无火药烟花机高速风扇控制器设计及实现

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　　摘  要： 无火药烟花机是一种新型环保烟花喷设装置，其主要控制难点在于风机的控制，本文针对烟花机风机需要快速的动态响应，低噪声且高速运行的情况，设计了以永磁同步电机（PMSM）为控制对象，基于STM32F407的控制系统。文章简述了磁场定向控制的原理、控制系统硬件电路，介绍了系统为满足高速运转，快速响应的具体措施。通过引入Bang-Bang控制，实现控制系统在不同速度范围系统动态响应的优化;为实现低噪声运行，对空间矢量调制进行了过调制处理，降低了转矩波动。最终进行速度响应及噪声测试，结果表明本系统设计的风机控制系统能满足烟花机的使用需求。
　　关键词： 永磁同步电机;MATLAB仿真;STM32F407微控制器;空間矢量控制
　　中图分类号： TP353;TP368    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.044
　　本文著录格式：王彬，吴明晖. 无火药烟花机高速风扇控制器设计及实现[J]. 软件，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
　　传统喷花使用的药剂是黑火药，喷花燃放时，喷口火焰较小，效果药能有效地被喷出筒体，燃烧时释放出各种珠花，但烟雾较大，大量燃放时，甚至因烟雾的遮挡影响观赏效果[1]。同时由于黑火药的存在使这种燃放方式存在着污染环境的问题。因此我们研发了一款采用金属粉末作为燃放耗材的无火药环保烟花喷射装置，其原理是利用电加热的方式加热金属粉末耗材，利用风机将加热之后的金属粉末耗材高速吹出产生烟花的效果。这样做替代了传统喷花依靠火药爆炸时产生高温激发效果药以及火药爆炸时的高压喷放珠花的燃放方式，从根本上取代了火药，做到了只依靠自身耗材燃烧时产生的声、光、色就能形成绚丽多姿的烟花效果及艺术造型，观赏效果极佳[2]。
　　无火药烟花机要实现金属粉末的烟花喷射燃放效果，难点在于烟花高度的控制，它要求风机能根据燃放需求快速响应转速要求调节出风量，同时由于是在舞台上燃放，因此风机噪音必须要小，防止风机噪音来影响演出效果。其次，烟花机的燃放高度设计要求最高为2.1米，根据置换原理[3]计算与实验测试，风机转速需要达到20000转以上，这种转速一般的直流有刷电机和异步电机很难实现，永磁同步电机较适合这一控制场合。
　　永磁同步电机的控制策略主要为磁场定向控制（FOC）。目前采用FOC控制方式主要存在的问题是需要根据电机参数优化控制算法，尽可能发挥电机本身的潜力。文献[4-6]设计了基于磁场定向控制的电机控制系统，实现了电机的稳定运行，具有很好的转矩控制精度，但由于未对系统各转速阶段控制参数进行优化，造成电机动态响应性能较慢，在调速能力，控制精度方面仍存在不足。文献[7-8]全面分析了影响电机动态响应的因素，从多方面提升了电机的动态响应能力，实现了电机快速准确的调试，但由于未选择了合适的PWM调试方式，造成了过调制的问题。下面，我们结合烟花机的特殊应用场合，开发了基于STM32F407的电机磁场定向控制驱动系统，运用Matlab/Simulink对其进行仿真，针对噪声问题的，动态响应问题进行了算法改进，并验证了改进算法的优越性。 　　1  磁场定向控制原理与硬件电路实现
　　FOC算法执行原理如图1所示，首先是根据三电阻采样获得三相电流，然后使用Clark变换将相电流从3轴变换为空间2轴坐标系，使用滑模观测器根据采样信息估计电机转子位置和速度，根据转子位置使用Park变换得到d-q坐标系下的电流，针对电流和速度运行PI控制得到d-q坐标系下的电压，使用Park逆变换将轴静止坐标系转换到旋转坐标系，使用SVPWM空间矢量调制，更新PWM占空比，三相桥臂导通，至此，就完成了单周期矢量控制。之后再按此过程运行。
　　针对磁场定向控制原理，我们设计了硬件电路，本系统采用STM32F407IGT6为主控制芯片，整個电路由微控制器，永磁同步电机，三相桥臂驱动电路，MOS管驱动器，电流采样电路和霍尔电路组成。电机控制整体结构框图如图2所示，主要实现电机驱动以及运行状态的实时监测。
　　2  永磁同步电机的仿真调试
　　根据电机控制系统的硬件电路以及电机参数（电机参数如表1所示），我们建立了电机控制系统的MATLAB数学模型。我们通过建模和仿真技术，可以更加快速的寻找合适的控制参数，找到控制的缺陷，缩短调试周期。调速系统包括了五个模块：电机本体模块，PWM生成模块、逆变电路模块、电流调节器模块、转速调节器模块。下面在数学建模的时候假设：略去铁芯饱和，不计算涡流和磁滞损耗，无阻尼绕组在转子上，永磁性材料是不导电的，相绕组的感应电动势波形为梯形波。基于上述假设，可以搭建永磁同步电机的仿真数学模型，如图3所示。
　　图4为电机仿真控制模型的转速曲线，仿真时间共计0.8 s，电机启动初始时刻负载转矩为0.2 ，目标转速给定15000 r/min，由图可以观察出电机启动平稳，但阶跃响应慢，在0.1 s时电机转速达到15000转，并经过0.1 s的震荡稳定在目标转速。在0.37 s时将目标速度设为21000转，电机转速经过短时调制，在小幅震荡后达到21000转。通过仿真得到的结果可知，搭建的BLDC矢量控制系统模型的性能优良，电机转速超调量较小，仿真结果与目标给定值比较接近，但整体响应较慢，需要在实际控制中加以改进。总的来说此次仿真用到的参数可作为参考值放入到实际的电机控制系统中，便于缩短整个电机控制系统的研发周期。
　　3  电机控制软件系统设计及算法优化
　　3.1  Bang-Bang控制算法对电机转速动态响应性能的优化
　　在仿真转速曲线中，我们发现电机转速接近给定值时，电机在设定值附近会震荡几次，并逐步趋于稳定，在不同速度范围内运行，电机控制系统的调整性能差别较大，例如在目标15000 r/min及目标21000 r/min时，系统的超调量以及达到稳定的时间不同，可见在仿真系统中速度阶跃响应性能不稳定。
　　我们分析了原因，并在不同的速度范围进行了积分分离，即根据仿真实验得到的最优系数设定不同的速度范围内的比例积分系数。当电机低速时，速度环比例积分系数较大，速度升高，比例积分系数相应减小，达到一定速度时稳定在相应数值上[8]。但在电机速度初始阶跃时刻，PI调节器的输出变化的较慢，不会很快达到其限幅值，从而电机的速度阶跃响应在开始时的升速（降速）为非线性的，说明升速（降速）初始时电机驱动力矩没有迅速达到限幅[4]，电机还有余力。如果我们可以在速度阶跃初始时刻，设置电机的转矩为最大限幅转矩，那么电机的加速度将将会迅速增大到最大加速度，电机的速度响应可以有明显的提高。由此我们在速度环控制中引入了最优控制（Bang-Bang控制），具体我们这样设定，当电机控制系统收到的转速变化较小，我们采用普通的积分分离系数控制值电机运转，当电机转速变化差值超过系统设定值，我们采用最大转矩输出控制电机以最大加速度运动，这样可以充分发挥电机的潜力，提高响应能力。此外电机在阶跃初期是没有积分比例调节，只有在渐进响应速度时才参与调节，可以有效地减小因速度调节器饱和而引起的电机速度超调[4]。控制算法为
　　3.2  引入过调制处理对电机噪声的优化
　　电机噪声问题的根本原因为转矩波动和共振[10]，磁场定向控制之所以噪声明显小就是因为加入了空间矢量脉宽调制使得转矩波动明显小于方波控制的转矩波动。因此降低了转矩波动就可以一方面降低运行噪声，为降低转矩波动运行我们重点研究了空间矢量脉宽调制实现方法及后续过调制优化。
　　软件控制流程在Park逆变换之后，我们得到旋转的电压矢量 和 ，将其输入到SVPWM控制函数里边。首先定义了中间变量 这里定义中间变量的主要目的是计算空间向量的扇区，运算如公式1所示，其中T为单次SVPWM调制时间，例如我们的PWM频率为20 K，那么T就为50 us。
　　常规的SVPWM调制在求得三相的正脉冲保持时间后，会直接计算各通道的比较值然后驱动永磁电机工作，但这存在一个缺陷，当旋转电压矢量超过一定界限，就会发生输出电压失真，加大转矩波动程度。为此我们进行了过调制处理：在SVPWM模式下，逆变器能够输出的最大不失真圆形旋转电压矢量为图5所示，最内圆为最大不失真圆形电压矢量边界，其电压幅值为： 。我们将输出的电压限定在最大不失真圆形电压矢量边界内。即这里采用一种比例缩小算法，当合成矢量端点在正六边形之内，不发生过调制;当合成矢量端点超出正六边形，发生过调制。
　　在过调制判定结束之后，计算定时器各个通道比较值，通过STM32的高级定时器输出PWM方波到三相桥臂，驱动永磁同步电机工作。
　　3.3  控制系统软件设计
　　我们将仿真的最优参数与优化后的控制算法结合，设计了电机控制策略，图6为空间矢量控制的软件流程图，软件系统主要处理的任务包括：相电流的采集，Clark变化，Park变换，PI控制，估算转子位置，Park逆变换，故障检测。 　　4  仿真及算法过程
　　本风机控制系统设计的要求是转速达到20000 r/min，噪声小于70 dB，速度响应时间快。在控制系统设计完毕后对永磁同步电机的控制系统（如图7所示）进行了实际的测试，主要的测试内容包括电机最大转速，动态响应时间，噪声监测。
　　4.1  速度与响应时间测试
　　我们采用LabVIEW上位机对风机的速度进行控制并实时采集速度，速度曲线如图8所示。我们按照仿真时给定的转速进行测试，在0.08 s时就可以到达15000转，并经过很短的震荡稳定在15000转速，速度响应明显好于仿真时的效果，并且超调量小，在0.37 s时向控制系统输入21000转的指令，电机响应也较快。整个测试过程中，电机最高转速达到了21000转符合设计需求，并且电机运转平稳可靠，速度响应迅速，在15000转的时候震荡较为明显，但超调量较小，在合理范围控制范围内。
　　4.2  噪声测量
　　参考GB 2888-91风机和罗茨鼓风机噪声测量方法，测量风扇的噪声时需要在噪声小于17 dB的室内进行，距离风扇一米，并沿风扇转轴的方向对准风扇的进气口，采用风机噪音A加权的方式测试，分别测试风机低速，中速，高速状态下的噪音，风机噪音测试结果小于70 dB。
　　4.3  烟花效果测试
　　图9为烟花机燃放时的实际喷射效果图片。在实际效果测试中，我们按照音乐节奏来改变烟花的喷放效果，由于不能视频播放，我们截取了不同节奏下的烟花燃放高度，结果表明，风机的动态响应迅速，风机的性能指标满足烟花机的使用需求。
　　5  结语
　　本文对永磁同步电机速度响应性能，高速运转已经低噪声进行了研究。首先通过仿真实验得到了电机的转速转矩特性，基于仿真结果设计了风机控制系统，在实际控制中我们以仿真结果作为参考修改电机的PI参数，满足了烟花机风机高速运转与快速响应，通过SVPWM调制，降低了风机控制系统的噪音，满足了舞台燃放低噪声的要求。从实验结果表明，本文采取的开发方式是有效的。
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