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无刷直流电机闭环速度控制原型设计与实现方法
摘要：
本文介绍了使用dSPACE DS1103控制器板的无刷直流（BLDC）电机驱动的闭环速度控制的快速控制原型实现。通常，为电机驱动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和配备控制器板的设备的完美配置.dSPACE DS1103控制器板适用于高性能电机控制，因为它具有将MATLAB / Simulink块转换为支持DSP的嵌入式的灵活性码。本文介绍了一种实时有效控制BLDC电机驱动的详细步骤。
一，简介
电驱动器是所有工业，商业和住宅应用中的重要机械能源组件，例如泵，风扇，磨机，输送带，电梯，车手，压缩机，包装设备等等。这些系统在全世界消耗大约35％的发电量。因此，市场上出现了对节能，维护更少，速度范围更小，噪声更小，功率更大，扭矩密度更高且成本效益更高的电动机驱动器的需求。自20世纪70年代以来，无刷直流（BLDC）电机已用于不同的应用，例如工业自动化，汽车，航空航天，仪器仪表和电器。如今，无刷直流（BLDC）电机由于其优越的特性，如电流比，功率密度，速度范围和无噪音操作等特性，已经给现有电机带来了激烈的竞争。三相BLDC电机越来越多地用于许多工业应用，更重要的是在过去几年中用于减少二氧化碳排放，燃料消耗和控制复杂性的汽车.BLDC电机保留了有刷直流电机的特性，但消除了换向器和刷子。它可以由直流电压源驱动，而电流换向则由固态开关电子完成。这使得它需要较少的维护，并且在许多应用中，有刷直流电机被BLDC电机取代。据文献记载，BLDC电机与有刷直流电机相比具有许多优点。其中，BLDC使用中可以找到更高的速度范围，更高的效率，更好的速度与扭矩特性，更长的使用寿命，无噪音操作和更高的动态响应。
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。逆变器及其控制单元和BLDC电机的转子位置传感器模仿直流电机的机械换向，称为电子换向。基本上有两类BLDC电机即。永磁同步电机（PMSM）和BLDC电机取决于它们的反电动势波形。具有六级梯形波形的那种称为BLDC电动机，其中定子由三相集中绕组和具有永磁体的转子组成，并且PMSM具有正弦反电动势，其中定子由三相分布绕组和永久转子组成。为了提高驱动器的性能，研究人员主要关注速度控制方法，扭矩纹波最小化，逆变器拓扑结构和前转换器设计。为了缩短测试时间，快速控制原型设计起到了更大的作用，在设计控制策略和与现有电子控制单元接口方面发挥了更大的作用。快速控制原型开发是一个过程，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，RTI（实时接口）模块可以连接现实世界的系统。
BLDC电机速度控制在现代电机控制中起着重要作用。BLDC电机具有梯形反电动势，需要矩形定子电流来产生恒定的电动转矩。然而，由于相电感和有限的逆变器电压，在实践中不能实现理想的矩形电流形状。为了保持流入电动机的实际电流尽可能接近矩形参考值，使用滞后或PWM电流控制器。在文献中发现双闭环速度控制是常见的。外环用于速度，而内环用于电流或转矩控制。PID控制一直是最发达的策略之一。线性控制系统已有超过75年的历史，并且仍常用于工业控制系统。PID控制因其简单，稳健和易于调整的参数而如此受欢迎。由于BLDC电机是一个多变量非线性系统，因此还需要解决许多其他问题。采用PID控制和PWM方案的BLDC电机驱动具有强饱和特性，导致饱和现象。这是一种情况，其中发生设定点的大的变化，并且在上升期间，积分项必须存储（累积）大的误差。
在BLDC电机驱动的数字控制方面已经做了大量工作。使用由Rubaai等人提供的模糊控制器的BLDC电机快速控制原型的集成环境的概念。给出了使用FPGA的工业控制系统的设计方法，以及Rubaai等人使用DS1103的BLDC电机的快速控制原型开发。。目前，dSPACE DS1104，dSPACE DS1103和opal-RT是着名的硬件和实时软件工具，通过MATLAB / Simulink接口编程进行快速控制原型设计。然而，它们在ADC和DAC端口数量，内部存储器和输入/输出端口数量等方面存在差异。对于类似设施，Opal-RT实施快速控制原型的成本略高。可以阅读以比较DS1104和DS1103板的规格。
以往对控制方案的研究和开发对BLDC电机驱动起到了很好的作用。但是，现有文献中作者对于速度控制BLDC电机驱动的快速控制原型实现的详细设计和开发方法尚无法获得。由于硬件实现的真正挑战在于选择合适的硬件设备并使用控制器板完美配置设备。
本文介绍了BLDC驱动控制的各种硬件实现方面，以及使用dSPACE DS1103控制器板在实验室中创建实验测试台.DS1103旨在满足现代控制原型的要求。控制器板提供更多功率和我到目前为止，除了任何其他单板系统外，为了避免任何开发限制，DS1103配备了一个PowerPC处理器，用于400 MHz的快速浮点计算。无与伦比的I / O接口数量使DS1103 PPC控制器板成为一个整体 - 快速控制原型设计。包括数字I / O以及36个ADC通道和8个DAC通道.DS1103在将MATLAB / Simulink模块转换为实时DSP嵌入式代码方面具有更大的灵活性。嵌入式代码可以插入DS1103板上提供的DSP处理器并控制电力电子设备。dSPACE中提供的实时干扰（RTI）是软件开发和dSPACE硬件之间的链接，这是更快，更准确的速度响应的必要标准。此外，可以使用dSPACE控制台软件完成在线数据采集和监控。如果在测试期间需要进行任何功能修改，可以在MATLAB / Simulink中简单地进行修改，然后再将其刷新到硬件上。dSPACE快速原型系统可以替代任何控制器
在开发过程中，它的优点是：（i）在线修改模型;（ii）可以在线读取和更新执行的模型参数;（iii）并且在执行期间可以访问模型数量。这些优势使研究人员和工程师能够在更短的时间内测试和迭代他们的控制算法。
2. 驱动方案
整个三相BLDC电机驱动方案如图1所示。电机的轴速度使用增量编码器测量，并与参考速度进行比较，速度误差输入PID速度控制器。
图1. BLDC电机驱动方案。
此外，通过使用限制器限制PID控制器的输出来获得转矩参考。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 *，这些值实际上是通过用kt按比例缩放转矩参考值T *获得的，它只不过是ia * = ib * = ic * = T * / kt。为了均匀的转矩控制，定子绕组需要在六个离散位置基于转子位置被激励。因此，电流精确地跟随梯形反电动势波形的平坦部分，以获得均匀的转矩。该变频器的转矩和速度控制被认为是由变频器进行的两相接通控制，因此它将像直流单独励磁电机一样工作。现在，在滞后控制器中比较这些参考电流和实际定子相电流，然后滞后电流控制器产生控制信号以打开逆变器开关。
3. BLDC电机的建模
BLDC电机的数学模型是其性能分析和控制系统设计的基础。BLDC电机具有三个定子绕组和一个永磁转子。由于磁体和不锈钢的高电阻率，转子感应电流可以忽略不计。无刷直流电机的分析和设计要求其准确的模型和参数。在这一小节中，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（omega;m）和转子位置（theta;r）。Eqs。（1） - （5）是动态状态方程（Lee和Ehsani，2003）并基于以下假设发展，例如铁和杂散损失被忽略，并且由于定子谐波场而忽略转子中的感应电流。
其中e as（theta;r）是转子角位置（弧度/秒）的函数，其幅度如图2所示，并且在数学上用（6）表示，但是对于e bs（theta;r）和e可以扩展相同cs（theta;r）。进一步的v as，v bs和v cs是馈送到BLDC电机定子的相电压，类似地，ia，ib和ic是定子相电流，T e是
图2. BLDC电机的反电动势和定子相电流，用于一个周期（电气）。
电磁转矩，T1是负载转矩，kp是反电动势常数，其值是2NlrB max。其中B是磁通密度，导体横截面的面积lr和N表示导体的数量。
其中J是惯性力矩，B是粘性摩擦系数，P是极数，lambda;pomega;m是梯形反电动势的峰值，用E表示。
4.模拟BLDC电机驱动
（1）BLDC电机
（2）速度控制器（PID）块
（3）变频器和滞后电流控制器块
4.1.BLDC电机
BLDC电机驱动的总体框图如图1所示，它由外环中的速度控制器和驱动器内环中的电流控制器组成。整个MATLAB / Simulink框图如图3所示，其中内部电流控制环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控制器增益的调整，更重要的是内部回路中的滞环电流控制器性能。对于任何给定的电动机驱动，内部电流回路操作所需的时间应远小于设计速度控制器中的外部速度控制回路。这是因为电流环的电气时间常数（L / R s）总是小于速度控制环的机械时间常数（J / B）。从（1）到（5）的动态方程用于模拟BLDC电动机。
图3. BLDC驱动器的整体MATLAB / Simulink图。
表格1
基于转子位置切换逆变器装置。
4.2.速度控制器
PID控制器被认为用于BLDC电机驱动的速度控制，PID控制器的输出通过电机转矩常数K t来缩放，以获得最大参考电流I max，其用于滞后电流控制器中的参考电流产生。速度控制器的性能主要取决于PID控制器的增益，因此通过Zieglar-Nichols方法对所需的稳态误差进行了调整，所需的稳态误差为20％，建立时间小于3 s。
4.3.逆变器和滞后电流模块
在目前的工作中，逆变器实现与电流控制器子系统相结合。滞后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。从（7）到（14）的等式用于实现滞后电流控制器以及基于切换功能概念的逆变器操作，其中用“1”和“OFF”表示的切换“ON”表示为“0”。切换逻辑基于i（k），ia（k-1），ia的斜率和转子角位置（theta;）。当ia（k）为正时
图4所示的简单DS1103控制器用于BLDC电机的速度控制。
图4.使用DS1103的BLDC电机的整体驱动（Potnuru等，2016）。
其中LL和UL表示滞后电流控制器的下限和上限，类似的开关控制逻辑可以扩展到其余两相。逆变器相电压如公式1所示。（9） - （14）和基于转子位置的逆变器装置的切换如表1所示
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C相。
3.硬件实施
本节讨论了BLDC电机驱动闭环控制的硬件实现。通过实验结果验证了速度控制的仿真结果。本文给出了用于实验和仿真的电动机参数。本小节描述了所提出工作的硬件实现。实验试验台的框图如图4所示，它由以下子系统组成：
1.BLDC电机，带机械负载配置和增量编码器
2. dSPACE DS1103控制器板
3.电压源逆变器，基于霍尔效应的传感器，用于电流，电压测量
5.1.带霍尔传感器/增量编码器的BLDC电机
高性能四方波型3马力无刷直流电动机被认为是用于实验的。In由内置增量编码器，霍尔位置传感器组成，用于检测转子的速度和位置。图5显示了用于实验的BLDC电机驱动的快照，而图6显示了在实验室中建立的实验测试床的顶视图。
图5.本工作中使用的BLDC电机的快照。
图6.用于BLDC电机速度控制的实验试验台。
5.2.dSPACE DS1103控制器板
本文介绍了BLDC电机驱动的MATLAB / Simulink实现。本文介绍了BLDC电机驱动的基本构建模块。使用dSPACE DS1103的快速控制原型实现具有更大的灵活性，可将MATLAB / Simulink功能块与实时I / O块集连接。控制器板由高速从DSP处理器TMS320F240和用户友好配置组成，用于生成脉冲宽度调制（PWM）脉冲，增量编码器，模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）。控制器板上装有dSPACE辅助连接器面板CLP1103，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。
控制算法/程序首先在MATLAB / Simulink环境中与dSPACE的实时接口（RTI）块结合开发。之后，将不带BLDC电机模型的相同MATLAB / Simulink模块转换为DSP支持的代码，通过内置命令ctrl B进行实时实现。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。可以使用dSPACE中提供的控制台开发人员完成数据采集，生成绘图仪布局和控制参数监视。此外，在实时操作期间，可以通过控制台在线监控和调整控制器参数.dSPACE中涉及的典型dSPACE实现过程如图7所示。
5.3.电压源逆变器
带有混合IC-PM25RSB120的智能功率模块（IPM）用作电压源逆变器（VSI），专为工作频率高达20 kHz的电源开关应用而设计，内置控制电路可为电源开关提供最佳的栅极驱动和保护。 IGBT的。它具有1200 V，25 A的额定值，集成了热负载，短路，欠压锁定保护系统。IPM现在正在取代传统的庞大和
图7.典型的dSPACE实现过程（Quijano等，2002）。
图8.增量编码器与DS1103的接口。<!--
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