LabVIEW在永磁同步电机矢量控制系统中的应用

LabVIEW在永磁同步电机矢量控制系统中的应用
曹玲芝;张顺龙
【摘要】针对永磁同步电机(PMSM)的矢量控制,基于图形化编程语言LabVIEW 和虚拟仪器数据采集设备,编写实现了带有死区补偿的空间矢量脉宽调制(SVPWM)程序,产生了SVPWM信号,搭建了电机转速、电流等参数动态测量系统.在数字化交流PMSM调速系统上进行了验证,实验结果验证了利用虚拟仪器实现SVPWM 方案的可行性,电机参数动态测量系统精度高、实时性强、响应速度快.%Based on the permanent magnet synchronous motor vector control
(PMSM) .programmed and realized space vector pulse width modulation (SVPWM) program with dead-time compensation based on the graphical programming language Lab VIEW and virtual instrument data acquisition device, putted up motor speed and current dynamic measurement system. The SVPWM and dynamic measurement system were verified on the digital AC PMSM speed control system. The experimental results show that the scheme to use virtual instrument is feasible and the precision is high,the real-time is strong,and the response speed is quick in the motor dynamic measurement system.
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2012(000)012
【总页数】4页(P156-159)
【关键词】LabVIEW;矢量控制;空间矢量脉宽调制;参数测量
【作者】曹玲芝;张顺龙
【作者单位】郑州轻工业学院,河南郑州450002;郑州轻工业学院,河南郑州450002
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
0 引言
随着电力电子技术飞速发展和矢量控制理论的提出，永磁同步电机(PMSM)的矢量控制研究越来越受到人们的关注［1］。

为了实现对PMSM的精确控制，需要对
其进行必要的参数和运行状况测量。

传统的测试平台和控制系统虽然测量精度和自动化程度较高，但使用效率低、扩展性较差，在试验过程中的数据采集、数据处理、动态测量等方面有待提高［2］。

在实际控制中，矢量控制是将PMSM三相电流
和实时转速信息通过坐标变换控制空间矢量脉冲调制(SVPWM)模块产生PWM信号，驱动逆变器输出幅值和频率都可变的三相正弦电流，实现对电机变频变压调速。

文中利用计算机和仪器技术相结合的虚拟仪器技术，通过LabVIEW和数据采集卡PXI－6259、PXI－6733实现对PMSM动态测量和精确控制。

PXI－6259和PXI －6733是基于PXI总线的M系列数据采集设备。

PXI－6259有32路模拟输入，4路模拟输出，48路数字输入输出口，最大时钟速率10 MHz，2个定时器/计数器。

PXI－6733有8路模拟输出，8路数字输入输出口。

1 基于LabVIEW的SVPWM的设计
1.1 信号产生
SVPWM是电机矢量控制的重要组成部分，是驱动功率逆变器产生电机所需三相
电流的关键。

实现SVPWM的Lab-VIEW程序由判断参考电压矢量所在扇区、选择基本电压矢量、计算基本电压矢量作用时间、分配基本电压矢量作用顺序、加入死区时间以及死区时间补偿等子VI构成，如图1所示。

“数字输出速度”是PXI
－6259每s输出的样本数量，“Ualpha、Ubeta”为参考电压矢量在二维静止坐标系的分量，“Ts”为PWM的周期，“Udc”为直流母线电压。

图1 实现SVPWM的整体程序
判断参考电压矢量Us所在扇区是编程的第一步，只有知道Us所在扇区，才能通
过与之对应的两相邻基本电压空间矢量合成参考电压矢量。

定义A、B、C见式(1)，通过式(2)计算P值，P不是扇区号，它与扇区号存在一定的关系，如表1所示。

表1 P值与扇区号的对应关系P扇区号 P 扇区号1 2 4 4 2 6 5 3 3 1 6 5
判断扇区的程序框图如图2所示。

公式节点输入“Ud、Uq”与“Ualpha、Ubeta”相连。

扇区确定之后，按照表2选择基本电压矢量。

表2 基本电压矢量选择表扇区Ux Ux±60 扇区Ux Ux±60 1 U4 U6 4 U1 U3 2
U2 U6 5 U1 U5 3 U2 U3 6 U4 U5
基本电压矢量选择程序框图如图2所示，“p”是扇区号，“V1、V2”是该扇区
相邻的2个基本电压矢量，“V2”超前“V1”60°。

公式节点中“U0～U7”是基本电压矢量的十六进制形式。

图2 判断扇区与基本电压矢量选择
文中设计通过数据采集卡PXI－6259的P0.0～P0.5控制PWM逆变器的V1～V6。

当代表PWM逆变器3个桥臂开关状态的abc为010时，对应基本电压矢量U2。

此时V6～V1的开关状态分别为100110，十六进制为0x26，这个数字状态将会
通过PXI－6259的P0口输出。

定义 X、Y、Z:
某一扇区相邻的基本电压矢量作用时间如表3所示。

如参考电压矢量Us在第2扇区时，结合表2，则Y代表U2的作用时间，Z代表U6的作用时间。

表3 基本电压矢量作用时间表扇区tx tx±60 扇区tx tx±60 1 －Z X 4 Z －X 2 Y
Z 5 －Y －Z 3 X －Y 6 －X Y
计算基本电压矢量作用时间的程序框图如图3所示，该程序还包括死区时间补偿
部分。

图3 计算基本电压矢量作用时间
为了尽可能减少IGBT的开关次数，方便编程，需要分配基本电压矢量作用顺序，七段式电压空间矢量PWM是目前最合理的分配方式［3］。

图4是第一扇区六路七段式PWM波形之一。

它包括3段零矢量和4段相邻的2个非零基本电压矢量。

图4中，t0表示零矢量时间。

图4 七段式PWM波形
分配基本电压矢量作用顺序和时间的程序框图见图5，这7段时间左右对称，所以只需计算前4段即可，即t0/4、t1/2、t2/2、t0/2。

数据采集卡PXI－6259只有
2个定时器，无法满足多时间分配的需求，但可以将时间乘以“数字输出速
度”(每s输出的样本数)转换成样本，再将这些样本赋值，然后通过P0口输出。

为了避免关断延迟效应使上下桥臂直通发生短路情况的发生，有必要在基本电压矢量发生跳变时加入一定的死区时间［4］。

以第1扇区为例，在加死区时间之前，数据采集卡PXI－6259的P0口输出表4中除了td以外的七段式SUPWM波形。

表4中被标记部分(加粗)随着基本电压矢量切换其数字状态发生变化(P0.0由“0”变为“1”，即由低电平变为高电平)，有可能使上下桥臂发生直通的情况而造成短路。

所以在基本电压矢量切换前加入死区时间td，使要发生跳变的IGBT都关一
小段时间。

加入死区时间td后，PXI－6259的P0口将按顺序输出表4中的数字状态。

表4中U’为与死区时间对应的死区矢量，是前后2个基本电压矢量逻辑“与”运算的结果(如U'1=U0＆U4)。

七段式SVPWM波形左右对称，死区矢量也左右对称，所以在1个PWM周期内只需计算3个死区矢量，表4只列出前半部分P0口的数字状态，后半部分与前半部分对称。

加死区时间的程序框图如图5所示。

由于输入数据类型是无符号单字节整形，LabVIEW中必须将其转化为布尔数组，才能进行逻辑“与”操作，操作完成后再转化为无符号单字节整形。

图5 分配时间程序和死区时间程序框图
表4 加入死区时间后的数字输出时间 P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0电压矢量t0/4 0 0 1 0 1 0 1 0U0 td 0 0 1 0 1 0 0 0 U’1 t1/2 0 0 1 0 1 0 0 1 U4 td 0 0 1 0 0 0 0 1 U’2 t2/2 0 0 1 0 0 1 0 1 U6 td 0 0 0 0 0 1 0 1 U’3 t0/2 0 0 0 10 1 0 1 U7
死区时间的加入可以避免功率开关器件上下桥臂直通，但增加了缓冲时间，导致逆变器输出波形产生畸变，影响伺服系统的性能，因此要补偿死区效应。

表4中，时间t1和t2合成参考电压矢量，t0和td对合成参考电压矢量不起作用。

为了补偿死区效应，通过式(4)处理t0，这使得合成一个参考电压矢量所用时间永远等于所设定的PWM周期，从而可以有效抑制波形的畸变。

死区效应补偿程序在图3中有所体现。

1.2 信号输出
信号输出程序采用层叠式顺序结构，如图6所示。

顺序结构第一帧完成数据采集卡的配置和初始化，属性节点“重生成模式”设置为“不允许重生成”，以便生成实时的信号，在开始输出之前，通过赋值确定输出数据缓冲区的大小。

第二帧负责信号的产生和输出，图6中SVPWM是由图1程序构成的子VI.值得注意的是，在
多路数字输出任务中，必须为其指定时钟源。

M系列数据采集卡对数字任务无法使用其内部时钟源，所以必须使用外部时钟源。

文中外部时钟由PXI－6259的定时器/计数器0提供。

图6 信号输出
2 转速、定子电流测量
速度反馈是永磁同步电机矢量控制系统的关键部分，没有速度反馈，无法实现系统的闭环控制。

在交流伺服控制系统中，光电编码器是电机速度检测方面应用最多的传感器。

图7为转速采集程序框图。

图7 转速采集
PMSM内部有增量式光电编码器，通过PXI－6733的2个定时器/计数器实现转速测量。

其中一个用来定时，另一个用来记脉冲数，通过测量一定时间内的脉冲数来计算转速、转过角度以及转动圈数，转速经过波形图表显示于前面板［5］。

转速计算见式(5)，其中N为ts的脉冲数，电机转一圈产生2 500个脉冲。

PMSM定子三相电流检测是将被测电流信号转换成能够处理的电压信号，送到数据采集卡进行分析处理。

检测定子电流，要求具有高精度和很好的实时性，这是实现电机矢量控制的关键。

霍尔传感器因响应速度较快、线性度好、测量精度高、电隔离性好被广泛用于电流检测环节。

文中选用霍尔传感器ACS706－15检测电机电流，其最大测量电流范围15 A，测量系数为133 mV/A，传感器的带宽为50 kHz.ACS706－15单端5 V输出，输出以2.5 V为零点，正电流输出大于2.5 V，负电流输出小于2.5 V，测量电压并计算得到被测电流值。

PMSM矢量控制系统定子电流检测原理如图8所示，UO1是被测电流输入端，U是被测电流输出端，VOUT是霍尔电流传感器输出端，输出信号经过R67和C43构成的低通滤波器滤波后输给数据采集卡。

由于PMSM
定子三相电流之和恒为零，所以只需检测其中两相电流，另一个通过计算得出。

图8 定子电流检测原理
电流信号采集程序如图9所示，采集了2路信号，图9中“电压”是由采样组成
的一维数组，数组中的每个元素都对应于任务中的一个通道。

采集到的电压通过式(6)(ACS706－15的电压与电流线性对应关系)换算得到电流，通过计算得到第三
相电流，最后同时显示于波形图表中。

连续采集时，需要将DAQmx读取VI和数据处理算法程序放于while循环中。

因为每次循环只采集1个值，所以不必配置DAQmx采样时钟。

图9 定子电流采集
3 实验结果分析
采用配有2.53 GHz双核处理器和800 MHz DDR2内存的控制器PXI－8108，数据采集卡PXI－6733采集转速，PXI－6259输出SVPWM和采集定子电流，通过智能功率模块(IPM)PS21265驱动交流PMSM.该PMSM参数为:功率1.0 kW、额定电流5.2 A、额定转速2 000 r/min、转矩4.8 N·m.实验中，死区时间5 μs，数字输出速度1 M/s，Ualpha、Ubeta为幅值100 V、频率可调的正弦信号，信号
周期Ts为10 kHz，直流母线电压Udc为310 V.
基于LabVIEW和数据采集卡产生的SVPWM波形见图10。

图中波形为同一桥臂上下2个PWM控制信号，这两个信号互补，即同一桥臂中只有1个IGBT导通，同时信号中还加有5 μs的死区时间。

图10中，横坐标为50 μs/格，纵坐标为5
V/格。

其他2个桥臂的PWM控制信号与图中波形类似，每两桥臂PWM相位相
差120°。

产生的SVPWM信号通过驱动电路和光耦隔离电路后，再经过PS21265驱动电机运行，采集到的电机定子电流如图11所示。

在电机运行后，调节定子电流频率由默认值30 Hz到40 Hz再到50 Hz，对应电机转速分别为457 r/min、610
r/min、742 r/min，实现了对电机的开环控制，而且比传统的电机控制方法直观、方便。

图10 产生的SVPWM信号
4 结束语
图11 电机定子电流、电机转速曲线
文中研究了基于LabVIEW的SVPWM的实现方法以及虚拟仪器技术在PMSM矢量控制系统中的应用，实现了对PMSM的开环控制以及对其参数的动态测量，为闭环控制奠定基础。

通过分析和实验结果发现，测试功能可以由用户自由定义;高速度处理器能产生精
确的SVPWM信号，接近理想正弦磁通控制;转速调节响应速度快、较稳
定;LabVIEW的使用使得程序开发生动形象、简便快捷，有广阔的开发应用前景。

参考文献:
［1］李华德.交流调速控制系统.北京:电子工业出版社，2005.
［2］杨琪文，陈剑桥.基于LabVIEW的温度参数测试系统设计.仪表技术与传感器，2010(10):67－69.
［3］王晓明.电动机的DSP控制.北京:北京航空航天大学出版社，2009.
［4］胡庆波，吕征宇.一种新颖的基于空间矢量PWM的死区补偿方法.中国电机
工程学报，2005，25(3):13 －17.
［5］李茂亮，高敬贝.基于虚拟仪器技术的电机转速测控系统设计.电机与控制应用，2010，37(7):20 －23.。