前言

本章節(jié)采用恒壓頻比的開(kāi)環(huán)控制方法驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，首先分析恒壓頻比的控制原理，然后在Matlab/Simulink中進(jìn)行永磁同步電機(jī)恒壓頻比開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的仿真分析，最后將Simulink中的恒壓頻比控制算法生成代碼加載到實(shí)際工程中進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)。

一、 恒壓頻比（V/F）控制原理

永磁同步電機(jī)恒壓頻比控制方法與異步電機(jī)恒壓頻比控制方法相似，也是控制電機(jī)輸入電壓與頻率同時(shí)變化，從而使氣隙磁通保持恒定。該控制方法沒(méi)有電機(jī)電流、電壓、位置等物理量的反饋，動(dòng)態(tài)性能較差，在給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或者負(fù)載突變的情況下容易產(chǎn)生失步和震蕩的問(wèn)題，但該控制方法勝在簡(jiǎn)單，多適用于對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求不高的場(chǎng)合。

永磁同步電機(jī)恒壓頻比開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)Matlab/Simulink仿真框圖如下：

二、永磁同步電機(jī)恒壓頻比開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)Matlab/Simulink仿真分析

2.1.仿真電路分析

2.1.1.恒壓頻比控制算法

恒壓頻比控制算法：永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的換算關(guān)系如下所示：

首先，將設(shè)定的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速通過(guò)上式換算為頻率，由于該開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)沒(méi)有自動(dòng)限制啟動(dòng)電流的作用，因此加入了一個(gè)斜坡函數(shù)使頻率有一個(gè)平緩的變化過(guò)程。例如仿真中設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1200r/min，換算為頻率的過(guò)程如下圖所示：

然后，由恒壓頻比V/F控制算法特性（下圖所示），使輸入電壓與頻率同步變化，從而保持氣隙磁通恒定。低頻時(shí)Us和Eg都較小，定子電阻和漏感壓降所占分量比較顯著，不能再忽略，此時(shí)人為的把定子電壓抬高一些，近似的補(bǔ)償定子阻抗壓降，如下圖b線(xiàn)所示：

由上圖可知輸入電壓與頻率的關(guān)系為（帶低頻補(bǔ)償?shù)腷線(xiàn)，已知（0，U0）（f1N，UsN））：

將頻率通過(guò)上式換算為電壓，由電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速計(jì)算出額定頻率f1N（永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系）。永磁同步電機(jī)的恒壓頻比控制為基頻以下調(diào)速，系統(tǒng)最高頻率不能超過(guò)額定頻率f1N，例如仿真中所選永磁同步電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為12540r/min，計(jì)算出額定頻率f1N為1463Hz，為系統(tǒng)最高設(shè)定頻率。

目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1200r/min，將轉(zhuǎn)速換算為頻率，再由頻率的變化得到輸入電壓的變化，如下圖所示：

此處作了一個(gè)歸一化處理，將電壓的變化除以電機(jī)額定電壓，使輸出電壓的范圍落在[0,1]區(qū)間內(nèi)。

將頻率轉(zhuǎn)換為角速度，再對(duì)角速度求積分獲得當(dāng)前的角度，如下圖所示：

此時(shí)已獲得輸入電壓的幅值Um與相角wt，再通過(guò)下式將幅值與相角的電壓表示轉(zhuǎn)化為兩相αβ坐標(biāo)系下的電壓表示：

αβ坐標(biāo)系下的電壓表示為：

接著采用反Clark變換，得到最終輸入到電機(jī)的三相電壓：

2.1.2.輸出處理

對(duì)恒壓頻比控制算法的輸出電壓做處理，使其落在[0,1]的范圍內(nèi)：

2.1.3.主電路

主電路包括逆變電路與永磁同步電機(jī)，逆變電路如下圖所示，采用Average-Value Inverter模塊直接生成三相正弦電壓，下圖為目標(biāo)轉(zhuǎn)速1200r/min下輸入到電機(jī)的電壓波形。

永磁同步電機(jī)采用BR2804-1700電機(jī)（電機(jī)的參數(shù)用ST Motor Proflier測(cè)得），參數(shù)如下：

2.2.仿真結(jié)果分析

2.2.1.設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1200r/min

目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的波形曲線(xiàn)：

穩(wěn)態(tài)時(shí)，目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差：

穩(wěn)態(tài)時(shí)，電機(jī)定子電流：

電機(jī)轉(zhuǎn)子位置：

dq坐標(biāo)系下的定子電流值：

電磁轉(zhuǎn)矩：

2.2.1.設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為變化值

目標(biāo)轉(zhuǎn)速：

目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速：

從圖中可以看出電機(jī)加減速有一段斜坡時(shí)間，電機(jī)加減速的快慢由恒壓頻比控制算法中由轉(zhuǎn)速換算為頻率時(shí)所設(shè)置的斜坡函數(shù)斜率有關(guān)。

三、永磁同步電機(jī)恒壓頻比開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)代碼生成及工程實(shí)現(xiàn)

3.1.功能需求

實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的恒壓頻比控制，可通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.2.硬件設(shè)計(jì)

控制板：STM32F302R8

驅(qū)動(dòng)板：X-NUCLEO-IHM07M1

永磁同步電機(jī)：BR2804-1700

3.3.軟件設(shè)計(jì)

3.3.1.STM32CubeMX底層配置

1、RCC設(shè)置外接HSE（Crystal/Ceramic Resonator），時(shí)鐘設(shè)置為72MHz

2、PC10、PC11、PC12設(shè)置為推挽輸出、無(wú)上下拉電阻、高速，初始化狀態(tài)設(shè)為0； PB13設(shè)置為推挽輸出，下拉電阻、高速，初始化狀態(tài)為0； PC13設(shè)置為輸入，無(wú)上下拉電阻。

3、設(shè)置TIM1時(shí)鐘源為內(nèi)部時(shí)鐘，TIM1_CH1（PA8）設(shè)置為PWM輸出，TIM1_CH2（PA9）設(shè)置為PWM輸出，TIM1_CH3（PA10）設(shè)置為PWM輸出；TIM1預(yù)分頻值設(shè)置為3-1，計(jì)數(shù)模式選為中央計(jì)數(shù)模式1，ARR設(shè)計(jì)為1200-1（1/（1/（72000000/3））*1200=20KHz），內(nèi)部時(shí)鐘無(wú)分頻；使能TIM1更新中斷，中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置為（1,0）

4、USART2設(shè)置為異步，115200波特率，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，1位停止位

5、Project Manager->工程名+IDE配置，Code Generator配置，生成工程代碼

3.3.2.應(yīng)用層與底層的接口開(kāi)發(fā)

Speed_Ref用于設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速；Duty[3]用于接收恒壓頻比控制算法生成的三相電壓，該三相電壓作為調(diào)制波，TIM1計(jì)數(shù)器（中央計(jì)數(shù)模式）作為載波，頻率20KHz與Simulink仿真設(shè)計(jì)一致。調(diào)制波與載波進(jìn)行調(diào)制生成PWM，控制三相逆變電路的驅(qū)動(dòng)輸出，此處采用SPWM控制方法進(jìn)行控制；Vmin用于設(shè)定恒壓頻比控制算法中的補(bǔ)償電壓值U0。

3.3.3.Matlab/Simulink恒壓頻比控制算法代碼生成

3.3.4.應(yīng)用層與底層的代碼集成

在主函數(shù)中調(diào)用：PMSM_VF_initialize()初始化函數(shù)。

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  uint8_t count=0;


  /* USER CODE END 1 */


  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/


  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();


  /* USER CODE BEGIN Init */


  /* USER CODE END Init */


  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();


  /* USER CODE BEGIN SysInit */


  /* USER CODE END SysInit */


  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM1_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  PMSM_VF_initialize();  //Simulink初始化函數(shù)


  /* USER CODE END 2 */


  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */


    /* USER CODE BEGIN 3 */
    if(Key_Scany(KEY_GPIO_Port,KEY_Pin)==1)
    {
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, EN1_Pin|EN2_Pin|EN3_Pin, GPIO_PIN_SET);  //使能三相橋臂

      HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_1);   //使能三路PWM
      HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_2);
      HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_3);

        __HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim1,TIM_IT_UPDATE);  //使能TIM1更新中斷
        __HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim1,TIM_IT_UPDATE);

      Speed_Ref+=500;
      if(Speed_Ref>=12000)
        Speed_Ref=12000;
    }

    HAL_Delay(1);
    count++;
    if(count%50==0)
    {
      count=0;
      HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);  //程序運(yùn)行指示燈
    }
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

在TIM1更新中斷函數(shù)中調(diào)用：PMSM_VF_step(Speed_Ref, Duty)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)恒壓頻比控制算法。

/* USER CODE BEGIN 1 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  //Simulink函數(shù) 20KHz V/F控制
  PMSM_VF_step(Speed_Ref, Duty);

  for(int i=0;i<3;i++)
  {
    Duty[i]=(1-Duty[i])*htim1.Init.Period;
  }

  TIM1->CCR1=Duty[0];  //進(jìn)行SPWM控制
  TIM1->CCR2=Duty[1];
  TIM1->CCR3=Duty[2];

}
/* USER CODE END 1 */

3.4.仿真驗(yàn)證

編譯下載到開(kāi)發(fā)板觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

總結(jié)

本章節(jié)采用恒壓頻比的開(kāi)環(huán)控制方法驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，分析了恒壓頻比的控制原理，然后在Matlab/Simulink中進(jìn)行了永磁同步電機(jī)恒壓頻比開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的仿真分析，最后將Simulink中的恒壓頻比控制算法生成代碼加載到實(shí)際工程中進(jìn)行了工程實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)章節(jié)的分析奠定基礎(chǔ)。