基于实时仿真器的电机控制平台的开发

2022-03-24 09:09:04 | 浏览次数：

摘要：本文基于通用实时仿真器（UREP），开发了该电机控制平台，并在该平台设计了开环变压变频调速系统。先进行Matlab/Simulink离线仿真，然后在实验室的样机上进行了实验验证。实验结果和离线仿真结果一致，实现了电机电压和频率的实时控制，以及转速、转矩、电压和电流量的采集。为更进一步的研究奠定了基础。

关键词：通用实时仿真器（UREP）；电机控制平台；变压变频（VVVF）

中图分类号：TP346.2文献标识码： A目前许多控制系统、电气与电子系统的实验与设计方法仍然是基于软件仿真或物理仿真两种方法。软件仿真只能用于学习和检验基本原理和算法，忽视了最终样机硬件系统能否实现，背离了工科教学和工程科学实践的目标。而完全基于实物的物理仿真，因缺失模型改变的灵活性，限制了自由想象的空间。半实物仿真技术的出现改变了传统实验教学和科研手段，在常规实验和创新实验中引入实时软/硬件环境，并贯穿于整个实验与研发过程，满足现代控制系统、电气及电子系统高效、精确、快速的设计要求，从而最大限度的提高研究效率并利于激发学生的灵感和创新意识。

在仿真软件中，Matlab因其面向矩阵的编程特性、出色的图像处理能力、应用广泛的模块集合工具箱以及图形仿真界面而在电力系统仿真中得到了广泛应用；Matlab中主要有两类适合于电力系统仿真的工具箱：一类是电力系统仿真SimPowerSystem工具箱；另一类是一些基于Matlab语言而开发的电力系统仿真分析包[1]。贵州大学研发的基于模型的工程设计应用的通用实时仿真器，能够和Matlab/Simulink完全无缝连接，使用者只需要在Matlab/Simulink中建立相应的控制模型，编译后下载到实时仿真器中运行，即可进行实时仿真、控制、测试等实验，经济实用，填补了国产实时仿真设备的空白。通用实时仿真器（UREP）包含多核处理器主板机、协调优化硬件解算器、智能I/O接口单元、高速通信单元和智能功率变换模块等关键硬件以及实时操作系统、暂态数学模型、通信控制程序和人机交互与数据处理等软件，是本实验的核心设备。UREP具有快速控制原型、功率级快速控制原型、硬件在环和功率硬件在环四项基本功能，仿真步长最短可达30 μs，I/O通道支持±10 V模拟信号和频率不超过10 KHz的TTL电平形式的数字信号输入输出 [2]，完全满足电机控制实验的一般需求。

1电机控制平台的组成

本文基于实时仿真器开发的的电机控制平台由上位机、实时仿真器、控制机箱、开放式变流系统、对拖电机组成，如图1所示。其中开放式变流系统由两组AC/DC和DC/AC变流电路组成；对拖电机为两台同轴连接的异步电机和双馈电机。上位机、实时仿真器和控制机箱之间通过以太网通信。各组成部分作用如下：

1.1上位机

上位机中由MATLAB/Simulink软件建立控制模型，由Labview软件建立监控平台；上位机用于监控整个系统的運行，并根据试验要求通过总线向变流器发出控制指令，同时接收它们的运行数据，并对数据进行保存、分析与显示[3]。

1.2控制机箱

控制机箱采集开放式变流系统的电压和电流量以及编码器反馈的转速量，并产生PWM[4]信号。同时控制机箱内配备有过流保护和过热保护。

1.3开放式变流系统

开放式变流系统本质上是四象限变流控制系统，相当于通用变频器开发平台，其控制接口与实时仿真器完全对接。该变流系统的开放性体现在其硬件是通用的，其软件可以由用户基于Matlab/Simulink任意搭建，实现了控制策略对用户的完全开放。

1.4对拖电机

异步电机作为原动机，双馈电机作为发电机并带负载运行。异步电机拖动同轴旋转的双馈电机接近额定转速，双馈电机的转子绕组输入低频低压的三相交流电进行励磁[5]，由双馈发电机原理，可知此时双馈电机发电运行，通过改变双馈电机的负载来改变异步电机的负载转矩。

2控制平台的原理与方案实现

2.1工作原理

在上位机中用Simulink建立的控制模型，编译并下载到实时仿真器，然后运行LabVIEW控制平台，则控制机箱产生PWM信号作用于变流器，变流器产生所需大小的电压和电流来驱动电机。实验过程中，通过控制平台设置控制参数和干预实验进程，以及保存和分析实验数据。

贵州大学学报（自然科学版）第34卷第6期李留生等：基于实时仿真器的电机控制平台的开发2.2实现方案

基于实时仿真器（UREP）设计电机控制平台，并对开环变压变频（VVVF）调速系统设计中的关键问题加以说明。

2.2.1控制模型

开环变压变频系统的控制模型如图2所示，控制模型中电压和频率（转速），是由上位机建立的控制平台来实时给定。本实验需要两个变压变频控制模型，分别控制异步电机和双馈电机。

实时仿真器通过启动盘启动，将Simulink控制模型转化为C代码编译后下载到仿真器即可实现实时仿真运行，相对于手动编写程序的DSP与FPGA大大提高了实验效率，与其他快速原型化设备相比，又是一种低成本解决方案[6]。

2.2.3转速采集

样机编码器输出的高频数字量脉冲经频率转电压（f/v）电路模块，转化为±10 V以内的模拟量，再由控制机箱的I/O通道采集后，在经相应变换转化为转速或角速度。其过程如图3所示。

由于样机没有安装扭矩传感器，故利用坐标变换和转子磁链来计算转矩大小[7]，其模型如图4所示。

3离线仿真验证

进行离线仿真验证是实验的必要前提。建立如图5所示的Simulink仿真图。给定幅值M=075，给定角频率W=282.6 rad/s，t=0.8 s时加T=10 N×m的负载转矩，仿真结果如图6所示。

图4转矩计算模型由图6（a）可知转速迅速达到93.7 rad/s，略小于给定转速（给定角频率W=282.6 rad/s，电机极对数p=3，相当于给定转速94.2 rad/s），加负载转矩后稳定在86.2 rad/s；由图6（b）可知电机启动转矩最大约20 N×m，加负载稳定后，转矩约为10.8 N×m，为空载转矩和负载转矩转矩之和；由6（c）知电机启动电流峰值最大为27.2 A，有效值为19.2 A，空载稳定后峰值为5.5 A，有效值为3.89 A，加负载稳定后峰值为9.5A，有效值为6.72A；由图6（d）知整个过程中因给定电压不变，线电压Uab保持不变。

4实验结果与分析

对拖电机铭牌参数为：异步电机：5.5 KW，960 r/min，380 V，50 Hz，12.9 A；双馈电机：5.5 KW，930 r/min，50 Hz，定子380 V、15 A，转子138 V、25.7 A。

可知，异步电机极对数p=3，并计算可得，转子额定角速度ωN=2πnN/60=100.48 rad/s

额定转矩PeN=PN/ωN=54.7 N×m

异步电机控制模型：给定幅值M1=0.75，给定角频率W1=282.6；双馈电机控制模型：给定幅值M2=0.11，给定角频率W2=31.4。电机空载启动，并在稳定后加R=7 Ω的三相负载，实验结果如图7所示。

图7实物实验结果图由图7（a）转速曲线可知电机空载启动时，电机转速从零迅速上升，约5 s后达到92.5 rad/s并稳定，因为存在转差率，略小于给定角速度94.2 rad/s（对应给定角速度W=282.6 rad/s）；稳定后约在t=11 s时突加R=7 Ω的三相纯电阻冲击性负载，电机转速迅速下降，并稳定在约84.4 rad/s，而不能恢复到加负载前的转速。

由图7（b）转矩曲线可知，启动瞬间电机达到了20 N×m，随即回落后震荡增大，在t=1 s～4 s之间转矩呈直线上升达到17.1 N×m；然后迅速下降，约在t=5 s时稳定在T=1.8 N×m，可知电磁转矩与空载转矩平衡，此时转速也达到稳定；加R=7 Ω的三相电阻冲击性负载时，电机转矩迅速增大到25 N×m，并很快稳定在16.8 N×m左右，说明突加的负载转矩约为15 N×m。

由图7（c）可知，启动电流峰值达到29.9 A，有效值為21.1 A，启动电流是额定电流的1.64倍，电机的启动电流一般不超过额定电流的7倍；稳定时电机的空载电流的峰值为4.3 A，有效值为3.04 A，空载电流是额定电流的0.24倍，一般电机的空载电流不超过额定电流的0.6倍；加负载后稳定运行时，电机的负载电流峰值为12.97 A，其有效值为917 A，负载电流是额定电流的0.71倍，在额定值之内，说明该负载电流也在可承受范围[8]。

由图7（d）Uab线电压曲线可知，从空载启动到加负载稳定运行整个过程中异步电机输入电压基本保持恒定不变。

综上可知，实时实物实验结果和Matlab离线仿真结果保持一致，说明了该方案的正确性。

5结论

本文基于实时仿真器开发了该电机控制平台，设计了开环变压变频调速系统，控制模型基于Simulink图形化建模，开放程度高、可扩展性好，适用于电机调速控制、双馈电机发电并网控制等课程设计和课题研究。

参考文献：

[1]姚伟，文劲宇，程时杰，等. 基于Matlab/Simulink的电力系统仿真工具箱的开发[J].电网技术，2012，（06）：95-101.

[2]吴越文，郝正航，陈卓，等. 基于实时仿真器的开放式机器人实验平台[J].实验技术与管理，2017，（01）：114-118+123.

[3]张永鑫，杨喜军，姜建国. 永磁同步电动机互馈对拖测试平台的研究[J]. 电机与控制应用，2010，（02）：47-52.

[4]张兴. PWM整流器及其控制策略的研究[D].合肥工业大学，2003.

[5]廖恩荣，唐志伟. 双馈风力发电机交流励磁及其幅度频率控制[J].机械制造与自动化，2013，（04）：190-195.

[6]陈康博，谭兴，冯海涛，等. 双馈风机机侧换流控制器快速原型设计[J]. 现代机械，2015，（02）：70-73.

[7]江风云. 基于SVPWM的异步电机变频调速系统的研究[D].南昌大学，2007.