永磁同步直線電機硬件在環實時仿真平臺

挑戰：采用LabView8.6.1和兩個cRIO軟硬件平臺快速搭建一套永磁同步直線電機硬件在環實時仿真系統。

　　應用方案：使用NI公司的LabView8.6.1、cRIO9074和cRIO9004軟、硬件平臺成功搭建一套永磁同步直線電機硬件在環實時仿真平臺。其中cRIO9074和cRIO9004分別用于永磁同步直線電機控制器仿真和永磁同步直線電機模型仿真，兩者采用高速數、模數據采集卡進行數據交換，且其核心算法全部在FPGA中完成，具有50us級的高實時性特點。

產品：LabView8.6.1/RT/FPGA;cRIO9074,cRIO9004,9104;兩塊9401;9215,9264,9205各一塊

　　永磁同步直線電機由于其高速度、高精度和高剛度等優異性能，目前受到國內外廣泛關注。但與傳統旋轉電機相比，直線電機試驗難度大、危險性高，如操作不當極易發生飛車，造成人身和財產損失。因此急需搭建一套永磁同步直線電機的硬件在環實時仿真平臺。該仿真平臺的快速成功搭建，可以預先驗證直線電機的控制算法，從而便于提早發現潛在錯誤，節約調試成本、縮短調試周期和減小事故發生概率。

　　一、 引言

　　直線電機驅動的高速直線運動單元取消了從伺服電機到工作臺之間的中間傳動環節，把運動單元的傳動鏈縮為零，稱為“零傳動”。該傳動方式既可簡化結構，又可提高直線運動單元的速度、加速度、靈敏度、剛度和精度。在高速直線運動單元中，由直線電機直接驅動代替傳統旋轉電機加滾珠絲杠副驅動方式已是大勢所趨，目前直線電機已經被廣泛應用于工業、民用、軍事及其它各種直線運動的場合。國外著名的機床公司，如Siemems，Fanuc等在其高端數控機床中無例外地全部使用直線驅動方式，使得加工出產品的精度和加工速度都得到極大提高。永磁同步直線電機由于無需電勵磁、推力密度大和效率高等優點事實上已成為今后直線電機的發展方向。

　　與傳統旋轉電機相比，直線電機由于磁路是開放的，負載與直線電機之間無機械傳動裝置緩沖，所有擾動都直接加載到電機端，加上直線電機特有的端部效應，一方面給直線電機的控制帶來極大的挑戰，另一方面在調試與操作過程中稍有不慎極易出現飛車的危險性，造成人身和財產損失。因此本文采用LabView8.6.1和cRIO9074和cRIO9004軟硬件平臺，搭建了一套永磁同步直線電機的硬件在環實時仿真平臺。該平臺運用矢量控制算法，實現位置環、速度環和電流環三環或速度環、電流環二環閉環控制。該平臺能夠模擬永磁同步直線電機的多種運動工況，快速、無差地跟蹤速度和位置給定信號，仿真結果與科爾摩根系統類似，驗證了算法的正確性。

　　二、 永磁同步直線電機數學模型

　　永磁同步直線電機的dq軸方程:

　　式(1)、(2)中ud，uq，id，iq，Ld，Lq 分別表示直線電機直、交軸電壓、直、交軸電流和直、交軸電感，R為定子電阻， 為直線電機永磁體磁鏈，V為直線電機的移動速度，為節距，P為極對數。

　　永磁同步直線電機的推力方程為：

　　式(4)中，Fd為直線電機的阻力(含磁阻力和負載產生的阻力)，Bv為粘滯摩擦系數，m為直線電機(含負載)質量。式(5)中，x為直線電機移動位移。

　　三、 永磁同步直線電機矢量控制原理

　　交流電機的矢量控制是1971年由德國F.Blaschk等人提出的。其基本思想是在交流電機上模擬直流電機的轉矩控制規律。在磁場定向坐標上，將電流矢量分解為產生磁通的勵磁電流和產生轉矩的轉矩電流，使兩個電流分量相互垂直、彼此獨立，因此可以分別加以控制。在永磁同步電機矢量控制系統中，轉子磁極的位置用來決定逆變器的觸發信號，以保證逆變器輸出頻率始終等于轉子角頻率，因此，永磁同步電機的矢量控制為自控運行的矢量控制。　在矢量控制中定子電流的控制模式是多種多樣的，且電流控制模式和轉子的幾何結構影響著永磁同步電機的性能和變換器的容量。本文采用常見的直軸電流id=0模式，該控制方式突出的優點是沒有電機直軸電樞反應，不會引起永磁體的去磁現象，且可以同時實現直線電機每安培最大推力控制，只要控制好定子電流的幅值和相位，就可以得到滿意的推力控制特性。本文所提出的矢量控制原理框圖如圖1所示。

　　四、 永磁同步直線電機硬件在環實時仿真平臺

　　借助National Instruments公司的LabVIEW 8.6.1、cRIO9074、cRIO9004和9401、9215、9264、9205高速數、模采集卡軟、硬件平臺，在較短的時間內搭建了一套永磁同步直線電機硬件在環實時仿真平臺。該平臺運用矢量控制算法，根據需要可以實現位置環、速度環和電流環三環或速度環和電流環二環閉環控制，電流最高采樣頻率達到20kS/s(周期50us)，高于科爾摩根直線電機驅動器電流采樣率16kS/s(周期62.5us)。系統的位置和速度輸出可以快速無差地跟蹤給定的位置和速度信號，精度達到幾個微米級別，可以在線調節控制器參數和直線電機負載，仿真結果與實際科爾摩根系統類似。該平臺的主要功能模塊有：參數設置模塊、直線電機模型仿真模塊、直線電機控制器仿真模塊、圖形顯示模塊和數據記錄與分析模塊。該平臺的示意圖如圖2所示：

　　參數設置模塊： 用來設置直線電機參數、負載系數、粘滋磨擦系數、直流母線電壓、采樣頻率、初始控制器參數、三角載波頻率與幅值、PWM模塊中的死區時間等。其中直線電機參數、負載系數、粘滋磨擦系數、直流母線電壓用于直線電機模型仿真模塊(采樣頻率100kS/s);初始控制器參數、三角載波頻率與幅值、PWM模塊中的死區時間用于直線電機控制器仿真模塊(采樣頻率20kS/s)。這部分子程序是在cRIO9074、cRIO9004的RT控制器中開發成功。

　　直線電機模型仿真模塊：采用直線電機數學模型和運動方程來模擬實際直線電機的運行狀態，把得到的直線電機各項運行數據送到直線電機控制器仿真模塊。根據參數設置模塊獲得的直線電機參數，進行歸一化處理，得到直線電機歸一化參數。采集由直線電機控制器仿真模塊發來的6路PWM信號(采用高速數字采集卡9401)，結合直流母線電壓和當前直線電機相電流正、負方向信號，計算出直線電機三相相電壓，進行Clarke-Park變換，得到dq軸電壓。然后根據歸一化的直線電機dq軸方程計算出下一步直線電機dq軸電流、三相相電流、電磁推力。根據直線電機運動方程計算直線電機的加速度、速度、位移、電角度等信號，通過高速模擬輸出卡9264，把上面計算出的兩路相電流、速度、位移、電角度共5路信號送到直線電機控制器仿真模塊。這部分子程序是在cRIO9004(內插9401和9264)的FPGA中開發成功。該模塊的子程序框圖如圖3所示。

　　直線電機控制器仿真模塊：該模塊包含位置環、速度環、電流環三環和速度環、電流環二環閉環控制兩個子程序，實現對模擬的直線電機進行速度或位置的閉環控制功能。以位置環閉環控制為例，來說明該模塊的主要功能。采用9215和9205模擬采集卡采集到直線電機模型仿真模塊發來的直線電機位置、電角速度、兩路直線電機相電流和速度信號。根據位置給定信號和采集到的位置反饋信號，求出偏差值送入位置環PI調節器，其輸出作為速度給定信號。以此類推，經過速度環PI調節器、電流環PI調節器(含d、q軸)得到d、q軸給定電壓信號，通過Clarke-Park逆變換，得到三相相電壓調制信號。這些信號與三角載波信號進行比較，得到包括正、反6路PWM信號(算法考慮了死區效應，防止逆變器上、下橋臂短路)，通過9401高速數據采集卡輸出到直線電機模型仿真模塊，至此整個直線電機位置閉環控制得以實現。這部分子程序是在cRIO9074(內插9401、9205和9215)的FPGA中開發成功。位置環子程序程序框圖和前面板圖分別如圖4、5所示。

　　圖形顯示模塊：實時動態顯示直線電機的位移、速度、三相相電流、位置角度、PWM波形曲線。通過FIFO實現直線電機模型仿真模塊和直線電機控制器仿真模塊的FPGA與RT控制器進行數據實時交換。這部分子程序是在cRIO9074、cRIO9004的RT控制器中開發成功。

　　數據記錄與分析模塊：存取直線電機的位移、速度、三相相電流、位置角度、PWM波形等數據，分析直線電機電流、電壓諧波分布等，為進一步優化算法提供數據。這部分子程序同樣是在cRIO9074、cRIO9004的RT控制器中開發成功。

　　三、仿真實例

　　3.1 平臺的軟、硬件組成

　　永磁同步直線電機硬件在環實時仿真平臺軟、硬件組成如下：

　　軟件平臺：LabVIEW8.6.1/RT/FPGA

　　硬件平臺：

　　l cRIO9074、9401、9205和9215組成控制器仿真硬件平臺;

　　l cRIO9004、9104、9401和9264組成仿真器仿真硬件平臺

　　l 一臺PC計算機;

　　l 室內網絡。

　　圖6給出了永磁同步直線電機的硬件在環實時仿真與試驗平臺實物圖。

　　3.2 永磁同步直線電機參數

　　永磁同步直線電機參數見表1。

　　3.3 仿真分析

　　圖7給出了兩種不同的速度環運行方式，自動方式和手動方式，前者速度給定在0.25m/s周期跳變，后者保持速度給定值0.25m/s不變。從圖7中不難發現通過調節速度環、電流環控制器參數為一組合適參數，如表2所示，仿真的直線電機運行速度能夠在10ms左右時間內快速跟蹤速度給定，且穩態誤差在2um/s內。

　　圖8給出了直線電機仿真器中的PWM波形圖。圖中可以明顯看出三對正、反相PWM波形的上下沿之間有死區延時，這樣可以避免逆變器上下橋臂中的IGBT同時導通，造成逆變器輸出電源正、負極短路危險。

　　圖9給出了位置給定值分別為0.25、1.25和3.25m時位置環仿真結果，圖中下面的速度曲線對應于上面的位置給定曲線，位置環、速度環和電流環控制器參數如表3所示，位置環界面參見圖5。

　　從圖9可以得出，在0.25~3.25m較大范圍內的位置給定值，系統的位置跟蹤誤差保持在-1.5～1um之間，且速度穩態值在-0.005~0.007um/s范圍內波動，系統達到較為理想的伺服運行狀態。本文的直線電機參數均取自于實際直線電機參數，運行結果與科爾摩根系統較為一致，從而驗證了本文所提算法的正確性。

　　四、結論

　　利用NI公司的虛擬儀器LabVIEW 8.6.1/RT/FPGA、cRIO9074與cRIO9004/9104軟硬件平臺，在較短的時間內搭建了一套永磁同步直線電機硬件在環實時仿真平臺，比采用其它傳統軟件開發平臺縮短了至少1倍以上的開發時間。該平臺的成功開發，使得在硬件在環條件下可以事先測試永磁同步直線電機的控制器算法，因而在實際驅動器開發過程中，必將節約成本和縮短研發時間，同時降低事故發生的概率。