王彬 吳明暉

摘 ?要： 無火藥煙花機是一種新型環(huán)保煙花噴設裝置，其主要控制難點在于風機的控制，本文針對煙花機風機需要快速的動態(tài)響應，低噪聲且高速運行的情況，設計了以永磁同步電機（PMSM）為控制對象，基于STM32F407的控制系統(tǒng)。文章簡述了磁場定向控制的原理、控制系統(tǒng)硬件電路，介紹了系統(tǒng)為滿足高速運轉，快速響應的具體措施。通過引入Bang-Bang控制，實現(xiàn)控制系統(tǒng)在不同速度范圍系統(tǒng)動態(tài)響應的優(yōu)化;為實現(xiàn)低噪聲運行，對空間矢量調制進行了過調制處理，降低了轉矩波動。最終進行速度響應及噪聲測試，結果表明本系統(tǒng)設計的風機控制系統(tǒng)能滿足煙花機的使用需求。

關鍵詞： 永磁同步電機;MATLAB仿真;STM32F407微控制器;空間矢量控制

中圖分類號： TP353;TP368 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.044

本文著錄格式：王彬，吳明暉. 無火藥煙花機高速風扇控制器設計及實現(xiàn)[J]. 軟件，2020，41（01）：199204

【Abstract】： The gunpowder-free fireworks machine is a new type of environmentally-friendly fireworks spraying device. The main control difficulty lies in the control of the fan. In this paper， the permanent magnet synchronous motor is designed for the fast dynamic response of the fireworks fan， low noise and high speed operation. PMSM） is the control object， based on the STM32F407 control system. The article briefly describes the principle of magnetic field oriented control， the hardware circuit of the control system， and introduces the specific measures to meet the high-speed operation and fast response. By introducing Bang-Bang control， the dynamic response of the control system in different speed ranges is optimized. To achieve low noise operation， the space vector modulation is overmodulated and the torque ripple is reduced. Finally， the speed response and noise test are carried out. The results show that the fan control system designed by this system can meet the requirements of the use of fireworks.

【Key words】： Permanent magnet synchronous motor; MATLAB simulation; STM32F407 microcontroller; Space vector control

0 ?引言

傳統(tǒng)噴花使用的藥劑是黑火藥，噴花燃放時，噴口火焰較小，效果藥能有效地被噴出筒體，燃燒時釋放出各種珠花，但煙霧較大，大量燃放時，甚至因煙霧的遮擋影響觀賞效果[1]。同時由于黑火藥的存在使這種燃放方式存在著污染環(huán)境的問題。因此我們研發(fā)了一款采用金屬粉末作為燃放耗材的無火藥環(huán)保煙花噴射裝置，其原理是利用電加熱的方式加熱金屬粉末耗材，利用風機將加熱之后的金屬粉末耗材高速吹出產(chǎn)生煙花的效果。這樣做替代了傳統(tǒng)噴花依靠火藥爆炸時產(chǎn)生高溫激發(fā)效果藥以及火藥爆炸時的高壓噴放珠花的燃放方式，從根本上取代了火藥，做到了只依靠自身耗材燃燒時產(chǎn)生的聲、光、色就能形成絢麗多姿的煙花效果及藝術造型，觀賞效果極佳[2]。

無火藥煙花機要實現(xiàn)金屬粉末的煙花噴射燃放效果，難點在于煙花高度的控制，它要求風機能根據(jù)燃放需求快速響應轉速要求調節(jié)出風量，同時由于是在舞臺上燃放，因此風機噪音必須要小，防止風機噪音來影響演出效果。其次，煙花機的燃放高度設計要求最高為2.1米，根據(jù)置換原理[3]計算與實驗測試，風機轉速需要達到20000轉以上，這種轉速一般的直流有刷電機和異步電機很難實現(xiàn)，永磁同步電機較適合這一控制場合。

永磁同步電機的控制策略主要為磁場定向控制（FOC）。目前采用FOC控制方式主要存在的問題是需要根據(jù)電機參數(shù)優(yōu)化控制算法，盡可能發(fā)揮電機本身的潛力。文獻[4-6]設計了基于磁場定向控制的電機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電機的穩(wěn)定運行，具有很好的轉矩控制精度，但由于未對系統(tǒng)各轉速階段控制參數(shù)進行優(yōu)化，造成電機動態(tài)響應性能較慢，在調速能力，控制精度方面仍存在不足。文獻[7-8]全面分析了影響電機動態(tài)響應的因素，從多方面提升了電機的動態(tài)響應能力，實現(xiàn)了電機快速準確的調試，但由于未選擇了合適的PWM調試方式，造成了過調制的問題。下面，我們結合煙花機的特殊應用場合，開發(fā)了基于STM32F407的電機磁場定向控制驅動系統(tǒng)，運用Matlab/Simulink對其進行仿真，針對噪聲問題的，動態(tài)響應問題進行了算法改進，并驗證了改進算法的優(yōu)越性。

1 ?磁場定向控制原理與硬件電路實現(xiàn)

FOC算法執(zhí)行原理如圖1所示，首先是根據(jù)三電阻采樣獲得三相電流，然后使用Clark變換將相電流從3軸變換為空間2軸坐標系，使用滑模觀測器根據(jù)采樣信息估計電機轉子位置和速度，根據(jù)轉子位置使用Park變換得到d-q坐標系下的電流，針對電流和速度運行PI控制得到d-q坐標系下的電壓，使用Park逆變換將軸靜止坐標系轉換到旋轉坐標系，使用SVPWM空間矢量調制，更新PWM占空比，三相橋臂導通，至此，就完成了單周期矢量控制。之后再按此過程運行。

針對磁場定向控制原理，我們設計了硬件電路，本系統(tǒng)采用STM32F407IGT6為主控制芯片，整個電路由微控制器，永磁同步電機，三相橋臂驅動電路，MOS管驅動器，電流采樣電路和霍爾電路組成。電機控制整體結構框圖如圖2所示，主要實現(xiàn)電機驅動以及運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。

2 ?永磁同步電機的仿真調試

根據(jù)電機控制系統(tǒng)的硬件電路以及電機參數(shù)（電機參數(shù)如表1所示），我們建立了電機控制系統(tǒng)的MATLAB數(shù)學模型。我們通過建模和仿真技術，可以更加快速的尋找合適的控制參數(shù)，找到控制的缺陷，縮短調試周期。調速系統(tǒng)包括了五個模塊：電機本體模塊，PWM生成模塊、逆變電路模塊、電流調節(jié)器模塊、轉速調節(jié)器模塊。下面在數(shù)學建模的時候假設：略去鐵芯飽和，不計算渦流和磁滯損耗，無阻尼繞組在轉子上，永磁性材料是不導電的，相繞組的感應電動勢波形為梯形波?；谏鲜黾僭O，可以搭建永磁同步電機的仿真數(shù)學模型，如圖3所示。

圖4為電機仿真控制模型的轉速曲線，仿真時間共計0.8 s，電機啟動初始時刻負載轉矩為0.2 ，目標轉速給定15000 r/min，由圖可以觀察出電機啟動平穩(wěn)，但階躍響應慢，在0.1 s時電機轉速達到15000轉，并經(jīng)過0.1 s的震蕩穩(wěn)定在目標轉速。在0.37 s時將目標速度設為21000轉，電機轉速經(jīng)過短時調制，在小幅震蕩后達到21000轉。通過仿真得到的結果可知，搭建的BLDC矢量控制系統(tǒng)模型的性能優(yōu)良，電機轉速超調量較小，仿真結果與目標給定值比較接近，但整體響應較慢，需要在實際控制中加以改進?？偟膩碚f此次仿真用到的參數(shù)可作為參考值放入到實際的電機控制系統(tǒng)中，便于縮短整個電機控制系統(tǒng)的研發(fā)周期。

3 ?電機控制軟件系統(tǒng)設計及算法優(yōu)化

3.1 ?Bang-Bang控制算法對電機轉速動態(tài)響應性能的優(yōu)化

在仿真轉速曲線中，我們發(fā)現(xiàn)電機轉速接近給定值時，電機在設定值附近會震蕩幾次，并逐步趨于穩(wěn)定，在不同速度范圍內(nèi)運行，電機控制系統(tǒng)的調整性能差別較大，例如在目標15000 r/min及目標21000 r/min時，系統(tǒng)的超調量以及達到穩(wěn)定的時間不同，可見在仿真系統(tǒng)中速度階躍響應性能不穩(wěn)定。

我們分析了原因，并在不同的速度范圍進行了積分分離，即根據(jù)仿真實驗得到的最優(yōu)系數(shù)設定不同的速度范圍內(nèi)的比例積分系數(shù)。當電機低速時，速度環(huán)比例積分系數(shù)較大，速度升高，比例積分系數(shù)相應減小，達到一定速度時穩(wěn)定在相應數(shù)值上[8]。但在電機速度初始階躍時刻，PI調節(jié)器的輸出變化的較慢，不會很快達到其限幅值，從而電機的速度階躍響應在開始時的升速（降速）為非線性的，說明升速（降速）初始時電機驅動力矩沒有迅速達到限幅[4]，電機還有余力。如果我們可以在速度階躍初始時刻，設置電機的轉矩為最大限幅轉矩，那么電機的加速度將將會迅速增大到最大加速度，電機的速度響應可以有明顯的提高。由此我們在速度環(huán)控制中引入了最優(yōu)控制（Bang-Bang控制），具體我們這樣設定，當電機控制系統(tǒng)收到的轉速變化較小，我們采用普通的積分分離系數(shù)控制值電機運轉，當電機轉速變化差值超過系統(tǒng)設定值，我們采用最大轉矩輸出控制電機以最大加速度運動，這樣可以充分發(fā)揮電機的潛力，提高響應能力。此外電機在階躍初期是沒有積分比例調節(jié)，只有在漸進響應速度時才參與調節(jié)，可以有效地減小因速度調節(jié)器飽和而引起的電機速度超調[4]。控制算法為

3.2 ?引入過調制處理對電機噪聲的優(yōu)化

電機噪聲問題的根本原因為轉矩波動和共振[10]，磁場定向控制之所以噪聲明顯小就是因為加入了空間矢量脈寬調制使得轉矩波動明顯小于方波控制的轉矩波動。因此降低了轉矩波動就可以一方面降低運行噪聲，為降低轉矩波動運行我們重點研究了空間矢量脈寬調制實現(xiàn)方法及后續(xù)過調制優(yōu)化。

軟件控制流程在Park逆變換之后，我們得到旋轉的電壓矢量 和 ，將其輸入到SVPWM控制函數(shù)里邊。首先定義了中間變量 這里定義中間變量的主要目的是計算空間向量的扇區(qū)，運算如公式1所示，其中T為單次SVPWM調制時間，例如我們的PWM頻率為20 K，那么T就為50 us。

常規(guī)的SVPWM調制在求得三相的正脈沖保持時間后，會直接計算各通道的比較值然后驅動永磁電機工作，但這存在一個缺陷，當旋轉電壓矢量超過一定界限，就會發(fā)生輸出電壓失真，加大轉矩波動程度。為此我們進行了過調制處理：在SVPWM模式下，逆變器能夠輸出的最大不失真圓形旋轉電壓矢量為圖5所示，最內(nèi)圓為最大不失真圓形電壓矢量邊界，其電壓幅值為： 。我們將輸出的電壓限定在最大不失真圓形電壓矢量邊界內(nèi)。即這里采用一種比例縮小算法，當合成矢量端點在正六邊形之內(nèi)，不發(fā)生過調制;當合成矢量端點超出正六邊形，發(fā)生過調制。

在過調制判定結束之后，計算定時器各個通道比較值，通過STM32的高級定時器輸出PWM方波到三相橋臂，驅動永磁同步電機工作。

3.3 ?控制系統(tǒng)軟件設計

我們將仿真的最優(yōu)參數(shù)與優(yōu)化后的控制算法結合，設計了電機控制策略，圖6為空間矢量控制的軟件流程圖，軟件系統(tǒng)主要處理的任務包括：相電流的采集，Clark變化，Park變換，PI控制，估算轉子位置，Park逆變換，故障檢測。

4 ?仿真及算法過程

本風機控制系統(tǒng)設計的要求是轉速達到20000 r/min，噪聲小于70 dB，速度響應時間快。在控制系統(tǒng)設計完畢后對永磁同步電機的控制系統(tǒng)（如圖7所示）進行了實際的測試，主要的測試內(nèi)容包括電機最大轉速，動態(tài)響應時間，噪聲監(jiān)測。

4.1 ?速度與響應時間測試

我們采用LabVIEW上位機對風機的速度進行控制并實時采集速度，速度曲線如圖8所示。我們按照仿真時給定的轉速進行測試，在0.08 s時就可以到達15000轉，并經(jīng)過很短的震蕩穩(wěn)定在15000轉速，速度響應明顯好于仿真時的效果，并且超調量小，在0.37 s時向控制系統(tǒng)輸入21000轉的指令，電機響應也較快。整個測試過程中，電機最高轉速達到了21000轉符合設計需求，并且電機運轉平穩(wěn)可靠，速度響應迅速，在15000轉的時候震蕩較為明顯，但超調量較小，在合理范圍控制范圍內(nèi)。

4.2 ?噪聲測量

參考GB 2888-91風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法，測量風扇的噪聲時需要在噪聲小于17 dB的室內(nèi)進行，距離風扇一米，并沿風扇轉軸的方向對準風扇的進氣口，采用風機噪音A加權的方式測試，分別測試風機低速，中速，高速狀態(tài)下的噪音，風機噪音測試結果小于70 dB。

4.3 ?煙花效果測試

圖9為煙花機燃放時的實際噴射效果圖片。在實際效果測試中，我們按照音樂節(jié)奏來改變煙花的噴放效果，由于不能視頻播放，我們截取了不同節(jié)奏下的煙花燃放高度，結果表明，風機的動態(tài)響應迅速，風機的性能指標滿足煙花機的使用需求。

5 ?結語

本文對永磁同步電機速度響應性能，高速運轉已經(jīng)低噪聲進行了研究。首先通過仿真實驗得到了電機的轉速轉矩特性，基于仿真結果設計了風機控制系統(tǒng)，在實際控制中我們以仿真結果作為參考修改電機的PI參數(shù)，滿足了煙花機風機高速運轉與快速響應，通過SVPWM調制，降低了風機控制系統(tǒng)的噪音，滿足了舞臺燃放低噪聲的要求。從實驗結果表明，本文采取的開發(fā)方式是有效的。

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