、编码器、逆变器板等外部设备（Anon，2011）。控制算法/程序首先在MATLAB/Simulink环境中结合dSPACE的实时接口（RTI）模块开发随后，不含BLDC电机模型的相同MATLAB/Simulink模块将转换为DSP支持的代码，以便通过使用内置命令ccr + B进行实时实施然后将转换后的嵌入式代码转储到控制板的DSP处理器上进行实时实现。通过dSPACE中提供的控制台开发人员，可以完成数据采集、生成控制布局和监控控制参数此外，在实时操作过程中，控制器参数可以通过控制台在线监测和调整。dSPACE的开发过程如图7所示（Quijano等人，2002年）。5.3. 电压源逆变器智能功率模块（IPM）与混合IC-PM25 RSB 120一起用作电压源逆变器（VSI），该逆变器专为工作频率高达20 kHz的功率开关应用而设计，内置控制电路可为IGBT提供最佳栅极驱动和保护它的额定值为1200V，25 A，集成热负载，短路，欠压锁定保护系统。IPM现在正在取代传统的笨重和108D. Potnuru等人/电气系统与信息技术学报5（2018）99图7.第一次会议。 典型的dSPACE实施过程（Quijano等人， 2002年）。见图8。增量式编码器与DS1103的接口。见图9。电流传感器与DS1103的通过提供与光耦合晶体管的接口，使用最少的外部元件，实现了成本高昂的逆变器。电压源逆变器由三相二极管桥式整流器供电，以获得直流输入电压。一个电容滤波器连接在桥式整流器两端，以消除输出中的交流纹波。图8显示增量式编码器与dSPACE控制器的接口，同样，图9显示电流传感器的接口。5.4. 增量式编码器增量编码器与控制器板的接口如图6所示，用于获得BLDC电机驱动器的速度和位置。RTI模块DS1103ENC POS C1用于将编码器与控制器板连接，由两个通道组成。第一通道用于访问转子角位置D. Potnuru等人/电气系统与信息技术学报5（2018）99109−−第二通道用于访问转子信息，而第二通道用于访问转子。现在，需要将以度为单位的位置数据转换为弧度（在电学上），如图8所示，其中，5.5. 电流传感器dSPACE CLP DS1103的连接器面板由16个ADC（模数转换控制）通道组成，其中任意三个通道均可用于测量三相电流。由于dSPACE ADC RTI模块将每个输入信号的电压电平按比例缩小10，因此ADC模块的输出应乘以10以获得实际信号。失调电压一般是由霍尔效应电流传感器给出的，需要去除。此外，电流值应乘以适当的增益，以获得正确的电流测量值。但是，增益和失调值应使用实际电流表和dSPACE提供的测量模块进行广泛测量来获得。 电流传感器与DS1103控制器的接口如图9所示。DS 1103 ADC C17模块是一个用于检测电机相电流的模数转换器（ADC）RTI模块，通过拖放方式将其放入MATLAB/Simulink模型中，然后选择通道数。现在，在这种情况下，选择通道17当dSPACE将[10 10]范围的物理信号缩小到[-1 1 1]范围时，缩放后的物理信号将通过乘以“10”进行然后，可以使用适当的滤波器来滤除物理信号的噪声。在这种情况下，具有增益A、B、C和D的低通滤波器分别被选择为200、200、1和0。此外，DS1103ADC C17模块被映射到基于霍尔效应的电流传感器，因此传感器特性和实际测量需要被校准。在这种情况下，常数块用于去除电流传感器的偏移电压，然后通过乘以适当的增益来获得最终值 图图10显示了BLDC电机驱动器闭环控制中的整体dSPACE数字实现图。6. 实验结果及分析6.1. 场景1：步进速度命令为了使用dSPACE DS1103控制器检查建议的速度控制的性能，在BLDC电机上进行了从极低速度到高速以及不同类型参考速度的各种测试运行。图11（a）示出了对于15 rpm的指令速度的电动机的实际速度，并且观察到电动机以可忽略的速度误差跟踪参考速度，如图11（a）的子图所示的速度误差图中所示。 11（a）.现在，图11（b）示出了当电机以15 rpm运行时的相应转子位置。驱动器的性能也在100 rpm下进行了速度阶跃变化和正弦参考速度的测试。 图图12（a）示出了在100 rpm步长的参考速度下电动机的实际速度，并且可以观察到电动机以可忽略的速度误差跟踪设定速度。 图图12（b）示出了在100rpm下的相应转子位置，并且它是从4.5 s到8 s的放大视图，并且描绘了在此期间的相应占空比。 12（c）.6.2. 场景2：正弦速度命令驱动器的动态性能已被验证在正弦指令速度。图13（a）示出了用于正弦指令速度的电动机的实际速度，该正弦指令速度包括100 rpm的偏移和1 rad/s的频率速度误差也针对相应的闭环速度控制示出，并且相对于指令速度计算。图13（b）和图14（b）示出了转子位置以及从6 s到12 s的占空比的详细视图。(c)分别6.3. 场景3：斜坡指令速度1500 rpm和2500 rpm的参考速度被认为是用于具有斜坡参考的驱动器的高速操作，以便检查从零速度到非常高的速度的驱动器性能1500转/分的驱动器性能如图所示。 14（a）和（b）。 图图15（a）示出了给定指令速度的电机的实际速度110D. Potnuru等人/电气系统与信息技术学报5（2018）99图10个。BLDC电机驱动器闭环控制中的整体dSPACE实施见图11。(a)电机以15 rpm运行。(b)电机以15 rpm运行。2500 rpm的转速和相应的误差曲线如图15（b）所示。据观察，电机牵引参考速度，即使在高速运行和稳态误差是1%和可忽略的峰值过冲的速度闭环速度控制从高速到低速的性能如表2所示，其中绝对平均误差从低速到高速略微增加，并且对于较高的速度，最大误差小于5%。速度.D. Potnuru等人/电气系统与信息技术学报5（2018）99111图12个。（a）100 rpm时的步进指令速度（b）100 rpm步进指令下的转子位置（c）100 rpm步进指令速度下的占空比图十三. (a)正弦指令速度下的速度。(b)以正弦参考速度定位。(c)正弦指令下的占空比。见图14。(a)实际转速为1500 rpm。(b)转子位置（放大视图）。图15. (a)设定转速为2500 rpm时的实际转速。(b)转子位置（放大视图）。112D. Potnuru等人/电气系统与信息技术学报5（2018）99表2闭环控制中的速度误差。指令速度绝对平均误差15 rpm0.603550 rpm1.2193100 rpm2.51261000 rpm4.82621500 rpm5.28112500 rpm6.26927. 结论已考虑使用dSPACE DS1103控制器板实现所开发的方案已成功地从15 rpm的非常低的速度到2500 rpm的高速进行了测试所提出的方法的有效性进行了研究，为各种参考速度。据观察，在所有的情况下，所提出的方法的性能表现出良好的结果。目前的工作的主要优点是，它减少了测试时间提出的控制算法的无刷直流电机和一个可以使用类似的程序为任何其他电机。因此，可以得出结论，使用dSPACE DS1103实现无刷直流电机速度控制的快速控制原型方案，减少了实验时间和工作量引用DS1103 PPC控制器板手册。2011年：290-295。https://www.dspace.com/shared/data/pdf/2014/DS1103.pdfK网站。AdvancedControlEducationKit-经过行业验证的实验室工具-dSPACE为大学提供的特别优惠。http://robin2.r.uni-mb.si/predmeti/seminar 1/teme/ales/ace01-e.pdf。Aydogmus岛Sünter，S.，2012.基于扩展卡尔曼滤波的矩阵变换器供电的永磁同步电机矢量控制无速度传感器驱动系统的实现。Int. 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