基于M atlab的PMSM电机控制系统虚拟开发平台设计

方 环，华 华，彭小龙，陈家新

（东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620）

在高效伺服电机控制系统传统的设计开发中，开发人员根据需求分析和技术规范文档用文字，方程等方式来描述系统，但是工程师们不可避免地存在对需求分析和技术文档的理解差异，埋下失败的伏笔。以及测试验证阶段之前需要打造硬件平台，前期资金投入大[1]。基于以上传统电机控制设计开发过程存在的问题，本文基于Matlab设计PMSM电机控制系统虚拟开发平台，实现算法的早期验证和性能测试。

1 PMSM电机控制系统虚拟开发平台结构

整个PMSM电机控制虚拟开发平台由上位机GUI人机接口和PMSM电机控制系统模型两部分组成[1]，如图1所示。上位机GUI人机接口系统主要功能有两部分：1）接收用户命令，修改并显示系统控制参数，对控制系统模型发送电机控制命令。2）接收并显示控制系统的运动状态及故障报警信息。PMSM电机控制系统模型由Matlab/SimulinkStateflow采用模块化方式搭建，包括系统输入模块，嵌入式处理器模块，逆变器和电机本体模块，系统输出分析模块。

2 PMSM电机控制系统模型

本文基于Matlab/Simulink，Stateflow建立了完整的伺服电机控制仿真模型，采用模块化方式建模，如图2所示。整个完整的系统包括系统输入模块，嵌入式处理器模块，逆变器及电机本体模块，系统输出分析模块.本文主要介绍嵌入式处理器模块[2]。

嵌入式处理模块包括控制算法模块和外围设备驱动模块，控制算法模块主要包括控制模式调度系统模块（Mode Schedule）和电机磁场定向控制器模块（Motor Control）；基于Matlab/Stateflow建立了控制模式调度系统，如图3所示。其作用为根据系统输入命令判别控制系统特定阶段的运行方式，有等待模式，起动开环控制模式，双闭环控制模式和停止减速模式；控制算法起始于等待模式，不断等待输入命令（Motor_on）起动电机，一旦接收到起动命令，系统进入起动开环控制，给电机一恒定的加速度起动。通过正交编码得到电机一个确定的位置信号时，系统进入双闭环控制模式实现输入跟随给定。当接收停止电机命令时，电机进入停止减速模式直到转速为零，最后返回到等待模式[3]。

图1 PMSM电机控制开发平台构图Fig.1 Structureofdevelopmentplatform forPMSMmotorcontrolsystem

图2 PMSM电机控制仿真模型主界面Fig.2 Themian interface of simulationmodel

电机磁场定向控制器模块采用最简单的id=0转子磁场定向控制方式，逆变器的驱动控制采用空间电压矢量控制方式（SVPWM）.其各功能模块框图，如图4所示。基于此功能框图搭建Matlab电机控制模块，电机运行时检测到三相定子电流，通过坐标变换分解出定子旋转磁场中与转子磁场对齐的分量（直轴电流id）和产生转矩的分量（交轴电流iq）；通过正交编码实时检测转子位置，计算得到转速与给定转速进行比较，通过转速PI控制器输出电流环给定iq*，与上述得到的交轴电流iq比较，再经PI控制得到Uq；设定另一个电流环给定值id=0，实现磁场定向控制。Uq，Ud通过坐标反变换输入Ua和Uβ，经过SVPWM发生模块生成控制三相逆变器的脉宽调制信号，最终得到所需三相电流控制电机旋转[4]。

图3 控制模式调度系统Fig.3 System of contralmode schedule

图4 SVPWM控制框图Fig.4 Structure diagram of SVPWM control

3 上位机GUI人机接口

上节已建立了完整的PMSM电机控制系统模型，但在算法验证和测试过程中需不断改变系统给定值，电机参数以及系统控制参数，并查看相应仿真结果。为了完善整个虚拟开发平台，方便测试人员调试和验证，基于Matlba/GUI建立了图形用户界面。

3.1 GUI的制作及程序的设计

MATLAB设计图形用户界面有两种方法：1）使用程序（M文件）编写的方式建立GUI；2）利用GUIDE设计图形用户界面。第一种方法在调整图形组件位置时需要花费较长的时间，文中采用第二种方法。

3.2 PMSM电机控制系统GUI界面设计

文中中，MATLAB界面设计主要是解决GUI界面控制Simulink仿真及仿真结果的动态显示。

3.2.1 GUI控制Simulink仿真

GUI界面控制simulink仿真实现的功能是改变系统的给定输入，如电机转速，电机负载转矩；还可调整电机本体的参数，如定子相电阻Rs，极对数等等.界面亦可以调整系统控制器的参数，如速度环K（P），电流环K（P）等等。其功能主要实现步骤如下[5]。

1）通过“打开模型”按钮打开模型文件：

调用 open_system（‘sys’）函数，‘sys’是 Matlab 路径上的模型名称。

2）通过编辑框或是滑动条设置用户给定值以及模型中各模块的参数：

首先调用get（）函数得到所需修改参数值，如value1=get（handles.edit1， ‘string’）； 接 着 通 过 set_param （‘obj’，‘parameter1’，value1）。 其 中 ， ‘obj’ 模 块 的 路 径 名 ，‘parameter1’，value1为要设置的参数及数值。

3）通过“执行”按钮启动仿真过程：

调用 sim （model，timespan） 函数；model为模型名称，timespan为仿真的开始时间和结束时间。

3.2.2 GUI动态显示Simulink仿真结果及数据保存

1）显示电机转速，直轴电流，交轴电流，电磁转矩波形[6]

通过判断listbox的value值，采用Switch语句实现不同波形的显示功能。将simulink波形输出信号经过“to Workspace”模块，保存数据至Matlab的基本工作空间，通过evalin函数将数据传递到回调函数中，接着采用背景擦除的方法，动态的划线，采用for循环或者定时器来动态改变坐标系 XData，YData 值 ， 即 set （p，'XData'，t1（1，:），'YData'，m1（1，：））。

2）保存仿真数据至Excle

可通过“保存数据”按钮可将Simulink仿真数据储存在Excle中，方便开发人员进行数据分析和处理。“保存数据”按钮的回调函数主要功能程序如下：

[FileName， PathName]=uiputfile （{'*.xls'}，'Save as'）；%打开文件保存对话框

xlswrite（str1，r1（1:50000，1:3），'Rotor Velocities （RPM）'）；%将数据存至Excle中

4 虚拟开发平台运行测试验证

PMSM电机控制虚拟开发平台GUI主界面如图5所示。

图5 虚拟开发平台GUI主界面Fig.5 Themian interface of GUI

通过GUI界面设定电机转速为1000RPM，负载转矩为0.2 oz-in，设置好电机参数及系统参数，如图6。打开模型按下“执行”按钮，仿真系统开始运行，表盘不断显示电机转速和电流。按下“停止”按钮，系统停止运行。可通过列表框查看仿真过程中各性能参数波形，并能保存参数数据和波形。

图6 系统参数设置界面Fig.6 Interface of setting parameter

转速波形图如图7所示，系统响应速度快，没有出现超调，调节时间ts为 0.115 s；

图7 转速波形界面Fig.7 Interface of rotation rate scope

直轴电流Id波形如图8所示，Id值基本围绕Id=0波动，符合PMSM转子磁场定向控制方式要求，验证了PMSM电机控制系统模型的正确性。

图8 直轴电流Id界面Fig.8 Interface of Id scope

5 结 论

文中基于Matlab搭建了PMSM电机控制系统虚拟开发平台，文中详述了PMSM电机控制系统模型的建立及人机接口的设计，并通过实验操作验证了电机控制系统模型的正确性，及人机接口各个控件的功能。可实现PMSM电机控制开发设计算法的早期验证和性能测试，方便系统性能和参数改进以及后期扩展。

[1]李永东.交流电机数字控制系统[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]刘杰，翁公羽，周宇博.基于模型的设计-MCU篇[M].北京：北京航天航空大学出版社，2011.

[3]JeffC.Jensen.Elemets of Model-Bsed Design.Department of Electrical Engineering & ComputerScience of Berkeley Journal，2010，2（15）:2-3.

[4]李军政，吕敬高，孙良友.永磁同步电动机磁场定向矢量控制[J].船电技术，2005（4）：4-6.LI Jun-zheng，LV Jing-gao，SUN Liang-you.Field-Oriented vector control of permanent magnet synchronous motor[J].Marine Electric&Electronic Engineering，2005（4）：4-6.

[5]罗华飞.Matlab GUI设计学习手记[M].北京：北京航天航空大学出版社，2011.

[6]刘焕进，王辉，李鹏.Matlab N个实用技巧[M].北京：北京航天航空大学出版社，2011.