永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台

挑战：采用LabView8.6.1和两个cRIO软硬件平台快速搭建一套永磁同步直线电机硬件在环实时仿真系统。

应用方案：使用NI公司的LabView8.6.1、cRIO9074和cRIO9004软、硬件平台成功搭建一套永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台。其中cRIO9074和cRIO9004分别用于永磁同步直线电机控制器仿真和永磁同步直线电机模型仿真，两者采用高速数、模数据采集卡进行数据交换，且其核心算法全部在FPGA中完成，具有50us级的高实时性特点。

使用的产品：LabView8.6.1/RT/FPGA;cRIO9074,cRIO9004,9104;两块9401;9215,9264,9205各一块

介绍

永磁同步直线电机由于其高速度、高精度和高刚度等优异性能，目前受到国内外广泛关注。但与传统旋转电机相比，直线电机试验难度大、危险性高，如操作不当极易发生飞车，造成人身和财产损失。因此急需搭建一套永磁同步直线电机的硬件在环实时仿真平台。该仿真平台的快速成功搭建，可以预先验证直线电机的控制算法，从而便于提早发现潜在错误，节约调试成本、缩短调试周期和减小事故发生概率。

一、 引言

直线电机驱动的高速直线运动单元取消了从伺服电机到工作台之间的中间传动环节，把运动单元的传动链缩为零，称为“零传动”。该传动方式既可简化结构，又可提高直线运动单元的速度、加速度、灵敏度、刚度和精度。在高速直线运动单元中，由直线电机直接驱动代替传统旋转电机加滚珠丝杠副驱动方式已是大势所趋，目前直线电机已经被广泛应用于工业、民用、军事及其它各种直线运动的场合。国外著名的机床公司，如Siemems，Fanuc等在其高端数控机床中无例外地全部使用直线驱动方式，使得加工出产品的精度和加工速度都得到极大提高。永磁同步直线电机由于无需电励磁、推力密度大和效率高等优点事实上已成为今后直线电机的发展方向。

与传统旋转电机相比，直线电机由于磁路是开放的，负载与直线电机之间无机械传动装置缓冲，所有扰动都直接加载到电机端，加上直线电机特有的端部效应，一方面给直线电机的控制带来极大的挑战，另一方面在调试与操作过程中稍有不慎极易出现飞车的危险性，造成人身和财产损失。因此本文采用LabView8.6.1和cRIO9074和cRIO9004软硬件平台，搭建了一套永磁同步直线电机的硬件在环实时仿真平台。该平台运用矢量控制算法，实现位置环、速度环和电流环三环或速度环、电流环二环闭环控制。该平台能够模拟永磁同步直线电机的多种运动工况，快速、无差地跟踪速度和位置给定信号，仿真结果与科尔摩根系统类似，验证了算法的正确性。

二、 永磁同步直线电机数学模型

永磁同步直线电机的dq轴方程:


                       (1)


                 (2)

式（1）、（2）中ud，uq，id，iq，Ld，Lq 分别表示直线电机直、交轴电压、直、交轴电流和直、交轴电感，R为定子电阻，
为直线电机永磁体磁链，V为直线电机的移动速度，
为节距，P为极对数。

永磁同步直线电机的推力方程为：


                       (3)

式中，Fe为直线电机的电磁推力。

永磁同步直线电机的运动学方程为：


                            (4)


                                           (5)

式（4）中，Fd为直线电机的阻力（含磁阻力和负载产生的阻力），Bv为粘滞摩擦系数，m为直线电机（含负载）质量。式（5）中，x为直线电机移动位移。

三、 永磁同步直线电机矢量控制原理

交流电机的矢量控制是1971年由德国F.Blaschk等人提出的。其基本思想是在交流电机上模拟直流电机的转矩控制规律。在磁场定向坐标上，将电流矢量分解为产生磁通的励磁电流和产生转矩的转矩电流，使两个电流分量相互垂直、彼此独立，因此可以分别加以控制。在永磁同步电机矢量控制系统中，转子磁极的位置用来决定逆变器的触发信号，以保证逆变器输出频率始终等于转子角频率，因此，永磁同步电机的矢量控制为自控运行的矢量控制。

在矢量控制中定子电流的控制模式是多种多样的，且电流控制模式和转子的几何结构影响着永磁同步电机的性能和变换器的容量。本文采用常见的直轴电流id＝0模式，该控制方式突出的优点是没有电机直轴电枢反应，不会引起永磁体的去磁现象，且可以同时实现直线电机每安培最大推力控制，只要控制好定子电流的幅值和相位，就可以得到满意的推力控制特性。本文所提出的矢量控制原理框图如图1所示。


图1 矢量控制原理框图