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基于Matlab的PMSM电机控制系统虚拟开发平台设计
摘要：针对传统的电机控制设计开发中测试验证阶段只能在完成原型样机之后才能进行，前期资全投入，查错及修正费用大，造成潜在市场风险等问题。文章以Mutlab为设计平台，通过Simulink，Stateflow搭建完整的PMSM电机控制系统模型，并在此模型基础上开发GUI人机接口系统，实现了电机控制设计开发全程算法的验证和性能测试，且便于系统性能和参数改进以及后期的扩展。
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。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，如图1所示。上位机CUI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。
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/Srateflow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。
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㈩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UB，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。
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CUI;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CUI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。
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valuel=get(handles.editl，&string&);接着通过set_param(&obj&，&paramet
erl&，valuel)。其中，&obj&模块的路径名，&parameterl&，valuel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simu
link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，：))。
对于手机辐射与人体健康，人们一直争论不休，迄今双方都没有给出令人信服的证据…
() () () () () ()汽车电子生态圈
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产业化项目研发工程师数
永磁同步电机控制器PMSM(UPG)
永磁同步电机控制器PMSM(UPG)
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项目介绍：
自主研发项目。该控制器主要用于新能源（混动及纯电动）车辆牵引电机控制。控制器中包括主控制模块及IGBT功率驱动模块。在主控制模块中的主控芯片采用英飞凌的32-bit单片机TC1767，IGBT功率驱动模块采用英飞凌的汽车及IGBT模块HybridPack2。控制器通过检测PMSM电机的旋转变压器反馈信号获取电机转子位置信息；通过电流传感器获取电机3相电流。
控制器通过CAN接口接收外部控制信号，并反馈当前运行状态信息，此外控制器还配有独立的CAN接口用于诊断、 标定等功能。
控制器可根据外部控制指令实现电机的四象限运行，并可根据控制需要切换转速、转矩两种闭环控制模式；内置过压、过流等故障检测与处理功能。
电控单元结构组成如下图所示：
性能指标：
①动力母线：48V ~ 400V；
② 峰值功率：50KW@300V；
③峰值电流：400A；
④峰值扭矩：150Nm；
⑤峰值转速：&8000rpm；
⑥峰值效率：92%；
⑦转矩控制精度：&3%；
样件图片：
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混合动力纯电动系统方案
车身舒适系统方案
汽车安全系统方案
动力总成系统方案　　1 引言
　　PMSM具有功率密度大、低速输出转矩大、效率高等优良性能，现已广泛应用于伺服系统、舰船推进系统、电动机牵引系统、风力发电系统、航空航天等领域。DTC具有控制方式简单、转矩响应快、便于全数字化实现的优点，在交流传动中得到越来越多的应用；但DTC具有转矩和磁链脉动大、开关不固定等缺点，将SVM应用在PMSM DTC中，可有效减小转矩和磁链脉动，并使逆变器具有恒定的开关频率，从而得到更好的稳态控制性能。在DTC中，磁链和转速的估测精度直接决定着整个系统的性能。若在转子轴上安装机械式传感器得到电机的转速信息，不仅增加了系统成本，还限制了控制装置在恶劣环境下的应用。运用无速度传感器控制技术，可在线估计电机的磁链和转速，从而省去了机械传感器。故如何准确获得磁链和转速成为研究热点。EKF提供了一种对非线性系统状态进行精确估计的解决方案，可有效削弱随机系统和测量噪声的影响，特别适合于电机等非线性控制系统。
　　这里在基于SVM的改进DTC策略基础上，采用4阶EKF观测出PMSM的定子磁链和转速，详细说明了EKF的设计，并设计了硬件实验平台，结果证明了所采用控制方法的可行性和有效性。
　　2 PMSM无速度传感器DTC系统
　　图1为PMSM无速度传感器改进DTC系统框图。图中，x，y／&，&模块实现分量从定子磁链x，y坐标系到两相静止&，&坐标系的变换：
& & 式中：u&，u&为定子电压在&，&轴分量：&s为定子磁链角。
& & 定子磁链幅值&s，&s及电磁转矩Te分别为： & &
3 EKF观测器设计 & & 对于隐级式PMSM，其在两相静止&，&坐标系下的电压方程和磁链方程分别为： & &
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地址： 电话：(86)774-2826670&飞兆半导体公司具有并行处理核心的
BLDC/PMSM 电机控制器为交流电机控制设计提供了简单转换
开发工具及可配置的电机控制库最大限度地减少设计资源，实现更快上市
应用设计人员目前正在从传统的通用或交流电机设计转换到更为成熟的无刷直流（BLDC）电机或永磁同步电机（）设计。然而，如果设计人员不能有效获得高级、复杂的电机控制算法，不管选择哪一种方法都具有挑战性。这可能会导致巨大的研发资源支出及更长的设计时间。
为帮助设计人员应对这些成本和软件负担，飞兆半导体公司（纽约证券交易所代号：FCS）开发了。FCM8531 是一款定制的可配置解决方案，配有帮助电机控制设计人员缩短上市时间且最小化软件设计工作的用户指南、参考设计和评测板。
单芯片设计中的并行处理器
FCM8531 是一款三相混合，具有两个并行处理器- 一个先进的电机控制器（AMC）和一个嵌入式微控制器（MCU）。该产品针对复杂的电机控制应用，提供了一个完整的单芯片解决方案。这两个核心处理器独立工作，但通过有助于避免系统挂机并增强硬件保护的内部通信接口协作进行数据交换。FCM8531 通过其集成式硬件控制器和MCU 接口管理功能最大限度地减少软件负担，并实现了更高效且快速的负载响应电机系统。
实现简化功能的定制设计
AMC 能够适用各种电机设计，使用可配置和存储的飞兆半导体库执行功能强大的算法，如正弦波控制、磁场定向控制（FOC）及直接正交（DQ）控制}，以提供高性能电机控制功能。与AMC 配对使用的MCU 接口使用户能轻易改变寄存器的值，满足不同电机操作流程及特点的要求。该器件非常适合于解决无速度传感器风扇应用中的启动抖动，以及各种风扇和泵应用中的噪音和低效率问题。FCM8531 具有多种硬件保护功能，如过压保护和过流保护。其设计考虑及提供对所有故障模式的快速响应，同时嵌入式MCU 可轻易地实现额外功能。
易于使用的开发工具
飞兆半导体的电机控制开发系统（MCDS）由一个集成开发环境（IDE）和一个允许工程师配置AMC 并为MCU 开发代码的MCDS 编程工具组成。该系统与处理核心一起提供一个集成式软件工程平台，有利于快速开发电机控制程序。MCDS-IDE 易于使用并完善了设计目标时间表。当与MCDS 编程工具套件一起使用时，可快速完成代码编程，从而可实时调整电机运行信号。
特点与优势：
&&&&&&&&& 使用集成式MCU 的AMC 最大限度地减少软件负担，并提供灵活的设计适应性
&&&&&&&&& 并行处理器避免系统挂机，并提供更高的系统可靠性
&&&&&&&&& 功能强大的算法库，无需任何技巧即可最大限度地减少资源使用
&&&&&&&&& MCDS 开发工具、大量设计资源、参考设计及培训
封装和报价信息（订购1,000 个，美元）
按请求提供样品。交货期：收到订单后8-12 周内
FCM8531 可提供LQFP32L 封装，价格为2.42 美元。
飞兆半导体的新增FCM8531，如结合使用飞兆半导体的、、、，则可提供完整的电机系统解决方案。正是这种类型的整体解决方案使飞兆半导体成为提供高度集成式产品的领导者。这些集成式产品可提供更佳的电源效率和系统可靠性，同时降低工程开发时间及系统成本。
飞兆半导体：解决方案助您成功！
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