永磁同步直線電機硬件在環(huán)實時仿真平臺

　　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(yōu)點是沒有電機直軸電樞反應，不會引起永磁體的去磁現(xiàn)象，且可以同時實現(xiàn)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(huán)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(shù)、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(huán)實時仿真平臺。該平臺運用矢量控制算法，根據(jù)需要可以實現(xiàn)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)或速度環(huán)和電流環(huán)二環(huán)閉環(huán)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(tǒng)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(jié)控制器參數(shù)和直線電機負載，仿真結果與實際科爾摩根系統(tǒng)類似。該平臺的主要功能模塊有：參數(shù)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(shù)據(jù)記錄與分析模塊。該平臺的示意圖如圖2所示：

　　參數(shù)設置模塊： 用來設置直線電機參數(shù)、負載系數(shù)、粘滋磨擦系數(shù)、直流母線電壓、采樣頻率、初始控制器參數(shù)、三角載波頻率與幅值、PWM模塊中的死區(qū)時間等。其中直線電機參數(shù)、負載系數(shù)、粘滋磨擦系數(shù)、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(shù)、三角載波頻率與幅值、PWM模塊中的死區(qū)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(fā)成功。

　　直線電機模型仿真模塊：采用直線電機數(shù)學模型和運動方程來模擬實際直線電機的運行狀態(tài)，把得到的直線電機各項運行數(shù)據(jù)送到直線電機控制器仿真模塊。根據(jù)參數(shù)設置模塊獲得的直線電機參數(shù)，進行歸一化處理，得到直線電機歸一化參數(shù)。采集由直線電機控制器仿真模塊發(fā)來的6路PWM信號(采用高速數(shù)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(jù)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(jù)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(fā)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(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)和速度環(huán)、電流環(huán)二環(huán)閉環(huán)控制兩個子程序，實現(xiàn)對模擬的直線電機進行速度或位置的閉環(huán)控制功能。以位置環(huán)閉環(huán)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(fā)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(jù)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(huán)PI調節(jié)器，其輸出作為速度給定信號。以此類推，經過速度環(huán)PI調節(jié)器、電流環(huán)PI調節(jié)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(qū)效應，防止逆變器上、下橋臂短路)，通過9401高速數(shù)據(jù)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(huán)控制得以實現(xiàn)。這部分子程序是在cRIO9074(內插9401、9205和9215)的FPGA中開發(fā)成功。位置環(huán)子程序程序框圖和前面板圖分別如圖4、5所示。