CN109150018A - 一种基于matlab的电动车双永磁电机控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统及其控制方法，包括电机单元、控制单元、功率单元和用户端，控制单元采用DSP+ARM架构，通过功率单元与电机单元连接用于实现故障隔离、容错控制策略，并完成处理器之间、处理器与用户端之间的通讯；功率单元和电机单元分别通过信号和通讯接口与用户端以及控制单元连接。本发明以Matlab为平台，对五桥臂逆变器进行算法优化，寻找更有效的拓扑结构，提高电机的性能，并可以对其他不同的逆变器进行功能需求测试。

Description

一种基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电动车技术领域，具体涉及一种基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统及其控制方法。

背景技术

双电机驱动是一种典型的采用两个动力源的电动车分布式驱动系统。在双电机驱动电动车中，每个车轮的驱动转矩可单独控制，各个驱动轮之间的运动状态相对独立。与集中式驱动电动车相比，具有电机成本降低、简化驱动系统、电机控制性能明显提高、车辆稳定性提高、车辆可操纵性和安全性增强等明显的优势。但在实际应用中，双电机驱动仍然存在一些需要解决的技术问题。比如双电机驱动需要协调两个电机的平衡控制，对技术要求更高；双电机驱动系统本身的操作过程要比单电机驱动系统复杂的多，双电机之间的转矩输出、电机位置控制、系统故障容错等存在一系列的问题。

双电机驱动系统是目前电动车应用开发的流行趋势。虽然该方案已经应用于一些电动车产品之中，但仍没有大量推广，其中一个主要问题是：采用多动力源的分布式驱动系统的相关控制技术仍然不成熟，比如：双电机控制技术、双电机容错技术等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统及其控制方法，可使系统控制方案的设计思路可以应用于仿真和硬件电路中，可以根据具体的测试要求和环境要求调整不同模块构建内容和方法，最终利用MATLAB/Simulink自动代码生成功能实现控制系统的最终代码生产和系统测试。

本发明采用以下技术方案：

一种基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统，包括电机单元、控制单元、功率单元和用户端，控制单元采用DSP+ARM架构，通过功率单元与电机单元连接用于实现故障隔离、容错控制策略，并完成处理器之间、处理器与用户端之间的通讯；功率单元和电机单元分别通过信号和通讯接口与用户端以及控制单元连接。

可选的，功率单元为五桥臂十开关逆变器拓扑结构，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂组成逆变器A，第三桥臂、第四桥臂和第五桥臂组成逆变器B，第三桥臂为逆变器A和逆变器B的公共桥臂；第一桥臂由双极型晶体管芯片T10、T11以及并联在其上的二极管芯片组成，第二桥臂由双极型晶体管芯片T20、T21以及并联在其上的二极管芯片组成，第三桥臂由双极型晶体管芯片T30、T31以及并联在其上的二极管芯片组成；第四桥臂由双极型晶体管芯片T40、T41以及并联在其上的二极管芯片组成；第五桥臂由双极型晶体管芯片T50、T51以及并联在其上的二极管芯片组成。

可选的，电机单元包括两台永磁电机、两台负载直流电机、电流传感器、转子位置传感器、转矩传感器和电压传感器；

联合基于MATLAB的双永磁电机控制系统通用硬件实验测试平台对功率单元的五桥臂十开关逆变器拓扑结构和控制单元的控制策略进行验证测试分析。

一种基于MATLAB的电动车双永磁电机控制方法，包括以下步骤：

S1、系统启动并初始化；

S2、控制单元进行故障检测，包括电机绕组故障及功率器件故障检测并判断故障等级，并通过统一的信号与通讯接口上传至用户端；

S3、通过电机单元的电流传感器和转子位置传感器等获取电流，电机转速，转矩数据，并上传至控制单元，控制单元通过控制策略进行PWM调制，并将结果输出至功率单元，通过基于以常规的双六开关逆变器为基础分析的双电机驱动新型逆变器拓扑结构：五桥臂十开关逆变器实现对控制策略的分析，进而实现对基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统的控制。

可选的，步骤S3中，功率单元为双电机驱动逆变器，用于实现对用户控制策略进行验证测试与分析，包括永磁电机数学原理构建、五桥臂控制算法实现以及DSP常规双闭环控制策略的实现。

进一步的，永磁电机数学原理构建具体如下：

根据PMSM电机在旋转dq坐标系中定子电压和定子磁链方程得出：

其中，u_d，u_q为d、q轴的定子电压；L_d，L_q为d、q轴的电枢电感，L_d＝L_q＝L；i_d，i_q为d、q轴的电枢电流；ψ_d，ψ_q为d、q轴的定子磁链；R_s为电枢绕组电阻；ψ_f为永磁铁产生的磁链；ω为电机电角速度，ω＝pω_r，p为电机的极对数，ω_r为电机转子角速度；

根据PMSM电机在旋转dq坐标系中电磁转矩方程和PMSM电机的转子动力学方程推出：

最后得出A、B和C具体如下：

其中，A为永磁电机状态方程A相绕组中所对应的相关系数，B为永磁电机状态方程B相绕组中所对应的相关系数，C为永磁电机状态方程C相绕组中所对应的相关系数。

进一步的，五桥臂控制算法的实现具体为：

将逆变器的控制周期分为前半周期和后半周期，前半周期为逆变器A部分的有效作用时间，后半周期为逆变器B部分的有效作用时间；

当逆变器A部分作用时，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂由SVPWM确定各开关器件驱动信号占空比，第四桥臂和第五桥臂始终保持与第三桥臂相同的开关状态；在控制周期前半周期中，逆变器B部分作用的基本空间矢量均为0矢量；

在控制周期的后半周期，当逆变器B部分作用时，第三桥臂、第四桥臂和第五桥臂由SVPWM确定各开关器件驱动信号占空比，第一桥臂与第二桥臂保持与第三桥臂相同的开关状态；驱动信号占空比的确定。

进一步的，记定子电压矢量u_s1相位角为θ_r1由伏秒平衡：

基本空间矢量作用时间结果为：

记控制周期的前半周期各桥臂上桥臂开关器件驱动信号有效时间为T_a、T_b、T_c、T_d、T_e；令零矢量u₀与u₇作用时间相等，即T₀＝T₇，得七段式方法实现SVPWM的情况下，各开关器件有效作用时间为：

进一步的，五桥臂十开关逆变器拓扑结构包括以下六种：

A相绕组的正端和B相绕组的负端共用一个桥臂；B相绕组的正端和C相绕组的负端共用一个桥臂；C相绕组的正端和A相绕组的负端共用一个桥臂；A相绕组的正端和C相绕组的负端共用一个桥臂；C相绕组的正端和B相绕组的负端共用一个桥臂；B相绕组的正端和A相绕组的负端共用一个桥臂；

d、q轴的电枢电流i_d，i_q状态方程为：

其中，R_s为电枢绕组电阻；L_d＝L_q＝L；u_d，u_q为d、q轴的定子电压，ω_e为电机角速度，为为永磁铁产生的磁链，为一个常数。

进一步的，DSP常规双闭环控制策略实现具体为：

由单闭环初始公式进行推导，首先使用标准的PID公式

经离散化得到离散化公式：

转换为增量式如下：

Δu_k＝u_k-u_k-1＝K_p(e_k-e_k-1)+Kie_k+K_d(e_k-2e_k-1+e_k-2)

u_k＝Δu_k+u_k-1

其中，e_k为速度设定值；e(t)为当前速度值；K_p、K_i、K_d分别为比例、积分、微分参数；u_k为PWM占空分数；

在单闭环系统中，PWM和转速呈正相关关系；闭环系统中，输入转速差，转速控制器会输出对应的电流大小，然后该电流与实际电流大小之差作为电流控制器的输入，再输出对应的PWM，整理后得到转矩最适电流I1如下：

I1＝ΔV×P

其中，ΔV为速度差，P为积分系数。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统，可使系统不同的硬件模块实现快速设置或替换其他同类型模块，可以对于不同工况、不同控制策略、不同类型逆变器的开展通用功能调试需求，在系统计算机中实现对实际情况的仿真，便于调试与修改方案。

进一步的，双电机驱动新型逆变器拓扑结构五桥臂十开关逆变器用于提高电动车双永磁电机系统的综合性能，降低系统成本，为系统实际应用选择性能更优良的逆变器拓扑。

进一步的，基于MATLAB数值仿真软件建立基于原型设计技术的双永磁电机系统通用仿真测试平台用于实现双永磁电机系统不同工况、不同控制策略、不同类型逆变器时的系统稳态性能和瞬态性能仿真测试；基于MATLAB原型设计的双永磁电机控制系统通用硬件实验测试平台用于对于不同工况、不同控制策略、不同类型逆变器的开展通用功能调试需求。

本发明还公开了一种基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统的控制方法，利用本控制方法能有效提高对电压的利用率，扩展双电机的的调速范围，电机响应速度大大提高。

进一步的，实现对控制策略的分析，进而实现对基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统的控制，优化其性能。

进一步的，通过对永磁电机数学原理的研究，可以实现算法的优化，然后利用Matlab/Simulink仿真平台对改进算法后的双永磁电机系统进行仿真对比分析。

进一步的，五桥臂逆变器的控制算法通过优化驱动信号的占空比，解决了公共桥臂开关状态不同的矛盾，提高了两电机对母线电压的利用率，拓展了两电机的调速范围，改善系统的动态特性。

进一步的，采用双闭环控制直流电机的转速，大大提高了控制系统的动态响应速度和抗干扰能力,易于实现对直流电动机的高效连续速度调节控制。

综上所述，本发明以Matlab为平台，对五桥臂逆变器进行算法优化，寻找更有效的拓扑结构，提高电机的性能，并可以对其他不同的逆变器进行功能需求测试。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的系统流程实施图；

图2为本发明的系统方案图；

图3为本发明的流程图；

图4为本发明的五桥臂逆变器驱动双电机系统主电路拓扑结构；

图5为本发明中双异步电机控制系统的定子电压矢量；

图6为本发明中五桥臂逆变器驱动开绕组永磁同步电机的拓扑结构；

图7为本发明中所用的常规双闭环结构。

具体实施方式

请参阅图2，本发明提供了一种基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统，包括电机单元、控制单元和功率单元，控制单元通过功率单元与电机单元连接，控制单元采用“DSP+ARM”的架构，用于实现故障隔离、容错控制策略等功能，并完成处理器之间、处理器与上位机之间的通讯；功率单元和电机单元分别通过信号和通讯接口与上位机以及控制单元连接；

功率单元为五桥臂十开关逆变器拓扑结构，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂组成逆变器A，第三桥臂、第四桥臂和第五桥臂组成逆变器B，第三桥臂为逆变器A和逆变器B的公共桥臂；第一桥臂由双极型晶体管芯片T10、T11以及并联在其上的二极管芯片组成，第二桥臂由双极型晶体管芯片T20、T21以及并联在其上的二极管芯片组成，第三桥臂由双极型晶体管芯片T30、T31以及并联在其上的二极管芯片组成；第四桥臂由双极型晶体管芯片T40、T41以及并联在其上的二极管芯片组成；第五桥臂由双极型晶体管芯片T50、T51以及并联在其上的二极管芯片组成。

电机单元包括两台设计的永磁电机原理样机、两台负载直流电机、电流传感器、转子位置传感器、转矩传感器和电压传感器；

请参阅图2，控制单元与功率单元直接通过统一标准设计的接口进行互联，功率单元的双电机驱动逆变器部分与电机单元的负载直流电机及永磁电机原理样机直接连接。控制单元，功率单元，电机单元分别与计算机直接连接，通过计算机将电机单元获取的转矩，电流，电压等数据以及用户编写的控制策略通过统一的信号和通讯接口传送给控制单元。

联合基于MATLAB原型设计的双永磁电机控制系统通用硬件实验测试平台对功率单元的五桥臂十开关逆变器拓扑结构和控制单元的控制策略进行验证测试分析，在仿真或硬件实验中，可以随时调整传感器的的检测位置以适应不同控制策略的应用。

控制单元属于弱电部分，采用“DSP+ARM”的架构，用于实现故障隔离、容错控制策略等功能，并完成处理器之间、处理器与上位机之间的通讯。两个处理器的分工为：DSP负责电机常规双闭环控制、协调控制及容错控制策略、控制功率电路单元，实时将运行状态数据通过总线发送至ARM，并通过ARM读取上位机传来的指令；ARM则负责控制单元与上位机之间的通讯，并实现外接键盘/开关输入、液晶屏幕显示等功能。

功率单元由功率器件模块(Switch Module)和驱动门电路(Drive Gates)、传感器及信号调理电路(包含电压、电流、温度采样)、外围保护电路(在故障状态下封锁PWM输出)、系统电源等多个部分组成。

电机单元、控制单元和功率单元按照强电弱电分离、统一接口和通讯的标准进行设计，通过数据线实现信息交互，功率单元与电机单元直接连接实现对用户控制策略的应用。

利用两台直流电机作为负载电机，德州仪器公司高性能数字信号处理器TMS320F28335作为控制核心，IGBT智能功率模块作为逆变器功率开关器件。在MATLAB仿真平台中，按照模块组合式的思路分别独立设计电源电路模块、控制器电路模块、逆变器电路模块和额外的辅助电路模块等。调试分为功能调试和应用调试。在功能调试中，系统不同的硬件模块可以实现快速设置或替换其他同类型模块，可以对于不同工况、不同控制策略、不同类型逆变器的开展通用功能调试需求。功能测试完毕后，利用MATLAB/Simulink自动代码生成系统的驱动代码下载到硬件系统中进行应用测试。

另外，系统计算机中，利用MATLAB建立基于原型设计的仿真系统。利用MATLAB/Simulink自动代码生成功能实现控制系统的最终代码生产和系统测试。系统控制方案的设计思路可以应用于仿真和硬件电路中，可以根据具体的测试要求和环境要求调整不同模块构建内容和方法。

软件开发平台是进行双永磁电机控制系统自主开发的主要平台，装有Matlab/Simulink建模软件与电机控制算法软件开发环境工具包,集Simulink模型开发库、代码编译、代码下载、数据标定功能于一体，开发者通过调用底层程序的封装模块，用于自主的双永磁电机控制系统应用,实现基于模型的双永磁电机控制系统开发。

请参阅图1，本发明一种基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、系统启动并初始化；

S2、控制单元进行故障检测，包括电机绕组故障及功率器件故障检测并判断故障等级，并通过统一的信号与通讯接口上传至用户端；

S3、通过电机单元的电流传感器和转子位置传感器等获取电流，电机转速，转矩数据，并上传至控制单元用以用户参考，通过用户自主设计的控制策略进行PWM调制，并将结果输出至功率单元；

功率单元即为系统容错执行机构，即双电机驱动逆变器，通过该单元实现对用户控制策略进行验证测试与分析；

S4、功能测试完毕后，利用MATLAB/Simulink自动代码生成系统的驱动代码下载到硬件系统中进行应用测试；

S5、应用测试完毕后进行实际生产。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图3，为了提高电动车双永磁电机系统的综合性能，降低系统成本，以常规的双六开关逆变器为基础分析双电机驱动新型逆变器拓扑结构：五桥臂十开关逆变器。

通过设计专门的逆变器仿真模块，联合双永磁电机控制系统通用仿真测试平台通过与传统逆变器原理分析和仿真研究对比，为系统实际应用选择性能更优良的逆变器拓扑。同时，在传统的矢量控制和直接转矩控制策略基础上，设计新型逆变器专有的控制策略，通过控制性能分析和仿真研究对比，为系统选择性能更高的控制策略。在研究中，设计专门的新型逆变器测试电路，联合通用硬件实验测试平台对提出的逆变器和控制策略进行验证测试分析。

其中包括，永磁电机数学原理的构建，五桥臂控制算法的实现，DSP常规双闭环控制策略的实现。

永磁电机数学原理的构建：

PMSM电机在旋转dq坐标系中定子电压和定子磁链方程为

其中，u_d，u_q为d、q轴的定子电压；L_d，L_q为d、q轴的电枢电感，对于隐极电机来说L_d＝L_q＝L；i_d，i_q为d、q轴的电枢电流；ψ_d，ψ_q为d、q轴的定子磁链；R_s为电枢绕组电阻；ψ_f为永磁铁产生的磁链，为常量；ω为电机电角速度，ω＝pω_r，p为电机的极对数，ω_r为电机转子角速度；

由式(1)推出：

PMSM电机在旋转dq坐标系中电磁转矩方程为

PMSM电机的转子动力学方程为

其中，T_e为电机的电磁转矩；T_m为电机的负载扭矩；b为电机的阻尼系数；J为电机的转动惯量；

由式(3)式(4)可以推出

状态方程为

由式(2)和式(5)推出

五桥臂控制算法的实现：包括对五桥臂逆变器的分析

目前，国内外针对基于五桥臂逆变器的双电机驱动系统研究的对象大多为异步电机。五桥臂逆变器作为双电机驱动系统的新型的逆变器拓扑结构，不仅能有效减少开关器件的数量，而且能作为传统双逆变器的容错模式，实现开关器件故障的系统容错运行。五桥臂逆变器共有五个桥臂，十个开关器件。

图4为五桥臂逆变器驱动双异步电机系统的主电路拓扑结构。以典型的基于五桥臂逆变器的双异步电机驱动系统结构为例，将五桥臂逆变器的桥臂如图4中分为两部分：1号、2号、3号为一组，记为逆变器A部分；3号、4号、5号桥臂为一组，记为逆变器B部分。其中，3号桥臂为逆变器两部分的公共桥臂，也是两台电机的共用桥臂。

其中，电机1的A相绕组，B相绕组，C相绕组分别与五桥臂的1，2，3号桥臂相连，电机2的A相绕组，B相绕组，C相绕组分别与五桥臂的4，5，3号桥臂相连。

对五桥臂逆变器的调制方法，为实现五桥臂逆变器的调制方式需完成对控制周期进行分区、确定驱动信号占空比及产生驱动信号等三步。为使得五桥臂逆变器能够独立驱动双异步电机，两电机给定定子电压矢量u_s1、u_s2应相互独立。如图5所示，矢量u_s1、u_s2分别按照角速度ω₁、ω₂：独立旋转，矢量幅值通过异步电机恒压频比控制方式确定。

为实现两台电机独立控制，需要将逆变器的控制周期分为两部分。前半周期为逆变器A部分的有效作用时间，后半周期为逆变器B部分的有效作用时间。当逆变器A部分作用时，桥臂1—3由SVPWM(空间矢量脉宽调制)确定各开关器件驱动信号占空比，桥臂4、5将始终保持与公共桥臂3相同的开关状态，即在控制周期前半周期中，逆变器B部分作用的基本空间矢量均为0矢量(000或111)。同理，在控制周期的后半周期，当逆变器B部分作用时，桥臂3—5由SVPWM确定各开关器件驱动信号占空比，桥臂1与桥臂2也将始终保持与公共桥臂3相同的开关状态。与传统双逆变器驱动双电机的系统相比，将两台电机可以通过仅仅五个桥臂来驱动，这样开关数量得到了减少，成本降低。

驱动信号占空比的确定：

记定子电压矢量u_s1相位角为θ_r1由伏秒平衡：

令上式实、虚部分别相等，基本空间矢量作用时间结果为：

记控制周期的前半周期各桥臂上桥臂开关器件驱动信号有效时间为T_a、T_b、T_c、T_d、T_e。令零矢量u₀与u₇作用时间相等，即T₀＝T₇，可得七段式方法实现SVPWM的情况下，各开关器件有效作用时间为：

其中，|u_s1|为取u_s1的绝对值。

同理可得后半控制周期各开关器件驱动信号的作用时间。

表1为五桥臂逆变器的基本电压空间矢量所对应的逆变器各桥臂上开关器件的开关状态：

其中，S_ABCDE1代表前半控制周期桥臂1—5上开关器件对应的开关状态，S_ABCDE2代表后半控制周期桥臂1-5上开关器件对应的开关状态，S_ABC代表三相逆变器的基本空间矢量所对应的各桥臂开关状态。当逆变器工作时，开关状态S_ABCDE1与开关状态S_ABCDE2将交替驱动逆变器的五个桥臂。

本发明在原有五桥臂逆变器结构的基础上通过将星型PMSM绕组中性点打开，分成绕组三相正端和绕组三相负端，将其中一相绕组的正端和另一相绕组的负端相连，共用一个桥臂，其余四个绕组端口分别连接剩下的四个桥臂，构成基于五桥臂逆变器的开绕组PMSM驱动系统。

经过分析通过共用一个桥臂，一共可以得出6种可能的拓扑结构：

Ⅰ、A相绕组的正端和B相绕组的负端共用一个桥臂；

Ⅱ、B相绕组的正端和C相绕组的负端共用一个桥臂；

Ⅲ、C相绕组的正端和A相绕组的负端共用一个桥臂；

Ⅳ、A相绕组的正端和C相绕组的负端共用一个桥臂；

Ⅴ、C相绕组的正端和B相绕组的负端共用一个桥臂；

Ⅵ、B相绕组的正端和A相绕组的负端共用一个桥臂。

以拓扑Ⅰ为例，五桥臂逆变器驱动开绕组永磁同步电机的拓扑结构如图6所示。其中，A相绕组的正端和B相绕组的负端共用一个桥臂，与1号桥臂相连，C相绕组与4号桥臂相连。

在五桥臂逆变器驱动开绕组永磁同步电机的拓扑结构上，对于五桥逆变器供电驱动两台三相永磁同步电机系统进行研究，其拓扑结构与五桥臂逆变器驱动双异步电机系统的主电路拓扑结构相似。当每个桥臂的上桥臂导通时将对应桥臂开关状态记为1，下桥臂导通时记为0。故可得各个桥臂开关状态函数为：

如图4所示，其中T_x中X＝1、2、3、4、5，因此可以得到各个桥臂输出的相电压为：

U_x＝T_xU_直流

其中，U_x为X桥臂输出的相电压，U_直流为直流侧输出电压。

结合永磁电机数学模型中：

推算出电流状态方程为：

结合电机端的三相电压便可获取不同开关状态下的电流。

如图4所示整个双电机控制系统有五个桥臂，每个桥臂都能输出0、1两种状态，则逆变器输出共有2²＝32种矢量，每个矢量相当于有五个维度；32种矢量见下表：

DSP常规双闭环控制策略的实现：

如图7所示的常规双闭环结构，其中，电机单元与UPE单元直接相连，由UPE,ACR,ASR单元及输入量构成外环即速度环，控制量与ACR,UPE单元构成内环。

由单闭环初始公式进行推导，首先使用标准的PID公式

为了在计算机上实现PID函数，需要离散化，得到离散化公式：

更为常用地，转换为增量式：

Δu_k＝u_k-u_k-1＝K_p(e_k-e_k-1)+Kie_k+K_d(e_k-2e_k-1+e_k-2)

u_k＝Δu_k+u_k-1

这两条即为单闭环控制策略中所使用公式，其中，e_k为速度设定值；e(t)为当前速度值；K_p、K_i、K_d分别为比例、积分、微分参数；u_k为PWM占空分数。

在单闭环系统中，输入转速差，转速控制器会输出对应的PWM来使得电机转速达到期望转速，PWM和转速呈正相关关系。但在双闭环系统中，输入转速差，转速控制器会输出对应的电流大小，然后该电流与实际电流大小之差作为电流控制器的输入，再输出对应的PWM。

通过公式

I＝ΔV1×M÷(t×Tα)

整理为

I＝(ΔV1÷t)×(M÷Tα)

即

I＝a×(M÷Tα)

I＝T÷Tα

即

I1＝ΔV×P

其中，I为转矩电流，ΔV1为速度误差，M为转动惯量，t为采样时间，Tα为转矩系数，T为转矩，I1为转矩最适电流，ΔV为速度差，P为积分系数。

由于该过程不一定线性，因此需要积分环节控制存在。在一定程度上，转矩电流与转矩成正比，进而与转速差成正比，只要确定了输入转速差即可确定输出转矩电流，进而进行PWM调制，并上传至功率单元。

在双闭环系统中，相较于单闭环系统来说，多出了电流内环部分，增强了系统稳定性，加快了系统调节时间，使系统更快的从启动环节进入到稳定状态。

基于MATLAB原型设计的双永磁电机控制系统通用仿真测试平台设计和仿真分析

针对本研究双永磁电机驱动系统，考虑电机和多种控制技术仿真方案具有通用性也具有特有性，利用Matlab数值仿真软件建立基于原型设计技术的双永磁电机系统通用仿真测试平台。系统常规控制策略、容错控制策略、控制器、逆变器等也按照不同功能建立可快速修改或替换的仿真模块。该平台可以实现双永磁电机系统不同工况、不同控制策略、不同类型逆变器时的系统稳态性能和瞬态性能仿真测试。该研究为电动车双永磁电机系统的设计和分析提供有效的设计工具。

基于MATLAB原型设计的双永磁电机控制系统通用硬件实验测试平台研制与调试

建立双永磁电机系统通用硬件实验测试平台。其中利用两台直流电机作为负载电机，德州仪器公司高性能数字信号处理器TMS320F28335作为控制核心，IGBT智能功率模块作为逆变器功率开关器件。在MATLAB仿真平台中，按照模块组合式的思路分别独立设计电源电路模块、控制器电路模块、逆变器电路模块和额外的辅助电路模块等。调试分为功能调试和应用调试。在功能调试中，系统不同的硬件模块可以实现快速设置或替换其他同类型模块，可以对于不同工况、不同控制策略、不同类型逆变器的开展通用功能调试需求。功能测试完毕后，利用MATLAB/Simulink自动代码生成系统的驱动代码下载到硬件系统中进行应用测试。

分析改正策略研究中出现的问题并进行调整，以实现最终的系统方案。

本发明控制方法的算法软件采用模块化开发，缩短开发周期。底层工具实现了模块化，可以方便的调用，用户能够更专注于自主知识产权的软件开发及真实负载验证。采用一键式代码生成和下载,操作流程简单。通过基于模型的开发环境,结合自主的电机控制算法，实现算法设计→模型搭建→代码生成→硬件调试→产品定型,大大缩短了产品的开发周期。系统功能完善,配置灵活，安全性高,经济性好。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统，其特征在于，包括电机单元、控制单元、功率单元和用户端，控制单元采用DSP+ARM架构，通过功率单元与电机单元连接用于实现故障隔离、容错控制策略，并完成处理器之间、处理器与用户端之间的通讯；功率单元和电机单元分别通过信号和通讯接口与用户端以及控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统，其特征在于，功率单元为五桥臂十开关逆变器拓扑结构，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂组成逆变器A，第三桥臂、第四桥臂和第五桥臂组成逆变器B，第三桥臂为逆变器A和逆变器B的公共桥臂；第一桥臂由双极型晶体管芯片T10、T11以及并联在其上的二极管芯片组成，第二桥臂由双极型晶体管芯片T20、T21以及并联在其上的二极管芯片组成，第三桥臂由双极型晶体管芯片T30、T31以及并联在其上的二极管芯片组成；第四桥臂由双极型晶体管芯片T40、T41以及并联在其上的二极管芯片组成；第五桥臂由双极型晶体管芯片T50、T51以及并联在其上的二极管芯片组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统，其特征在于，电机单元包括两台永磁电机、两台负载直流电机、电流传感器、转子位置传感器、转矩传感器和电压传感器；

联合基于MATLAB的双永磁电机控制系统通用硬件实验测试平台对功率单元的五桥臂十开关逆变器拓扑结构和控制单元的控制策略进行验证测试分析。

4.一种基于MATLAB的电动车双永磁电机控制方法，其特征在于，利用权利要求1至3中任一项所述的基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统，包括以下步骤：

S1、系统启动并初始化；

S2、控制单元进行故障检测，包括电机绕组故障及功率器件故障检测并判断故障等级，并通过统一的信号与通讯接口上传至用户端；

S3、通过电机单元的电流传感器和转子位置传感器等获取电流，电机转速，转矩数据，并上传至控制单元，控制单元通过控制策略进行PWM调制，并将结果输出至功率单元，通过基于以常规的双六开关逆变器为基础分析的双电机驱动新型逆变器拓扑结构：五桥臂十开关逆变器实现对控制策略的分析，进而实现对基于MATLAB的电动车双永磁电机控制系统的控制。

5.根据权利要求4所述基于MATLAB的电动车双永磁电机控制方法，其特征在于，步骤S3中，功率单元为双电机驱动逆变器，用于实现对用户控制策略进行验证测试与分析，包括永磁电机数学原理构建、五桥臂控制算法实现以及DSP常规双闭环控制策略的实现。

6.根据权利要求5所述基于MATLAB的电动车双永磁电机控制方法，其特征在于，永磁电机数学原理构建具体如下：

根据PMSM电机在旋转dq坐标系中定子电压和定子磁链方程得出：

其中，u_d，u_q为d、q轴的定子电压；L_d，L_q为d、q轴的电枢电感，L_d＝L_q＝L；i_d，i_q为d、q轴的电枢电流；ψ_d，ψ_q为d、q轴的定子磁链；R_s为电枢绕组电阻；ψ_f为永磁铁产生的磁链；ω为电机电角速度，ω＝pω_r，p为电机的极对数，ω_r为电机转子角速度；

根据PMSM电机在旋转dq坐标系中电磁转矩方程和PMSM电机的转子动力学方程推出：

最后得出A、B和C具体如下：

其中，A为永磁电机状态方程A相绕组中所对应的相关系数，B为永磁电机状态方程B相绕组中所对应的相关系数，C为永磁电机状态方程C相绕组中所对应的相关系数。

7.根据权利要求5所述基于MATLAB的电动车双永磁电机控制方法，其特征在于，五桥臂控制算法的实现具体为：

将逆变器的控制周期分为前半周期和后半周期，前半周期为逆变器A部分的有效作用时间，后半周期为逆变器B部分的有效作用时间；

当逆变器A部分作用时，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂由SVPWM确定各开关器件驱动信号占空比，第四桥臂和第五桥臂始终保持与第三桥臂相同的开关状态；在控制周期前半周期中，逆变器B部分作用的基本空间矢量均为0矢量；

在控制周期的后半周期，当逆变器B部分作用时，第三桥臂、第四桥臂和第五桥臂由SVPWM确定各开关器件驱动信号占空比，第一桥臂与第二桥臂保持与第三桥臂相同的开关状态；驱动信号占空比的确定。

8.根据权利要求7所述基于MATLAB的电动车双永磁电机控制方法，其特征在于，记定子电压矢量u_s1相位角为θ_r1由伏秒平衡：

基本空间矢量作用时间结果为：

记控制周期的前半周期各桥臂上桥臂开关器件驱动信号有效时间为T_a、T_b、T_c、T_d、T_e；令零矢量u₀与u₇作用时间相等，即T₀＝T₇，得七段式方法实现SVPWM的情况下，各开关器件有效作用时间为：

9.根据权利要求7所述基于MATLAB的电动车双永磁电机控制方法，其特征在于，五桥臂十开关逆变器拓扑结构包括以下六种：

A相绕组的正端和B相绕组的负端共用一个桥臂；B相绕组的正端和C相绕组的负端共用一个桥臂；C相绕组的正端和A相绕组的负端共用一个桥臂；A相绕组的正端和C相绕组的负端共用一个桥臂；C相绕组的正端和B相绕组的负端共用一个桥臂；B相绕组的正端和A相绕组的负端共用一个桥臂；

d、q轴的电枢电流i_d，i_q状态方程为：

其中，R_s为电枢绕组电阻；L_d＝L_q＝L；u_d，u_q为d、q轴的定子电压，ω_e为电机角速度，为为永磁铁产生的磁链，为一个常数。

10.根据权利要求5所述基于MATLAB的电动车双永磁电机控制方法，其特征在于，DSP常规双闭环控制策略实现具体为：

由单闭环初始公式进行推导，首先使用标准的PID公式

经离散化得到离散化公式：

转换为增量式如下：

Δu_k＝u_k-u_k-1＝K_p(e_k-e_k-1)+Kie_k+K_d(e_k-2e_k-1+e_k-2)

u_k＝Δu_k+u_k-1

其中，e_k为速度设定值；e(t)为当前速度值；K_p、K_i、K_d分别为比例、积分、微分参数；u_k为PWM占空分数；

在单闭环系统中，PWM和转速呈正相关关系；闭环系统中，输入转速差，转速控制器会输出对应的电流大小，然后该电流与实际电流大小之差作为电流控制器的输入，再输出对应的PWM，整理后得到转矩最适电流I1如下：

I1＝ΔV×P

其中，ΔV为速度差，P为积分系数。