永磁同步电机模拟系统硬件在环仿真平台研究

王喜莲，赵鹏宇，王华巍，毕大强

(1.北京交通大学 电气工程学院，北京 100044；2.清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京 100084)

永磁同步电机具有结构简单、体积小、质量轻、损耗小、效率高等优点，因而应用范围极为广泛，遍布国防、工业、交通、生活、医疗等各种应用场景[1-3].永磁同步电机需要连接驱动电源运行，高性能的驱动电源有利于电机的精确控制，因此需要对其驱动电源进行性能检测和评估.而电子负载技术和硬件在环实时仿真技术的应用可以缩减驱动电源性能检测需要的成本和周期.

最早提出的电子负载是专用于不间断电源老化放电试验的，而由于电子负载灵活多变的特性，后续也被用于直流电源、变频电源的出厂试验[4-6].文献[7]针对不间断电源的研究关注到电子负载的输出特性，研究设计的结构与控制方式使输出电流谐波畸变率较小，控制效果更好.文献[8]相比文献[7]提出的电子负载对不间断电源中的谐波进行补偿，但输出电流谐波畸变率过大.文献[9]设计一种分离控制式交-直-交功率负荷模拟器，交-直部分负责对功率负荷的伏安特性进行模拟，稳定直流电压.直-交部分采用单位功率因数控制，将电能回馈电网.但是仅模拟了恒定负荷或者缓慢变化的负荷，对冲击负荷并未进行研究.文献[10]对异步电动机的功率模拟提出了新方法，但是对模拟电机的并网控制考虑不周全，无法顾及电网波动下，逆变侧与电网相位的统一.在实时仿真方面，文献[11]提出采用RT-LAB搭建永磁同步电机及逆变器的实时仿真系统，并实现对永磁同步电机的矢量控制.但只是使用了RT-LAB对控制系统进行实时仿真，并未实现对主电路以及实际电机的模拟.文献[12]则使用RT-LAB实现了DC/DC变换器的控制，简化了模块化变化器控制开发流程，但并未对变换器本身进行模拟.文献[13]提出采用dSPACE实现永磁同步电机驱动控制器20us步长的实时测试，体现了实时仿真技术相较于离线仿真在中断延迟、执行时间的等方面排查的优越性.文献[14]提出了基于JMAG和RT-LAB的永磁同步电机硬件在环实施测试平台，并通过试验结果验证该HIL平台的有效性.

目前实时仿真和电子负载技术在设计电机模拟器用于驱动电源测试方面的研究还比较基础，关于将HIL实时仿真系统应用于电机模拟实验平台搭建的研究也需要补充.另外当前的驱动电源检测方式也比较传统，主要采用“电机控制器-被控电机-机械负载”的机械检测平台，设计复杂、能耗大、参数不易调节.针对上述缺点，本文作者提出了基于电子负载的永磁同步电机模拟系统硬件在环仿真平台.利用StarSim软件搭建模拟永磁同步电机的电力模拟子系统模型，将其导入NI实时仿真器运行；在Matlab/Simulink环境下搭建电机模型和模拟系统复合电流控制模型，生成C程序导入DSP控制器中进行控制，完成整个模拟系统的HIL实时仿真，实验结果验证了该模拟系统可以控制端口特性与真实电机负载一致.

1 电机模拟系统结构与控制策略

1.1 电机模拟系统结构

设计电机模拟系统包括驱动电源、模拟变换器、并网逆变器三部分，其拓扑结构见图1.

图1 电机模拟系统结构图Fig.1 Structure diagram of the motor simulation system

图1中驱动电源部分通过采集模拟变换器部分对电机模拟的输出电流iabc以及电机模型状态反馈量，实现对电机矢量控制以及电机驱动.电力模拟子系统采用中间直流环节的AC/AC变换器作为主电路，包含驱动模拟变换器以及并网逆变器部分.在模拟变换器部分中，控制器采样电力模拟系统中模拟电机的输出电流iabc作为反馈，根据电机模型的电流指令进行控制，实现模拟变换器的端口电流对电机模型计算指令值的精确跟踪，模拟输出真实电机电流.在并网逆变器部分中，控制器采样电网侧电路上线电流iABC以及线电压uABC，从而控制模拟电机部分吸收的电能回馈电网，实现能量的回收利用，同时为模拟变换器部分提供稳定的直流电压.

1.2 电机模拟系统控制策略

为保证电机模拟系统各部分的独立性，将模拟变换器与并网逆变器分别单独控制.模拟变换器的控制决定了该电机模拟系统能否准确快速跟踪电流指令，因此选择电流PI调节方式控制整流侧变换器，这种控制结构简单，鲁棒性强，图2为整流侧控制流程.

图3 并网侧逆变器控制框图Fig.3 Block diagram of grid-connected inverter control

PI参数的选择直接影响输入跟踪反馈量的偏差以及输出波形的振荡、超调量、响应速度等.应选择合适的PI参数，电流的PI控制规律为

(1)

式中：u(t)为输出信号；e(t)为输入信号的偏差信号输入控制器；KP为比例系数；Ti为积分常数.该电机模拟系统搭建的是离散模型，采样周期T较小，将式(1)做离散化处理可得

(2)

式中：k为采样序号；u(k)第k次采样时刻控制器输出量；e(k)为第k次采样时控制器的输入量，j=0,1,2,…，k；积分系数KPi=KPT/Ti.

式(2)作为基础的PI控制算法应用广泛，但当运行过程中有较大的负载变化或时间跨度时，积分环节不断累加容易出现控制量的饱和溢出，控制变量始终在限幅值处运算，增加系统的调节时间，甚至造成控制失调.为避免这种情形，在设计时增加了积分校正环节，一旦出现饱和溢出情况，积分校正环节立刻发挥作用，减弱积分环节运算使控制量尽快从饱和区中跳出[15]，实际输出uout则需要根据输出u(k)与输出限幅最小值Umin、最大值Umax的关系判定得到

(3)

此时的输出量为

u(k)=x(k-1)+Kpe(k)

(4)

其中每个采样序列的积分项为

x(k)=x(k-1)+KPie(k)+Kcor[uout-u(k)]

(5)

2 HIL仿真实验平台

模拟永磁同步电机HIL仿真实验平台由3部分组成：PC上位机，NI实时仿真器和DSP控制器，实验平台结构如图4所示.图4中PC上位机分别与DSP控制器和NI实时仿真器相连，负责电机模拟控制策略的研究和电子负载主电路的搭建；NI仿真器负责运行电机模拟系统的主电路以及变频器和并网的虚拟控制部分；DSP控制器负责运行模拟变换器控制部分和电机模型部分的控制算法[16].

图4 永磁同步电机模拟实验平台结构图Fig.4 Structure diagram of permanent magnet synchronous motor simulation test platform

根据设计结构可以搭建出如图5所示的HIL半实物模拟系统实验平台.

图5 HIL实验平台Fig.5 HIL test platform

在进行仿真实验时，图5中PC上位机将主电路和驱动电源控制模型、并网侧控制模型通过StarSim软件分别导入NI仿真器的FPGA和CPU板卡中，并设置主电路中驱动侧由直流电源550 V供电，并网侧连接380 V工频电网.另外PC上位机利用CCS软件搭建程序框架，使用simulink编写控制代码，生成C程序，加载到CCS程序框架中，再编译下载到DSP28335中，实现对主电路中模拟变换器的控制.

仿真实验模拟的实际对象为TYC90-4型号永磁同步电机，电机参数如表1所列.

表1 永磁同步电机参数

实验时，中间直流环节的AC/AC主电路交流侧电感需要快速追踪电流，同时满足抑制峰值电流脉动幅度的要求，因此对电感L取值需满足

(6)

式中：Um为交流侧电压峰值；Udc为直流电压；Imω为最大指令电流变化率；Ts为PWM开关周期，取1/10；ΔImax为允许的电流脉动，取±11.4×20%；Im为电流峰值，取16 A.

主电路直流电压需高于交流电压峰值，并考虑实际运行中的电压波动干扰，因此其幅值需满足

(7)

直流侧电容为满足系统电压跟随性指标，电容值尽可能小，为限制直流电压波动和抑制能量尖峰，电容值C应尽可能大，因此其取值范围应满足

(8)

式中：ΔUmax为Udc允许的最大波动值；tr*为电容电压从初始状态过渡到参考电压给定值所需的时间；Rle为额定负载电阻值.

3 模拟永磁同步电机实时仿真分析

3.1 稳态仿真分析

为验证模拟永磁同步电机系统的准确性，将电机模拟器与Matlab库中的永磁同步电机进行对比仿真.采用相同的电机参数、控制策略，拖动相同负载进行仿真分析.将两电机的输出量一同接入示波器观察输出波形.观察模拟电机的静态仿真运行情况，待电机启动后施加负载转矩5 N·m，转速指令值输入600 rpm，对比其与Matlab库中永磁同步电机模块的实时仿真波形，各项输出量如图6所示.

图6 稳态仿真波形Fig.6 Steady-state simulation waveform

稳态仿真中，模拟永磁同步电机的输出量能较好地跟随负载和转速的指令值，直轴电流控制为0，交轴电流与电磁转矩相关，转速为62.83×30/π=600.287 rpm.模拟电机的仿真波形振荡稍大于实际电机，整体误差极小而变化趋势一致，符合控制要求.

3.2 暂态仿真分析

模拟运行中负载突加变频变速情形，观察模拟电机的动态运行仿真.待电机稳定运行后，负载转矩由4 N·m突加为5 N·m，电机转速由500 rpm增加至600 rpm，此时模拟电机和真实电机各项输出量对比如图7所示.

图7 暂态仿真波形Fig.7 Transient simulation waveform

在暂态仿真中，模拟电机在负载和转速发生变化时，动态响应迅速，并且快速回到稳定运行状态.负载转矩发生突变时，直轴电流波动后逐渐恢复至0，交轴电流和电磁转矩稳定在新的状态量，电机转速发生变化时两电机的变化趋势几乎相同，模拟电机的超调量稍大于实际电机.图7结果验证了模拟电机在稳态和暂态情况下，均能保证准确快速追踪电机端口电气特性.而模拟电机与实际电机曲线存在一些差异，主要是因为模拟电机部分使用了PI调节器，调节器中PI参数的大小会影响到模拟电机的电流，因此适当调节参数可以减小此差异.

3.3 并网仿真分析

为实现能量循环流动，模拟电机系统中将逆变器与电网相连，要求直流电压稳定在800 V，交流侧电流、电压与电网同频同相，实现单位功率因数并网，此时模拟电机系统并网侧逆变环节的仿真波形如图8所示.

图8 并网侧逆变器仿真波形Fig.8 Simulation waveform from grid-connected inverter

4 结论

1)分析了电机模拟系统结构与控制策略，在该结构和策略下，系统可通过调节参数实现对真实电机电气特性的模拟，提高了系统的可控性和通用性.

2)阐述了永磁同步电机HIL仿真实验平台的搭建方法和参数设置，该模拟系统以电子负载代替了真实电机，由于利用NI实时仿真器与DSP控制器相连进行模拟系统的控制，因此具有设计简单、绿色节能、参数易调节、节约开发成本、缩短测试周期等优点.

3)仿真和实验结果验证了该系统在模拟电机端口电气特性上具有可行性.这种电机模拟系统可以高效准确地用于对永磁同步电机驱动电源进行测试，以及作为电网中一种特殊功率负载进行电力系统动模试验.