永磁同步直線電機硬件在環實時仿真平臺

　　應用領域：控制與仿真

　　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。

　　使用的產品：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。

　　正文：

　　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。