用GCK实现-永磁同步电机控制的示例工程

GCKontrol具有以下特点：

（1）GCKontrol是控制系统建模工具。GCKontrol软件可以建模，仿真和分析动态系统，是一款控制系统的建模工具。利用GCKontrol可视化的建模方式，可迅速地建立动态系统的框图模型。只需在GCKontrol 模型库中选出合适的模块并施放到GCKontrol 画布中，可用于构成各种不同种类的动态模型系统。

 利用GCKontrol仿真动态系统分两步：

    首先，用户使用模型库中模型元件构建模型，利用GCKontrol模型编辑器，通过系统的输入，传递函数，输出描述数学关系；其次，仿真系统的模型，并指定开始时间和结束时间。仿真结构图是动态系统数学模型的图形化描述，数学模型由一组方程组表示，包括比例，微分，微分方程。

（2）GCKontrol可以从模型自动生成代码。GCKontrol根据数学公式构建的框图模型可自动生成代码，此代码可在保存模型文件夹中进行查看。

（3）GCKontrol是一个GCAir的模块，也可以独立用。GCKontrol是GCAir的重要组成部分，提供建立系统模型、选择仿真参数、启动仿真程序对该系统进行仿真、启用2D面板观察仿真结果等功能。若集成于GCAir中，目标是做系统集成， GCAir的仿真引擎可调度GCKontrol代码。同时，GCKontrol也可作为独立软件进行使用。独自安装GCKontrol软件并打开，同样进入仿真建模界面，在此界面下可进行控制系统框图构建模型。

    GCKontrol是GCAir中的一种可视化仿真工具，是一种基于GCAir的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，可应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。其主要功能可分为如下五大类：

• 丰富的可扩充的预定义模块库

• 交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图

• 以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理

• 图形化的2D显示面板可观察、分析仿真结果

• 可集成于GCAir中，目标是做系统集成， GCAir的仿真引擎可调度GCKontrol代码。

    首先举一个最简单的例子，有一个指南针，它的N极指向北方，它的S极指向南方。在指南针上方，放一个磁铁，它的方向并不是指向北方的。那么此时，指南针就会随着磁铁发生转动，那这个现象其实就是同步电机最基本的原理。

    第二个例子是一个铁钉，电流从左侧流入，从右侧流出，根据右手螺旋定则，判断铁定的左侧为N极，右侧为S极。

    把第一个例子的磁铁换成铁钉，那此时的指南针就会随着铁钉而转动。如果有三个铁钉，可以简单地画个绕组图示意一下：

    在A⁺通电的时候，这个磁铁就会指向一个跟A向磁场重合的一个角度。在B⁺通电，磁铁就会跟B达到一个重合的角度，但是ABC是可以同时充电的，同时充电就会有一个新的角度，这个磁场是一个矢量，矢量是可以做平行四边形加法法则的，那么现在把问题简化一下，就得到如图的坐标系：

    假设定义转子的初始位置是A⁺，当A通正电，B通负电（或不通电），C通负电（或不通电），此时做一个矢量合成，结果得出转子角度为0°。

    接下来我们要对ABC做一个均衡的控制，让电压电流变化都是平稳的，如果要做一个转子角度为30°的效果，如果只有A的话是不够的，需要再配合B来表示，如图所示：

由此可得出表达式：

总结：以上的示例都是在静态的情况下是等效的，当已知两个向量时，夹角不为0，那这一圈内的所有向量都可以用这两个已知向量来表示，实际上这个过程就是坐标变换的过程。

基于dq坐标系下的状态方程为：

  三相永磁同步电机就是PMSM，根据永磁体转子上的位置不同，三相PMSM的转子结构可以分为表贴式和内置式两种结构。

 1.表贴式：把永磁体安装在转子的表面

 2.内置式：把永磁体嵌入在转子中

 对三相永磁同步电机做一个假设：

 1.忽略电机铁芯的饱和

 2.不记电机中的涡流和磁滞损耗

 3.电机中的电流为对称的三相正弦波电流

有了这些假设之后，我们可以看一下三相PMSM的坐标变换：

 1.abc坐标到αβ坐标转换，称为静止坐标变换，也就是Clark变换

 2.αβ坐标到dq坐标转换，称为同步旋转坐标变换，也就是Park变换

以下是模型abc到dq的变换模块：

我们使用GCK来演示一下：

 dq坐标到αβ坐标转换，称为Clark逆变换：

 αβ坐标到abc坐标转换，称为Park逆变换：

以下是模型abc-dq的变换模块：

我们使用GCK来演示一下：

由此，我们可以得出的结果为：

    本工程中永磁电机模型是在dq坐标系建立的，包括电压方程、磁链方程、机械方程和转矩方程。

电压方程：

磁链方程：

将公式（2）代入公式（1）

机械方程：

（4）中

转矩方程：

上述公式符号含义如下表：

FOC控制框图：

其中：

模型图：

模型参数：

电机参数如下：Rs=0.415、Lq=0.0054、Ld=0.0045、J=1、ψ_f=0.8767、Np=4、angle=0；

输入输出：

输入：模型中采用ld_set=0控制；

给定转速speed_set=500；

负载初始值Tload=100，仿真4s后Tload=500。

输出：电机角速度speed。

仿真结果：

    在2D面板里，截取在0~0.5秒内，三相电压的数据，从图上我们可以清楚地看到，电压的变化速率越来越高。

    当目标转速为600rad/s，可以看到，负载Tload发生变化时，电机转速也能稳定在600rad/s。

  电机力矩也会随着外部负载最终趋于稳定，第一个稳定值在100Nm，第二个稳定值在500Nm。

功能原理图

    左侧直流电（DC）向右传输，经过逆变器的转换，将直流电压转变为高频的高压交流电（AC）传输至PMSM电机内，当三相电流通入永磁同步电机定子的三相对称绕组中时，电流产生的磁动势合成一个幅值大小不变的旋转磁动势。由于其幅值大小不变，这个旋转磁动势的轨迹便形成一个圆，称为圆形旋转磁动势。磁动势传入右侧的转轴，转轴接收到机械负载后，产生转动惯量，将转动的角度通过旋转变压器传送到电机控制器（MCU）中，而逆变器产生的三相电流也通过电流传感器传送到MCU中。

   逆变器的输入部分有3个信号，12V直流输入VIN、工作使能电压ENB及Panel电流控制信号DIM。VIN由Adapter提供，ENB电压由主板上的MCU提供，其值为0或3V，当ENB=0时，逆变器不工作，而ENB=3V时，逆变器处于正常工作状态；而DIM电压由主板提供，其变化范围在0～5V之间，将不同的DIM值反馈给PWM控制器反馈端，逆变器向负载提供的电流也将不同，DIM值越小，逆变器输出的电流就越大。

案例列举

• 电动汽车

    使用电动汽车，毫无疑问可以大幅改善燃油经济。永磁同步电机以其高效率、高功率因素和高功率密度等优点，正逐渐成为电动汽车驱动系统的主流电机之一。

• 轨道交通领域

    2007年，阿尔斯通公司研发的新一代永磁牵引电机系统的高速AGV列车—V150，创下列车速度世界新纪录574.8km/h。

• 电梯领域

    永磁同步电机产生较小的谐波噪声，应用于电梯系统中，可以带来更加的舒适感。

• 医疗机械领域

    传统高速旋转的整流子电机不仅故障率高，且寿命短、噪声大、无法做消毒处理。用电子换向无刷直流永磁电机可以极大地提高工作可靠性，降低噪声，延长寿命，是开发新一代医疗器械的关键。

• 家电行业领域

    由于永磁电机在低运转时效率及高，可以有效的降低频繁启动的损耗，是实现家电节能的较佳技术途径之一。

• 船舶电力推进领域

    推进电机是船舶综合电力系统的重要组成部分，永磁同步推进电机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低、易于实现集中遥控、可靠性高、可维护性好等优点，是船舶推进电机的理想选择。