基于matlab_生成C代码的电机矢量控制仿真模型研究毕业设计论文.doc

重庆大学本科学生毕业设计（论文）基于matlab 生成C代码的电机矢量控制仿真模型研究学生：曾宇航学号：20114346指导教师：余传祥副教授专业：电气工程与自动化重庆大学电气工程学院二O一五年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityGenerated C code of motor vector control simulation model research based on MATLAB Undergraduate: Zeng YuhangStudent Id:20114346Supervisor:Prof Yu Chuanxiang Major: Electrical engineering and automationSchool of Electrical EngineeringChongqing UniversityJune 2015重庆大学本科学生毕业设计（论文）摘要摘要电机在国民生产中占据重要地位，而传统的电机控制开发流程相较于工业技术的发展已经相对落后，本次毕业设计便是对一种前沿、高效的电机控制系统开发流程进行论述和验证。课题选择研究对象为三相交流异步电机并采用矢量控制系统进行控制。首先通过MATLAB/SIMULINK对所选电机进行建模，之后对矢量控制系统进行建模。根据实验所选用的电机进行参数配置，配合矢量控制系统的数学模型完成整个仿真模型的构建，根据仿真结果不断矫正仿真模型、优化模型结构，并确定仿真模型的最优参数配置；然后根据仿真模型的控制模块并结合控制系统的硬件电路构建控制系统的C代码生成模型，生成所需的DSP可执行C代码，将生成的可执行代码下载到以TI系列DSP为控制核心的硬件控制系统中进行硬件实验，矫正模型参数并验证生成代码的正确性。在整个课题进展过程中根据生成代码的运行结果多次对仿真模型进行参数修正，并同步对代码生成模型进行修正，在如此反复过程中，优化了控制系统模型，使得生成代码能够更高效的运作，最后成功的完成了整个毕业设计，验证了此电机控制系统开发流程及生产可行性代码的正确性和可行性。关键词：三相交流异步电机，矢量控制系统，MATLAB仿真模型，自动生成代码58重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTMotor has an important role in the national product, and the traditional control development process compared with the development of motor industry is relatively backward, this graduation design discusses and verifies a frontier and efficient motor control system development process. Subject choice is to use the market a wide range of three-phase induction motor vector control system. First using the MATLAB/SIMULINK to build motor vector control system model, completes the parameter settings according to the motor which is using in the experiment, then reference the vector control mathematical model build the whole simulation model, and correct simulation model structure optimization model according to the simulation results, and determine the optimal parameters of the simulation model configuration. Second build the control system of C code generation model according to the simulation model of the control module and the hardware circuit of control system and generate the C code that we need. Then download the generated code to the series of TI DSP as control core of the hardware control system to finish the hardware experiments, and then correct the model parameters and prove the validity of the generated code according to the experimental results. In the process of the whole project progress many times to correct the parameters of the simulation model according to the results of code to run, then also synchronization to modify the code generation model. In such a process over and over again, optimizes the model of the control system and enables the generated code to more efficient operation. Finally successfully completed the graduation design, verify the validity and feasibility of the development process of motor control system.Key words：Three-phase ac asynchronous motor，The vector control system, The MATLAB simulation model, Automatic code generation重庆大学本科学生毕业设计（论文）目录目录摘要1ABSTRACT2第1章 绪论61.1课题的目的及意义61.2国际、国内的研究现状分析61.3课题任务71.4重点研究内容91.5技术支持10本章小结10第2章矢量控制112.1矢量控制基本原理112.2控制方法的选择122.3电压控制矢量PWM（SVPWM）控制122.3.1电压空间矢量的定义132.3.2 SVPWM控制基本原理142.3.3 开关模式选择152.5.4 电机转速控制16本章小结16第3章 电机控制系统仿真173.1 Matlab/Simulink仿真环境173.2系统建模和模型参数设置193.2.1 速度控制模块203.2.2 DQ轴给定电流计算模块203.2.3 磁链观察模块223.2.4 电流控制模块233.2.5 电压空间矢量控制模块253.3仿真结果分析35本章小结37第4章 MATLAB自动生成CCS代码394.1软件环境配置394.2自动生成代码模型404.2.1 仿真模型中控制部分确定404.2.2 仿真模型与代码生成模型差异分析414.2.3 DSP外部硬件接线分析414.2.4 控制系统程序执行流程图434.2.5 代码生成模型的构建与分析444.4代码生成与下载48本章小结50第5章 硬件环境验证515.1代码运行安全性验证515.2输出PWM波正确性验证52本章小结55结 论56致谢57参考文献58重庆大学本科学生毕业设计（论文）绪论第1章 绪论1.1课题的目的及意义交流异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，而随着工业技术的发展，要求系统有更快的响应速度，更大的调速范围和更高的调速精度，同时整个系统开发流程要求更低的成本和更短的周期，而过去使用的交流电机理论和控制系统分析方法已经不能完全适应于现代交流调速系统中。1所以本课题旨在完成一种比较先进、高效、优越的交流异步电机矢量控制系统的开发流程。这种电机调速系统开发流程在当今一些先进的企业已经逐步成为了主流的开发方式，即使用MATLAB/Simulink根据电机的数学模型和参数以及控制系统的数学模型，构建整套系统的仿真模型，完成控制参数的整定获得较好的系统性能，再在MATLAB环境下将已建好的控制模型配合TI DSP芯片完成控制模型的仿真开发和代码生成，最后根据整个模型设计完成硬件电路，验证仿真模型及生成代码的正确性与系统的可行性。5这样一种集成、同一的开发流程相较于其他开发流程大大缩短了开发周期，提高了生产效率。同时这类全数字电机控制系统，可以实现控制功能的软件化，提高控制的实时性，简化了控制系统的硬件结构，降低了系统的成本，并且可以方便的实现更先进的控制策略。31.2国际、国内的研究现状分析三相交流异步电机的发展主要是基于控制方式、电力电子技术和控制技术三个方面。就控制方式而言，交流异步电机的控制方式总结起来包括了四大阶段。第一阶段的控制方式是基于恒压频比的开环控制；第二阶段是基于磁通轨迹的电压空间矢量法(或称磁通轨迹法)；第三阶段为磁场定向控制；第四阶段是直接转矩控制理论（Direct Torque Control简称DTC）。直接转矩控制也是当前运用最为广泛的控制技术，因为与前三个阶段的控制方式相比较，直接转矩控制是对定子磁链的控制，在本质上并不需要转速信息，可以直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，直接控制电机的磁链和转矩，所以直接转矩控制省略了对异步电机数学模型的坐标变换和解耦简化，并且定子磁链观测器的引入可以很容易对电机的转速进行估算，从而对于一些不方便安装速度传感器的场合能够方便地实现无速度传感器控制，提高了系统的稳定性。直接转矩控制的缺点在于需要通过电机参数的自动识别(Identification简称ID)确定精确的电机数学模型，并由此估算出电机的实际运行时的转矩、定子磁链和转子速度，之后由磁链和转矩的Band-Band控制逆变器对应的PWM信号输出。所以整个控制系统对于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别有很强的依赖性。2、6随着电力电子技术向高频化和低功耗方向的发展，变频技术也随之获得了较大的发展。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有GTO（可关断晶闸管）、GRT（电力晶体管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）以及IPM（智能功率模块），其中IGBT和IPM集中了GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性，是目前通用变频器中应用最为广泛的主流功率器件。对于第四代IGBT开关器件而言，它的开关频率显著提高，热耗散也大为降低，同时提高了高载波控制性能，对于输出电流有明显改善，并且降低了驱动功率，使得变频器在降噪和小体积化上有了更大的提高。相较于IGBT而言IPM不仅具有IGBT的优点，同时还集成了IGBT外围的驱动和保护电路，性能上远远优于IGBT，同时随着工业技术的发展IPM的价格也有着大幅度的降低，日渐趋近与IGBT的售价。因此在许多场合IPM的性价比已经高于IGBT，有着取代IGBT的趋势。而控制技术的发展主要是依赖微处理器的发展，微处理器的高速发展使得现代控制理论中的一些先进的控制策略得以应用到电机控制中。微处理器的运用解决了之前模拟系统只能实现简单控制和功能单一的缺点。同时微处理器控制系统相较于模拟系统的分立式结构在控制精度、可靠性和抗干扰能力等方面有了很大提高，同时维护成本、生产成本和开发周期得到了大幅度降低。因此以微处理器为核心的控制系统在近几年得到了快速的发展。目前，适用于电机系统控制的控制器有单片机和数字信号处理器两种。单片机机片内集成较多的I/O接口，但运算速度较慢，对电机的实时控制性能不够优越。虽然后来随着技术的发展，单片机在外设引脚上增加了适合电机控制的PWM输出接口，但是其处理速度仍然无法满足现代电机控制系统高性能的要求。所以为了提高控制芯片的运算速度，九十年代DSP问世，DSP主要是面向快速信号处理的运算器，其运算速度远远超越了单片机。如德州仪器生产的C2000系列DSP，其主频最高可以达到150MHz。所以采用DSP为控制核心，开发全数字电机控制系统，可以实现控制功能的软件化，提高控制的实时性，简化了控制系统的硬件结构，降低系统的成本，并且可以方便的实现更先进的控制策略。31.3课题任务查阅文献，深入了解交流异步电机运行特性和控制方式，之后学习基于matlab搭建TI系列DSP控制模型并自动生成C代码的方法，最终选择TI系列28035款的DSP构建电机矢量控制仿真模型，并自动生成C代码。然后将C代码下载到以TI系列28035为控制核心的电机硬件控制平台，用于验证算法的正确性和矫正控制模型的参数。如图1.1所示为系统设计流程图。首先在MATLAB/Simulink环境下基于模块化思想，分别建立一系列独立功能的主要模块单元，如磁链观察模块、速度控制模块、SVPWM输出模块、逆变器模块和电机模块等，之后根据各模块间的数学和逻辑关系进行有机的连接整合，完整地构建出三相交流异步电机矢量控制系统的仿真模型，然后分析电机在给定转速突变、负载转矩突变、系统参数改变三种状态下的仿真结果，初步完成系统参数的整定，主要包括PI环节的积分、比例系数和相应输出的限幅参数设置。最后通过硬件平台不断的实验、测试，根据测试结果对仿真参数进行矫正，以达到最优的系统控制。2同时，为了使控制系统有更高的调速精度、更大的调速范围和更快的响应速度，所以本次设计选用了高性能的TI系列C2000数字信号处理器28035作为控制系统的核心，完成了整个控制系统硬件平台的构建。3同时为了实现对DSP更为高效的开发，选择把Matlab Link for CCS Development Tools与Math Works公司和TI公司联合开发的Embedded Target for the TI TMS320C2000DSP Platform工具包配合使用，这样便可通过直接构建Matlab/Simulink仿真模型，生成DSP的可执行C代码，实现在集成、统一的Matlab环境下完成对DSP控制系统从设计到实施的无缝集成开发，不仅降低了开发成本而且大大缩短了开发周期。4图1.1系统设计流程图1.4重点研究内容整个毕业设计的重点研究内容主要包括一下五个方面：（1）根据相关理论知识深入了解分析交流异步电机运行特性和控制方式；（2）学习搭建matlab电机仿真模型平台并且完成matlab电机矢量控制系统的模型建立并确定最优参数；（3）学习在matlab环境下搭建TI系列DSP控制模型并自动生成可执行C代码的方法；（4）根据仿真模型和电机参数构建TI系列DSP电机矢量控制C代码生成模型，并自动生成C代码；（5）将生成代码下载到TI系列28035为控制核心的交流异步电机控制硬件平台上以验证matlab模型算法的正确性，同时根据验证数据，矫正matlab仿真模型。1.5技术支持整个课题的技术支持包括了充足理论知识的支持：（1）电机矢量控制研究已经比较成熟，有大量资料可供查阅，能够充分掌握电机矢量控制的理论知识；（2）在MATLAB/Simulink环境下有大量电机控制模型例程可供参考，能够指导并支持异步电机矢量控制仿真模型的搭建。同时还有着硬件技术的支持：控制芯片选用的是TI C2000系列的28035，处理速度高达60MHz，拥有32位C28xCPU，同时拥有32KB至128KB嵌入式闪存，并且具有高达4.6MSPS的12位ADC，以及150ps高分辨率；并且电机控制逆变器为现有设备。最后是软件技术的支持：在MATLAB中支持对TI系列28035的开发，可以实现C代码的生成，同时在CCS5中也能够对此款DSP进行编译开发，并且在control suit中有着28035矢量控制的算法、电机模型库和系统硬件电路的参考例程，能够让我更快的完成基于28035的电机矢量控制系统的开发设计。以上技术的支持为完成建模仿真、代码生成下载和硬件实验测试提供了可靠地保障。本章小结本章主要讲述此次课程设计的目的意义，以及当下国内外的研究现状，并提出了自己的课题任务以及重点研究内容，并从软件、硬件、资源等多个方面全方位地分析了此次毕业设计的可行性。重庆大学本科学生毕业设计（论文）矢量控制第2章矢量控制2.1矢量控制基本原理矢量控制就是通过坐标变换将静止坐标系上表示的电动机矢量关系根据控制需求变换到不同的旋转坐标轴系上，实现对交流异步电机转矩的实时控制。交流电机三相定子电流经过坐标变换由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系得到。然后再次经过坐标变换由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，并且使旋转坐标系的d轴沿着转子磁链方向，这样便可获得交流电机励磁电流分量和转矩电流分量，分别等效于直流电机的励磁电流和转矩电流。这样便实现了通过控制和将交流异步电机等效为直流电机控制的策略。7 8如图2.1所示，为上述的坐标变换结构图，图中3/2模块表示三相-两相变换，VR模块表示同步旋转变换，为d轴与轴的夹角。可出看出，系统输入为三相电流，输出为转速，整个框图便是一台异步电机的等效结构。但从内部看来，三相输入电流经过3/2变换和同步旋转变换，成为等效的励磁电流为、等效的转矩电流为，输出为的直流电机模型。图2.1 矢量控制原理框图异步电机数学模型可以经过坐标变换等效为直流电机数学模型，所以我们只需要将异步电机等效的直流电机模型通过直流控制策略获取所需控制的电压、电流量，再经过反坐标变换将所得的电压、电流量转换到控制异步电机所需要的电压、电流量就能够控制异步电机了。因为在变换与反变换的过程中，进行坐标变换的是磁动势的空间矢量，所以我们称这种控制系统为矢量控制系统，简称VC(Vector Control System)系统。2.2控制方法的选择如今矢量控制策略主要以转子磁场定向控制和电压矢量控制（SVPWM）为主。但是转子磁场定向控制方案中转子磁通的检测精度受转子时间常数的影响较大，所以整个系统的性能不是很稳定。但由于磁场定向控制能够做到完全的解耦控制，所以无需增加解耦器，并且不存在静态稳定性限制的条件，控制方式相对而言比较简单，具有较好动态性能和控制精度，所以在运用上十分广泛。9而电压矢量控制是生成所需PWM，PWM的一个优点是从生成到输出均为数字信号，这样便能够将噪声影响降到最小。并且PWM的输出不需要过多的外部硬件电路，所以PWM有着很高的经济性、抗干扰能力、高效率以及小体积等优点，是一种在控制领域广泛使用的有效技术。而本次毕业设计完成的异步电机矢量控制系统主要是针对电动汽车的电机。所以在整个设计过程中考虑到在电动汽车电机运行需要足够的抗干扰能力，而且控制器件的体积必须得到严格限制，同时工作效率必须很高。所以选择了电压控制矢量PWM（SVPWM）控制方法。相较于其他电机矢量控制方法， SVPWM控制不仅拥有更强的抗噪性能，而且随着电力电子器件高频化的发展，其体积也将远远小于其他控制器，同时PWM控制器的效率也将大大提高。2.3电压控制矢量PWM（SVPWM）控制在异步电机矢量控制系统中，是通过对电机运行状态的分析而生成六路PWM脉冲波控制功率开关器件的通断，从而实现对被控量的控制调节，即PWM控制。异步电机的变频调速控制系统的PWM控制有多种实现方式，但都遵循了输出谐波尽可能小的原则，在毕业设计中采用的是以微处理器（TMS320F28035）为控制核心通过软件编程加接口电路生成PWM波。这种PWM生成方式在设计与控制上十分灵活，无需改动硬件。SVPWM控制是本次设计中所采用的PWM控制方式，这种控制方式是通过跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的输出电压，该方法算法简单，易于实现，目前在高性能变频器中得到了广泛的应用。其控制框图如图2.2所示。10图2.2异步电机矢量控制系统控制框图2.3.1电压空间矢量的定义电压空间矢量是根据异步电机定子绕组所在空间位置来决定的，异步电机三相定子绕组在空间的位置如图2.3所示。图中A、B、C为空间静止不动的异步电机三相定子绕组轴线所在位置，为各绕组上所加电压，各电压在空间上的位置依次相差120，由此，可定义电压空间矢量，其方向始终位于各自绕组所在的轴线上，只有矢量的幅值随时间呈正弦规律变化。若用表示三相电压空间矢量的合成电压矢量，根据合成公式可知是一个旋转的空间矢量，幅值为每相电压的3/2倍，其旋转速度为三相交流电源的角频率。图2.3电压空间矢量示意图在实际的异步电机调速系统中，三相电压并不是三相平衡的正弦电压，而是直流侧电源通过一个三相逆变器逆变之后给各相供电，图2.4所示为异步电机供电电路的三相逆变器主电路图。图2.4三相逆变器主电路图若将A、B、C各相绕组的上桥臂功率管导通、下桥臂关断用编码1表示，反之用编码0表示。则可知三相逆变器存在8种工作状态，用编码表示分别为000、001、010、011、100、101、110、111。对于异步电机逆变系统来说，状态000、111分别表示上桥臂全部同时关断和下桥臂全部同时关断，这时逆变器输出电压为零，是无效的工作状态，其他都是有效的工作状态。所以合成电压矢量可表示为： （2-1）上式中，。112.3.2 SVPWM控制基本原理如果交流异步电机直接使用三相对称正弦交流电供电，对每相定子电压列写平衡方程式然后将三相相加合成空间矢量表示的定子电压方程： （2-2）式中，为定子三相磁链的合成空间矢量；为定子三相电流合成空间矢量。定子电阻压降所占比例很小，当电机高于一定转速时，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的关系可近似表示为： （2-3）推出 （2-4）上式表明，电压空间合成矢量等于的变化率，方向与的运动方向保持一致。因此，适当的选取和组合电压矢量，就能达到控制运动轨迹的目的。当由三相对称正弦交流电压供电时，定子磁链幅值保持恒定，空间矢量则以恒定转速旋转，此时可表示为： （2-5）结合式电机数学模型，可得： （2-6）由上式可见，与、成正比，若磁链的幅值保持不变，则与成正比，方向为磁链圆形轨迹的切线方向。这样，电机旋转磁场的轨迹问题就转化为选择合适的电压空间矢量的问题。2.3.3 开关模式选择在上述的异步电机变频调速系统中，逆变器的6个功率开关器件每60换相一次，一个周期要经历6次相位的变换，也就是说6个有效的电压矢量每个周期都要出现一次，作用时间均为60。这样一来，6脉波逆变器供电的异步电机产生的是正六边形旋转磁场，而不是我们想要的圆形旋转磁场，不利于电机的匀速旋转。显然，如果想要得到更逼近圆形的旋转磁场，我们必须构造更多的逆变器开关状态和电压空间矢量切换频率。逆变器的电压空间矢量只有8个，但现代电力电子器件的开关频率都比较高，如果我们将已有的8个电压空间矢量进行线性组合，就可以获得更多与原有效的6个电压空间矢量等幅不等相的电压空间矢量，从而得到尽可能多的多边形来逼近理想的圆形磁场。图2.5所示就是一种线性组合，得到了一新的电压空间矢量，图中表示在时间内电压空间矢量起作用，且与的幅值相等，分别为和的部分分量，合成矢量为。图2.5电压空间矢量的线性组合示意图电压空间矢量PWM控制就是把原来的6个电压空间矢量区间分成若干个小区间，每个小区间内又有若干个组合的电压空间矢量按一定规律作用，从而获得逼近圆形旋转磁场的多边形旋转磁场。2.5.4 电机转速控制交流电机的转速由旋转磁场的速度决定，即定子磁链矢量的旋转速度，由前面分析可知，定子绕组电阻压降一般很小，可忽略不计，则定子磁链矢量的变化率与电压矢量幅值成正比。所以，可通过改变电压矢量的大小来控制磁链的旋转速度，最终达到控制转速的目的。归纳起来，电压空间矢量PWM控制有如下特点：(1)6个电压空间矢量扇区分为若干个小区间，越小，旋转磁场越接近圆形旋转磁场，但的最小值要受功率开关器件频率的制约。(2)虽然小区间多，但每次切换只涉及一个开关器件，开关损耗小。(3)采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大幅值为直流侧电压，相比一般的SPWM逆变器输出，输出电压提高了15%。12本章小结本章以矢量控制的简单介绍引入了当前主流的矢量控制策略，分析了主要两种控制策略的优缺点，根据毕业设计任务要求选取了适合的控制策略SVPWM。之后简要介绍了SVPWM的控制理论。重庆大学本科学生毕业设计（论文）电机控制系统仿真第3章 电机控制系统仿真3.1 Matlab/Simulink仿真环境Matlab 是世界上使用最为广泛的科学计算软件，它提供了良好的人机交互界面，便捷而高效的编程语言，为各个领域的科学工程研究创造了非常实用的环境。在电机控制研究方面，Matlab 同样发挥着巨大的作用，其自带的 Simulink 包含了很多种类的电机模型，允许用户将控制语言转化为类似流程图的模块，大大增加了可读性。而且可以在没有硬件环境的条件下，从仿真层面验证控制算法的正确性。更为可贵的是，Matlab/Simulink 不仅仅能用来仿真，更能直接生成 C 语言代码，与单片机编程语言完全兼容。这是一个明显的优势，省去了编写代码的麻烦，而且减少了出错的风险，提高了效率。只需写好单片机底层设置函数，再与Matlab/Simulink 生成代码链接，就能直接将程序下载进单片机，十分方便。图3.1 Simulink Library包含的电机模型在matlab的Simulink Library中包含了所有可能用到的电机种类，如图3.1所示，可以根据仿真的需求进行选择并设置对应参数。在对控制系统进行仿真的时候，首先需要选定三相异步电机型号，我所选择的三相异步电机型号为M112_180_4，其实验测试结果如表3.1所示。表3.1 M112_180_4实验数据根据实验数据，取电机稳定运行下的多组参数平均值确定为仿真电机模型参数，如表3.2所示。表3.2 仿真电机参数设置电机参数选取值定子电阻（Rs）0.007181Ohm定子漏感（Lls）2.73e-5H转子电阻（Rr）0.008398Ohm转子漏感（Lrs）3.57e-5H互感（Lm）1.29e-3H电机极对数（P）2转动惯量（J）0.0196Kg.m2完成参数选取之后选择Asynchronous MachineSI Units电机模块作为仿真用电机，并完成参数设置，如图3.2所示，数据初始化设置如图3.3所示。图3.2 电机模型参数设置图图3.3 数据初始化设置3.2系统建模和模型参数设置完成数据初始化设置及电机参数配置后，根据SVPWM控制理论以及图2.2所示的异步电机矢量控制系统控制框图，构建三相异步电机SVPWM控制仿真模型，如图3.4所示，为了方便观察，矢量控制模块之外的转速单位均为RPM，为了方便计算矢量控制模块内的转速均为角速度。13、14图3.4三相异步电机SVPWM控制仿真模型本次毕业设计主要任务在于构建矢量控制的MATLAB仿真模型并自动生成DSP的可执行C代码，最后完成实验，验证此种电机控制系统开发流程的正确性。所以重点研究内容在于图3.3中矢量控制模块（Vector Control），其具体模型框图如图3.5所示。而逆变器驱动电路则选用现有产品，所以仿真中使用Simulink中自带的逆变器模型，设置为三桥臂、IGBT并联二极管形式的逆变器模型即可。图3.5矢量控制框图（Vector Control）3.2.1 速度控制模块速度控制模块（speed controller）如图3.6所示，图中Kp为比例系数，Ki为积分系数，其作用是根据给定转速与反馈转速的差值经过PI调节，获得电机输出转矩的给定量，并且给定转矩通过Saturation模块进行了限幅，确保了输出转矩在安全范围之内，在电机启动时不会有太大的冲击电流。图3.6speed controller模块3.2.2 DQ轴给定电流计算模块DQ轴给定电流计算模块（iq* calculation/ id* calculation）中，Q轴给定电流可以根据电机理论通过激磁电感（Lm）、转子磁通（Lr）、电磁转矩（Te）、电机极对数P和磁通量（phir）求得： （3-1）根据式（3-1）构建Simulink模块，如图3.7所示。图3.7iq* calculation模块在Q轴给定电流输出端加了一个限幅模块，如图3.5所示，这样能够保证电机运转时三相电流均在安全范围内，能够更有效的保护硬件电路以及延长使用寿命。图3.8和图3.9分别为限幅和未限幅的三相电流波形，波形从上到下依次为三相电流、转速、输出电磁转矩、电机AB相电压。图3.8 Q轴电流限幅电机输出波形图3.9 Q轴电流未限幅电机输出波形根据两组波形对比可知未加限幅模块，电机能够更快的达到给定转速，但是超调量高于加了限幅模块的模型，同时未加限幅模块三相电流在仿真过程中幅值最大超过1000A，所以限幅模块在调节系统中是必要的。D轴给定电流可以根据电机理论知识通过激磁电感（Lm）和给定磁通量（phir*）求得： （3-2）其中给定磁通量（phir*）常根据自身搭建模型和需求估算给定，此处给定为，Simulink模块如图3.10所示。图3.10id* calculation模块3.2.3 磁链观察模块磁链观察模块（Theta calculation& Flux calculation）即图2.2中转差频率计算到输出这一部分，为图3.5模型中的Theta calculation和 Flux calculation两个部分。其中Flux calculation模块通过abc to dq0模块变换所得的D轴电流可以求得此时电机的磁通量（Phir）。其计算公式根据电机理论知识可知为： （3-3）其中Tr为电机时间常数： （3-4）其Simulink模型如图3.11所示：图3.11Flux calculation模块abc to dq0模块为Simulink库中自带模块，其内部结构由Clarke变换模块和Park变换模块连接构成，如图3.12所示。图3.12abc to dq0模块Theta calculation模块通过Q轴电流和Flux calculation模块计算所得的磁通（Phir）可以计算出同步角速度以及磁链位置角（Theta）。根据电机学原理可由式（3-5）求出转子角速度，并且由式（3-6）求出磁场角速度，之后对磁场角速度积分即可求出磁链位置角。 （3-5） （3-6） （3-7）所以根据式(3-5）（3-7）构建如图3.12所示的Thetacalculation模型。图3.12Theta calculation模型3.2.4 电流控制模块电流控制模块（CurrentControl）包括两个部分，首先根据矢量控制中的电流前馈解耦控制获得D轴给定电压Ud*和Q轴给定电压Uq*，如式（3-8）和（3-9）所示，前馈解耦控制框图如图3.13所示，之后通过Clarke变换得到（Ualpha）和（Ubeta）。 （3-8） （3-9）图3.13前馈解耦控制框图根据前馈解耦框图和Clarke变换构建完整的电流控制器模型，其具体结构如图3.14所示。图3.14Current Control模块图3.14中的decouple模块即为具体的解耦算法，其模型的构建是根据图3.13完成的，具体框架如图3.15所示。图3.15 decouple模块3.2.5 电压空间矢量控制模块整个电压空间矢量控制模块（SVPWM）是结合了Simulink中SVPWM模块和电机控制理论中SVPWM的理论知识构建的，包含了四个部分，分别为Determine reference vector (U*)模块，其功能是确定（Ualpha）和（Ubeta）合成电压的模以及夹角；Determine the sector of U*based on alpha (rad). Also, determine if the sector number is odd模块，其功能是确定合成电压所在的扇区并判断所在扇区的奇偶；Compute time duration of switching states (Ta,Tb,To)Ta、Tb、To时间确定模块；查表生成PWM波模块，其具体结构如图3.16所示。图3.16 SVPWM模块（1）Determinereference vector (U*)模块此模块功能是将（Ualpha）和（Ubeta）的合成电压取模，并对其进行标幺化，基准电压为直流电压源电压，同时计算两个电压向量之间的夹角，由此确定输出电压所应处的扇区。其具体模型构成如图3.17所示。图3.17Determinereference vector (U*)模块如图3.17所示的红色圈内的部分为输出电压相位角矫正部分，MATLAB自带模型中的校正量为pi/2，如图3.18中红圈所示，此补偿下存在的问题在于电机无法工作在高转速状态，当给定转速为8000rpm和-8000rpm时的电机输出波形如图3.19和图3.20所示。图3.18 MATLAB自带模型补偿量图3.19补偿量为pi/2时给定8000RPM波形图3.20补偿量为pi/2时给定-8000RPM波形从图3.19和图3.20可知，在MATLAB自带模块pi/2的补偿量下电机转速无论是正转还是反转都无法达到较高转速要求，只能达到4000RPM左右的转速，所以这不是最优的补偿量。通过尝试获得了补偿量为pi/6，但是在pi/6补偿量下电机反转时在转速达到-4000RPM左右时，系统开始震荡，其波形如图3.21所示。图3.21补偿量为pi/6时给定-8000RPM波形所以补偿量为pi/2依然不合理，所以通过分析补偿量为pi/2和pi/6两种情况下的波形，并经过不同补偿量的仿真，得出了两种较为合理的给定方案，方案一：反馈转速为正时补偿量设为pi/6，反馈转速为负时补偿量设为2*pi/3；方案二：增加滞环比较器判定补偿量，当给定转速与反馈转速之差大于滞环比较值（50RPM）时补偿量设为pi/6，给定转速与反馈转速之差小于滞环比较值（-50RPM）时补偿量设为2*pi/3。方案一的波形如图3.22所示，方案二的波形如图3.24所示。图3.22方案一波形图图3.23方案一转速稳定区放大图图3.24方案二波形图图3.25方案二转速稳定区放大图从图3.22图3.25可以看出，方案一在电机到达稳定运行阶段时，三相电流和输出电磁转矩十分稳定，但是转速的超调量较明显；方案二中到达稳定状态时，因为滞环比较器的存在，所以转速超调范围在50RPM之间波动，但是由于转速的波动，使得输出转矩和三相电流跟着波动，且波动量较大，不利于电机的稳定运行。最终选择方案一，即给定转速为正时补偿量设为pi/6，给定转速为负时补偿量设为2*pi/3。（2）Determine the sector of U*based on alpha (rad). Also, determineif the sector number is odd模块此模块功能是确定合成输出电压经过相位补偿后的相位角所在的扇区，其方法是通过查找表确定输出电压所在扇区，并通过mod模块判断出输出电压的所在扇区的奇偶，其模型具体结构及其查找表中具体内容如图3.26所示。图3.26模块具体结构及查找表内容（3）Compute time duration ofswitching states (Ta,Tb,To)模块根据电机矢量控制理论，SVPWM生成PWM波形是分为了七段进行控制的，每一段控制时间均是基于Ta（Ualpha持续时间）、Tb（Ubeta持续时间）、To（0向量电压持续时间）的，以扇区1内SVPWM信号示意图为例，如图3.27所示，此模块功能便是为了确定Ta、Tb、Tc，同时根据电机控制理论构建模块如图3.28所示。图3.27扇区1内SVPWM信号示意图图3.28Compute time duration ofswitching states (Ta,Tb,To)模块（4）Generate pulse pattern模块问题存在：此模块的功能是根据输出电压所在扇区和所求得的Ta,Tb,To输出相应的PWM脉冲波。在MATLAB自带的SVPWM模块中这一部分的计算是通过查表法完成的，计算十分繁琐，其结构图如图3.29所示。16（a）Generate pulse pattern模块（b）图a中TaTbT0求解模块（c）图b中TaTbT0求解模块图3.29 MATLAB自带Generate pulse pattern模块如图3.29所示，MATLAB自带的查表法生成PWM波形过程十分的复杂，而且此种查表法是基于连续仿真条件下对电机的反馈电流及转速通过计算时时比较从而控制输出的高低电平输出PWM波形，这样的方法不仅繁琐计算量大，而且不适用于DSP的离散控制中， Ti 28035芯片PWM波形的产生是通过设置计数值和比较值来产生PWM的。改进：根据电机控制理论知识中对于SVPWM控制的理论分析和28035控制方式，搭建新的控制模块。新的控制模块主要是基于对各扇区SVPWM信号输出的分析，构建不同扇区下不同占空比的PWM波实现的。各扇区SVPWM信号波形如图3.30所示。图3.30所示的每个扇区SVPWM示意图从上到下依次为输出PWM1、PWM3、PWM5也就是逆变器当中的三个上桥臂依次对应的脉冲输出，而下桥臂的三个脉冲PWM2、PWM4、PWM6与对应的上桥臂脉冲相反，保证了同相的上下两个桥臂不会同时导通损坏逆变器。根据图3.30所示，计算简化后各扇区六路输出PWM的占空比，如式（3-10）式（3-15）所示。图3.30各扇区SVPWM信号示意图第一扇区：第二扇区：（3-10）（3-11）第三扇区：第四扇区：（3-12）（3-13）第五扇区：第六扇区：（3-14）（3-15）根据各想扇区占空比的计算值，构建出生成所需PWM的模块。其PWM生成原理是各路PWM占空比的值作为调制波，频率为开关频率、幅值为1的锯齿波作为载波产生PWM脉冲，其具体模型结构如图3.31所示。（a）Generate pulse pattern模块（b）图b中D1_D2_D0模块图3.31新建Generate pulse pattern模块通过分析占空比的计算可知实际上三个上桥臂存在的占空比形式只有三种，只是由于扇区的不同，三路PWM对应的占空比也就随之变化，但其形式都属于三类占空比中，所以占空比计算模块只计算了三种占空比，通过Multiport Switch模块根据扇区的不同组合成不同的输出模式。为了验证新建模块的正确性分别用新建模块和MATLAB自带模块进行给定3000RPM阶跃至-3000RPM的仿真，仿真结果如图3.32和图3.33所示。图3.32 MATLAB自带模块波形图3.33新建模块波形观察比较图3.32和图3.33，两者基本一致，并无本质上的差别，所以可以确定新建模块的正确性。3.3仿真结果分析根据以上对各模型的分析对比，确定最优参数配置和结构配置完成整体模型构建，并完成恒转速变转矩和恒转矩变转速的仿真。恒转矩变转速仿真主要是对系统进行转速变相、低转速、高转速、加速、减速几个方面进行测试，同时给定负载转矩为0，低转速时起始转速为500rpm，在0.15s时给定转速阶跃为-500rpm；高转速时起始转速为800rpm，在1.5s时给定转速阶跃为-8000rpm；加减速仿真起始转速为1000rpm，在0.2s时阶跃至3000rpm，0.35s时阶跃至2000