永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

應(yīng)用領(lǐng)域：控制與仿真
挑戰(zhàn)：采用LabView8.6.1和兩個(gè)cRIO軟硬件平臺(tái)快速搭建一套永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。
應(yīng)用方案：使用NI公司的LabView8.6.1、cRIO9074和cRIO9004軟、硬件平臺(tái)成功搭建一套永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。其中cRIO9074和cRIO9004分別用于永磁同步直線電機(jī)控制器仿真和永磁同步直線電機(jī)模型仿真，兩者采用高速數(shù)、模數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，且其核心算法全部在FPGA中完成，具有50us級(jí)的高實(shí)時(shí)性特點(diǎn)。
使用的產(chǎn)品：LabView8.6.1/RT/FPGA;cRIO9074,cRIO9004,9104;兩塊9401;9215,9264,9205各一塊
介紹:
永磁同步直線電機(jī)由于其高速度、高精度和高剛度等優(yōu)異性能，目前受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。但與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)試驗(yàn)難度大、危險(xiǎn)性高，如操作不當(dāng)極易發(fā)生飛車，造成人身和財(cái)產(chǎn)損失。因此急需搭建一套永磁同步直線電機(jī)的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。該仿真平臺(tái)的快速成功搭建，可以預(yù)先驗(yàn)證直線電機(jī)的控制算法，從而便于提早發(fā)現(xiàn)潛在錯(cuò)誤，節(jié)約調(diào)試成本、縮短調(diào)試周期和減小事故發(fā)生概率。
正文：
一、 引言
直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速直線運(yùn)動(dòng)單元取消了從伺服電機(jī)到工作臺(tái)之間的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把運(yùn)動(dòng)單元的傳動(dòng)鏈縮為零，稱為“零傳動(dòng)”。該傳動(dòng)方式既可簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，又可提高直線運(yùn)動(dòng)單元的速度、加速度、靈敏度、剛度和精度。在高速直線運(yùn)動(dòng)單元中，由直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)加滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)方式已是大勢(shì)所趨，目前直線電機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用、軍事及其它各種直線運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。國(guó)外著名的機(jī)床公司，如Siemems，F(xiàn)anuc等在其高端數(shù)控機(jī)床中無(wú)例外地全部使用直線驅(qū)動(dòng)方式，使得加工出產(chǎn)品的精度和加工速度都得到極大提高。永磁同步直線電機(jī)由于無(wú)需電勵(lì)磁、推力密度大和效率高等優(yōu)點(diǎn)事實(shí)上已成為今后直線電機(jī)的發(fā)展方向。
與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)由于磁路是開放的，負(fù)載與直線電機(jī)之間無(wú)機(jī)械傳動(dòng)裝置緩沖，所有擾動(dòng)都直接加載到電機(jī)端，加上直線電機(jī)特有的端部效應(yīng)，一方面給直線電機(jī)的控制帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)，另一方面在調(diào)試與操作過(guò)程中稍有不慎極易出現(xiàn)飛車的危險(xiǎn)性，造成人身和財(cái)產(chǎn)損失。因此本文采用LabView8.6.1和cRIO9074和cRIO9004軟硬件平臺(tái)，搭建了一套永磁同步直線電機(jī)的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)運(yùn)用矢量控制算法，實(shí)現(xiàn)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)或速度環(huán)、電流環(huán)二環(huán)閉環(huán)控制。該平臺(tái)能夠模擬永磁同步直線電機(jī)的多種運(yùn)動(dòng)工況，快速、無(wú)差地跟蹤速度和位置給定信號(hào)，仿真結(jié)果與科爾摩根系統(tǒng)類似，驗(yàn)證了算法的正確性。
二、 永磁同步直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型
永磁同步直線電機(jī)的dq軸方程:
 
式（1）、（2）中ud，uq，id，iq，Ld，Lq 分別表示直線電機(jī)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(jī)永磁體磁鏈，V為直線電機(jī)的移動(dòng)速度， 為節(jié)距，P為極對(duì)數(shù)。
永磁同步直線電機(jī)的推力方程為：
                        (3)
式中，F(xiàn)e為直線電機(jī)的電磁推力。
永磁同步直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

式（4）中，F(xiàn)d為直線電機(jī)的阻力（含磁阻力和負(fù)載產(chǎn)生的阻力），Bv為粘滯摩擦系數(shù)，m為直線電機(jī)（含負(fù)載）質(zhì)量。式（5）中，x為直線電機(jī)移動(dòng)位移。
三、 永磁同步直線電機(jī)矢量控制原理
交流電機(jī)的矢量控制是1971年由德國(guó)F.Blaschk等人提出的。其基本思想是在交流電機(jī)上模擬直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律。在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流，使兩個(gè)電流分量相互垂直、彼此獨(dú)立，因此可以分別加以控制。在永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁極的位置用來(lái)決定逆變器的觸發(fā)信號(hào)，以保證逆變器輸出頻率始終等于轉(zhuǎn)子角頻率，因此，永磁同步電機(jī)的矢量控制為自控運(yùn)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(zhuǎn)子的幾何結(jié)構(gòu)影響著永磁同步電機(jī)的性能和變換器的容量。本文采用常見(jiàn)的直軸電流id＝0模式，該控制方式突出的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有電機(jī)直軸電樞反應(yīng)，不會(huì)引起永磁體的去磁現(xiàn)象，且可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)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。
 
圖1 矢量控制原理框圖[!--empirenews.page--]

四、 永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)
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(tái)，在較短的時(shí)間內(nèi)搭建了一套永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)運(yùn)用矢量控制算法，根據(jù)需要可以實(shí)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(dá)到20kS/s(周期50us)，高于科爾摩根直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(wú)差地跟蹤給定的位置和速度信號(hào)，精度達(dá)到幾個(gè)微米級(jí)別，可以在線調(diào)節(jié)控制器參數(shù)和直線電機(jī)負(fù)載，仿真結(jié)果與實(shí)際科爾摩根系統(tǒng)類似。該平臺(tái)的主要功能模塊有：參數(shù)設(shè)置模塊、直線電機(jī)模型仿真模塊、直線電機(jī)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(tái)的示意圖如圖2所示：
 
圖2 永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)示意圖
參數(shù)設(shè)置模塊： 用來(lái)設(shè)置直線電機(jī)參數(shù)、負(fù)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(shí)間等。其中直線電機(jī)參數(shù)、負(fù)載系數(shù)、粘滋磨擦系數(shù)、直流母線電壓用于直線電機(jī)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(shí)間用于直線電機(jī)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(jī)模型仿真模塊：采用直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)方程來(lái)模擬實(shí)際直線電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，把得到的直線電機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)送到直線電機(jī)控制器仿真模塊。根據(jù)參數(shù)設(shè)置模塊獲得的直線電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行歸一化處理，得到直線電機(jī)歸一化參數(shù)。采集由直線電機(jī)控制器仿真模塊發(fā)來(lái)的6路PWM信號(hào)（采用高速數(shù)字采集卡9401），結(jié)合直流母線電壓和當(dāng)前直線電機(jī)相電流正、負(fù)方向信號(hào)，計(jì)算出直線電機(jī)三相相電壓，進(jìn)行Clarke-Park變換，得到dq軸電壓。然后根據(jù)歸一化的直線電機(jī)dq軸方程計(jì)算出下一步直線電機(jī)dq軸電流、三相相電流、電磁推力。根據(jù)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算直線電機(jī)的加速度、速度、位移、電角度等信號(hào)，通過(guò)高速模擬輸出卡9264，把上面計(jì)算出的兩路相電流、速度、位移、電角度共5路信號(hào)送到直線電機(jī)控制器仿真模塊。這部分子程序是在cRIO9004（內(nèi)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。
 
圖3 永磁同步直線電機(jī)模型仿真子程序框圖

直線電機(jī)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(gè)子程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬的直線電機(jī)進(jìn)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(lái)說(shuō)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(jī)模型仿真模塊發(fā)來(lái)的直線電機(jī)位置、電角速度、兩路直線電機(jī)相電流和速度信號(hào)。根據(jù)位置給定信號(hào)和采集到的位置反饋信號(hào)，求出偏差值送入位置環(huán)PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為速度給定信號(hào)。以此類推，經(jīng)過(guò)速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器（含d、q軸）得到d、q軸給定電壓信號(hào)，通過(guò)Clarke-Park逆變換，得到三相相電壓調(diào)制信號(hào)。這些信號(hào)與三角載波信號(hào)進(jìn)行比較，得到包括正、反6路PWM信號(hào)（算法考慮了死區(qū)效應(yīng)，防止逆變器上、下橋臂短路），通過(guò)9401高速數(shù)據(jù)采集卡輸出到直線電機(jī)模型仿真模塊，至此整個(gè)直線電機(jī)位置閉環(huán)控制得以實(shí)現(xiàn)。這部分子程序是在cRIO9074（內(nèi)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。
 

圖形顯示模塊：實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示直線電機(jī)的位移、速度、三相相電流、位置角度、PWM波形曲線。通過(guò)FIFO實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)模型仿真模塊和直線電機(jī)控制器仿真模塊的FPGA與RT控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換。這部分子程序是在cRIO9074、cRIO9004的RT控制器中開發(fā)成功。
數(shù)據(jù)記錄與分析模塊：存取直線電機(jī)的位移、速度、三相相電流、位置角度、PWM波形等數(shù)據(jù)，分析直線電機(jī)電流、電壓諧波分布等，為進(jìn)一步優(yōu)化算法提供數(shù)據(jù)。這部分子程序同樣是在cRIO9074、cRIO9004的RT控制器中開發(fā)成功。
三、仿真實(shí)例
3.1 平臺(tái)的軟、硬件組成
永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)軟、硬件組成如下：
軟件平臺(tái)：LabVIEW8.6.1/RT/FPGA
硬件平臺(tái)：
 cRIO9074、9401、9205和9215組成控制器仿真硬件平臺(tái)；
 cRIO9004、9104、9401和9264組成仿真器仿真硬件平臺(tái)
 一臺(tái)PC計(jì)算機(jī)；
 室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。
圖6給出了永磁同步直線電機(jī)的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真與試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖。
 
圖6 永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真與試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖[!--empirenews.page--]

3.2 永磁同步直線電機(jī)參數(shù)
永磁同步直線電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 永磁同步直線電機(jī)參數(shù)

3.3 仿真分析
圖7給出了兩種不同的速度環(huán)運(yùn)行方式，自動(dòng)方式和手動(dòng)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(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)速度環(huán)、電流環(huán)控制器參數(shù)為一組合適參數(shù)，如表2所示，仿真的直線電機(jī)運(yùn)行速度能夠在10ms左右時(shí)間內(nèi)快速跟蹤速度給定，且穩(wěn)態(tài)誤差在 2um/s內(nèi)。
表2.速度和電流環(huán)控制器參數(shù)
 速度環(huán) d軸電流環(huán) q軸電流環(huán)
KP 1.105 16 6
KI 11.397 5 6

A)自動(dòng)運(yùn)行方式                         B)手動(dòng)運(yùn)行方式

圖7永磁同步直線電機(jī)速度環(huán)控制子程序前面板圖
圖8給出了直線電機(jī)仿真器中的PWM波形圖。圖中可以明顯看出三對(duì)正、反相PWM波形的上下沿之間有死區(qū)延時(shí)，這樣可以避免逆變器上下橋臂中的IGBT同時(shí)導(dǎo)通，造成逆變器輸出電源正、負(fù)極短路危險(xiǎn)。

 
圖9 位置給定值、位置跟蹤值和速度穩(wěn)態(tài)值
從圖9可以得出，在0.25~3.25m較大范圍內(nèi)的位置給定值，系統(tǒng)的位置跟蹤誤差保持在-1.5～1um之間，且速度穩(wěn)態(tài)值在-0.005~0.007um/s范圍內(nèi)波動(dòng)，系統(tǒng)達(dá)到較為理想的伺服運(yùn)行狀態(tài)。本文的直線電機(jī)參數(shù)均取自于實(shí)際直線電機(jī)參數(shù)，運(yùn)行結(jié)果與科爾摩根系統(tǒng)較為一致，從而驗(yàn)證了本文所提算法的正確性。

四、結(jié)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(tái)，在較短的時(shí)間內(nèi)搭建了一套永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，比采用其它傳統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)縮短了至少1倍以上的開發(fā)時(shí)間。該平臺(tái)的成功開發(fā)，使得在硬件在環(huán)條件下可以事先測(cè)試永磁同步直線電機(jī)的控制器算法，因而在實(shí)際驅(qū)動(dòng)器開發(fā)過(guò)程中，必將節(jié)約成本和縮短研發(fā)時(shí)間，同時(shí)降低事故發(fā)生的概率。