永磁同步电机矢量控制软硬件测试方法

宋正强,杨辉玲

（扬州职业大学,扬州市,225000 )

1 引言

由于电机可以将电能和机械能进行有效转换，因此在电力工业中具有广泛的应用。同感应电机相比，永磁同步电机（PMSM）具有高功率密度、高效率、高转矩密度、良好的转矩平稳性、低振动噪声以及体积小、惯性低、响应快的特点[1-3]，被广泛应用于电动车电驱动系统。而科研人员在开发调速系统软件之前，对硬件的检测和参数整定是至关重要的，也对后续的开发成功与否起着决定性作用。

永磁同步电机交流调速开发系统一般由三相电压逆变器，永磁同步电机，直流电机，三相可调变压器，控制器以及电压电流检测部分组成[4]。开发工作一般主要分为两大部分，硬件部分和软件部分。对于许多从事软件开发，以及智能控制的科研人员来说，大多需要科研辅助人员完成前期的硬件调试工作，以便快速投入自己的主要工作，紧追科学前沿。而在实际工作中，经常会发生科研人员与辅助人员因为科研开发问题而发生矛盾。比如，某科研人员设计了一台新型永磁同步电机，在采用常规的磁场定向控制、最大转矩控制和弱磁控制时遇到问题，常会将问题归咎于调速系统的硬件设施，尤其是逆变器。而科研人员在编制软件调试过程中，往往需要先完成硬件设施的测试，以保证软件调试的正确性。

在本文中以永磁同步电机交流调速开发系统为例，详细的阐述了系统硬件工作的基本工作原理与参数整定方法，以及整个系统的软件开环测试方法和闭环测试方法，依照先硬件后软件的顺序快速完成整个系统的测试。同时针对硬件固有的不同问题提出了利用软件消除的方法，为科研人员实现产品快速开发提供了有力的保证。

2 永磁同步电机转子坐标系下数学模型

由于采用电流矢量控制PMSM, 因此本文首先给出永磁同步电机转子参考坐标系 下数学模型：

电压方程为:

或表示成矩阵形式：

磁链方程为:

电磁转矩方程为：

3 驱动系统硬件工作平台和检测分析

如图1所示,主电路部分为三相0-1000、电压在0-415变化电源，编码盘EN用于检测转子位置，转子每转一圈输出4000个高电平脉冲，并连接至DSPACE编码盘接口；直流电动机作为测试负载；控制器采用以DSP为核心技术的DSPACE1104；相电流 经检测后通过同轴电缆连接到DSPACE的ADC1和ADC2口, 完成模拟信号到数字信号转换。

3.1 硬件工作平台主要检测工作

（1）转子与增量编码器间初始安装角度检测

（2）相电流检测误差的检测和消除

（3）相电流与电压的比例系数整定

（4）逆变器工作频率与工作电压测试

由于篇幅所限，关于上述硬件检测工作的详细内容不再重复叙述，可以参见文献[]

4 软件测试分析

驱动系统的软件编写与测试工作主要分为两部分，首先要完成整个控制系统的开环测试，然后要完成系统双闭环测试，包括电流环和速度换的软件测试。表一提供了此次测试用永磁同步电机的具体参数。

4.1 PMSM 驱动开环控制软件测试分析

如图6所示，为了完成PMSM系统的FOC闭环控制方法，我们首先要进行系统的开环控制程序调试，其中负载可以采用RL负载代替永磁同步电机。这样做的目的，主要是测试开环控制情况下电流环程序是否正确，以及电流响应能否正确跟随输入的控制信号。如图7所示，电流控制指令由三相abc三相坐标系转换成dq两相坐标系下指令，其中id-ref设置为0，iq-ref设置为单位阶跃曲线，当q轴电流iq能够快速跟随控制信号iq-ref时，证明电流环控制参数以及程序等正确，开环调试工作完成。

图1 永磁同步电机调速开发系统示意图

表一：IPMSM 参数

4.2 PMSM 驱动闭环控制软件测试分析

如图4所示，整个永磁同步电机矢量控制系统由内环电流环和外环速度环共同完成双闭环控制，而在前面部分，已经由开环控制部分完成了电流环软件控制程序的测试，因此在这里仅需对速度环完成程序编写调试以及PI控制参数的手工调试，并通过检测电机A、B、C三相电流的对称性和平滑性以及速度平稳性来判断是否完成整个驱动系统的基本测试工作。如图5所示为永磁同步电机三相A、B、C输出电流曲线，可以看出三相电流具有很好的对称性和平滑性，整个电机驱动系统完成了基本闭环矢量控制要求。

3 结论

图2 基于SV-PWM 方法的开环矢量控制流程

本文以永磁同步电机交流调速开发系统为例，详细的阐述了系统软硬件工作原理以及测试方法，并针对一些硬件设施固有的问题提出了利用软件消除电压、电流传感器的检测误差和比例系数整定方法，转子与增量编码器间初始安装角度检测，开关器件的死区时间设置等，这些问题和解决方法在工程实践和科研开发过程中有着重要的参考价值，在科研人员快速完成PMSM闭环矢量控制测试后，为下一步继续开展进一步科学研究或者实现产品快速开发提供了有力的保证，因此本文对科研开发前期工作有着积极的指导意义。

图3.两相坐标系下q轴电流跟随指令响应曲线

图4.PMSM驱动闭环矢量控制框图

图5.PMSM三相电流响应曲线

[1]唐仁远.现代永磁电动机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,1997.

[2]Muhammed Fazlur Rahman,Md.Enamul Haque,“Problems associated with the direct torque control of an Interior permanent-magnet synchronous motor drive and their remedies,”IEEE Trans.on industrial elec tronics,vol.51,no.4,pp.799-808,2004.

[3]宋正强.贴面式永磁同步电机无传感器控制策略的研究[J].电力电子技术,2010,44(11).

[4]杨新华，陈旭，杨辉玲.永磁同步电机调速开发系统硬件检测与参数整定方法[J].扬州职业大学学报，2013,17卷第4期.