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SimulationofPMSMVectorControlSystembased

onNon-linearPIDandItsEasyDSPRealization

2014年4月10日

基于非线性PID永磁同步电机矢量控制系统仿真及其DSP实现

摘要

本文给出空间矢量脉宽调制（SVPWM）的基本原理，以及构建两条闭合回路矢量控制永磁同步电机（PMSM）的仿真模型方法。

同时，在速度闭环对于新型非线性PID控制器进行了研究。

仿真结果表明它具有无超调和小速度脉动良好的动态和静态性能。

此外，利用在MATLAB中嵌入式目标为TIC2000（C2000ETTI）的工具，我们将SVPWM仿真模型转换成可执行代码，并下载到TMS320F2812，实现基于DSP永磁同步电机的开环控制。

这种方法避免了繁琐的编程工作，缩短了系统开发周期，实现了同步模拟和DSP实现永磁同步电机矢量控制系统的目标。

1引言

永磁同步电机被广泛使用在交流伺服系统，因为它有如快速响应，出色的操控性能，尺寸小和重量轻等优点。

最近，SVPWM技术逐渐取代了传统的SPWM。

SVPWM的目的是产生磁通矢量来接近交流电机实际气隙磁通圆，通过在逆变器装置调整切换时间和控制电功率的通断模式。

相较于SPWM，SVPWM技术降低了谐波含量和开关损耗，其直流电压利用率也提高了很多。

此外，它很容易被数字化。

因此，我们在本文应用SVPWM技术。

ETTIC2000提供结合Simulink和TIDSP一起进行系统开发的方法。

首先，把所支持的Simulink模块TMS320F2812组成一个模型文件。

然后，修改实时车间，以便配置参数自动转换成模型文件到C代码。

实时车间的用法是可以在CCS创建项目，编译，链接和将可执行文件下载到目标系统F2812。

本文实现了在实验板F2812进行实时测试。

结果表明，这个新颖而简便的方法，可以实现在相同的Simulink环境里在线仿真硬件和软件。

2SVPWM的原理

定子磁通空间矢量以一个恒定的速度以及不变的幅度旋转，当它是由3相正弦电压供给时。

同时，移动磁通矢量形成了一个圆形的空间旋转磁场。

同样是真正的电压矢量。

当磁通矢量在空间中旋转一个时期，电压矢量也旋转经过一定时间的切线的磁链圆。

因此，它的轨迹与磁链圆重合。

SVPWM的是一种使用8空间电压矢量生成磁链圆接近定子磁链圆电机的技术。

图1显示了一个典型的3相电压型逆变器电路。

如果我们定义在上桥臂晶体管的状态上和下是关闭为1，否则为0，则在逆变器中有八个通断模式。

变频器的八个输出电压如图2所示。

开关模式（000）和（111）分别是零电压向量

（000）、

（111），而另一些是所谓有效的非零电压矢量，其振幅是1.5Vdc。

给定一个任意的输出电压矢量，我们可以通过与其相邻的有效电压向量合成它。

例如，区间1的一个输出电压矢量可表示如下：

其中Ts、T4、T6分别是

、

的运行时间。

图1三相电压型逆变器

图2电压空间矢量

3系统模型

3.1永磁同步电机数学模型[1]

我们使用d-q旋转坐标系，将其固定在转子轴分析永磁同步电机的稳态和动态性能，研究表明它比其他坐标更加方便。

在d-q旋转坐标，电压方程为表示如下：

磁通的方程可描述为：

转矩方程为：

用（3）中

和

替换（4）中的，特此，我们得到（5）如下：

永磁同步电机具有运动方程：

下表1中列出了上述方程中涉及参数。

表1方程中的参数

3.2SVPWM仿真模型[4]

在论文[4]中，构建SVPWM模型的方法是成熟的。

在此基础上，我们做一个更可行的模型在加入死区时间后。

图3示出的SVPWM仿真模型有五个模块：

扇区判断，XYZ计算，有效向量的运行时间，晶体管的运行时间以及SVPWM脉冲的产生。

图3SVPWM模型

3.3非线性PID控制器的结构

PID控制器已在电气传动，伺服控制，化学工程与其他领域获得广泛应用因为其简单的控制原理以及很强的适应性。

在PID控制器中，积分效应还可以降低系统的稳态误差，提高其稳定性能。

但是，如果过大，就会导致积分饱和以及较大超调。

至于微分效应，它能捕捉敏感信号误差的趋势，这意味着微分具有一定程度的可预测性。

然而，微分只能作用于动态的过程，因为它可以表示为误差的增量，以时间增量的比值。

此外，它对噪声非常敏感，这很容易导致系统不稳定。

随着被控对象的变化和更高的控制精度的需求，常规PID控制算法很难获得良好的控制效果。

永磁同步电机，作为我们的研究对象，是具有高非线性，强耦合，时变特点的系统。

因此，选择一个复合控制策略是必要的。

如非线性PID，模糊PID和微分先行PID。

在本文中，我们选择在速度环的非线性PID。

非线性PID模型如图4所示，它由一个PID控制器，一个PI控制器和开关装置构成。

取速度误差作为切换条件。

当它小于在一定值时，选择PI控制器工作，否则，选择PID控制器。

这种方法不仅可以降低脉动速度和超调，同时也显著加快了仿真速度。

非线性PID控制器的参数列于表2。

图4非线性PID控制器

表2非线性PID控制器的参数

3.4整个系统的仿真模型

结合上述的块，完成两个闭环矢量控制仿真模型的永磁同步电机，如图5所示。

PI控制器在电流回路中的参数是为KP=8和KI=3，死区时间是2s。

图5双环矢量控制仿真模型

4仿真与实验结果

在模型中使用永磁同步电机参数列于表3。

表3永磁同步电机参数

设置400rad/s作为参考速度以及无负荷起动电机，则在0.02秒添加7N.m负载转矩。

该模拟时间为0.08s和SVPWM载波周期是0.0001s。

图6和图7分别显示了在PI控制策略和非线性PID控制下速度和转矩的波形。

图7告诉我们，在施加非线性的PID后几乎没有任何超调，以及实际转速跟踪参考速度快且准确。

此外，该速度脉冲在增加负载转矩后非常小。

图8表示三相电流的波形。

图6PI控制下速度和转矩波形

图7非线性PID控制下速度和转矩波形

图8三相电流

5易于实现DSP的开环系统

本实验采用CCS3.1软件和MATLABR2007a，硬件是大盛实验箱和IPM-PS21267。

通过ETTIC2000建立在MATLAB/Simulink的模型，在那之后，我们需要手工配置一些模拟/配置参数。

在求解器选项中，选择固定步长和离散式。

在实时车间，选择目标文件作为CCSlink_ert.tlc并且在实时车间/链接为CCS改变项目选项来调试。

然后，连接JTAG仿真和PC实验箱。

最后，单击工具/实时车间/构建模型，它可以生成可执行代码并自动下载到目标F2812。

本文说明了通过在SIMULINK中建立一个模型，它可以产生F2812SVPWM脉冲的简单方便方法。

死区时间为2s的仿真模型显示在图9中。

在图9中，不同的Vd，Vq产生的SVPWM脉冲占空比不同。

该SVPWM脉冲，通过扩展接口J77在大盛实验箱中产生，我们可以通过示波器观察到。

PWM3和PWM4的波形显示在图10。

把PWM3和PWM4放到同一水平线以便得到死区时间。

图11示出了死时间是2μs。

图9F2812中的SVPWM脉冲产生模型

图10PWM3和PWM4的波形

开环控制系统的结构显示在图12。

供应在IPM的IGBT与SVPWM脉冲由F2812产生的，然后电机将转动。

图11死区时间2μs

图12开环控制系统结构

6结论

在本文中，提出了一种新型的基于非线性PID控制和SVPWM的PMSM两条闭合环矢量控制系统。

仿真结果表明，系统性能已经通过应用非线性PID控制器和矢量控制策略改进。

该系统具有无超调，快速响应和更低速度脉动的优势。

此外，它是不敏感的负载转矩。

在本文的最后一部分，我们提出了一个简单的方法，在ETTIC2000的基础上，该方法可以输出SVPWM脉冲F2812。

它避免一行一行编辑DSP代码。

因此，它可以大大提高系统开发速度，同步实现模拟和DSP实现永磁同步电机控制系统。

未来的工作将集中在两个方面。

第一种是继续对永磁同步电机控制策略的研究，旨在提高控制精度和鲁棒性。

另一种是通过将编码器和其他以形成闭环保护电路，在ETTIC2000的基础上下载到F2812，实现交流伺服系统的数字化的永磁同步电机。

7参考文献

[1].GuoQing-ding,SunYi-biao,WangLi-mei,TheModernACServoSystemofPMSM[M],ChinaElectricPowerPress,Beijing,2006.

[2].LiZhen-fang,SuTao,HuangXiao-yu,DSPProgramDevelopmentDSP--MATLABDebugandDirectGoalCodeGeneration[M].Xi’anElectronicsandTechnologyUniversityPress,Xi’an,2007.

[3].WangXiao-ming,WangLing,TheDSPControlonMotor[M].BeihangUniversityPress_Beijing_2004.

[4].WangZhengguang,JinJianxun,GuoYonguang,ModelingandSimulationofPMSMControlSystemBasedonSVPWM,Proceedingofthe27thChineseControlConferece,2008,724-729.

[5].XuDG,WangH,ShiJZ.PMSMServoSystemwithSpeedandTorqueObserver.AnnualPowerElectronicsSpe-cialistsConference,2003,34

（1）:

241-245.

[6].KeZhao,HanyingGao,Abdolrezali,LiSun,StudyonaNovelControlSystemofPMSM,Proceedingofthe6thWorldCongressonIntelligentControlandAutomation,2006,8231-8236.