馬志勛 劉思明 牛海川 韓耀飛 林國斌

(1. 同濟大學國家磁浮交通工程技術研究中心 上海 201804； 2. 同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804； 3. 同濟大學交通運輸工程學院 上海 201804)

1 引言

由于直線電機技術具有推力大、速度高、響應快以及無中間轉換機構等優(yōu)點，應用該技術的磁浮交通系統(tǒng)已成為當前及未來實現(xiàn)地面超高速運輸?shù)淖罴逊绞街籟1-2]。目前具有代表性的例子是德國的Transrapid技術和日本的低溫超導磁浮技術，其中前者于21世紀初在上海落地成為世界首條商業(yè)運營線，采用了電磁懸浮(Electromagnetic suspension, EMS)技術，而后者則采用了電動懸浮(Electrodynamic suspension, EDS)技術，在山梨試驗線上成功跑出了高達602 km/h的速度。另外，中國和美國也在相繼研究磁浮交通與真空管道運輸相結合的先進技術，以期達到更快的地面運輸速度[3]?？傊斍按鸥〗煌ǖ膽腋〖夹g大多都衍生于EMS或EDS。

然而，無論是EMS還是EDS，高速磁浮交通都由直線同步電機(Linear synchronous motor, LSM)來牽引驅動。具體而言，LSM的定子(包含LSM的初級及其繞組)通常安裝在磁浮交通的軌道中，而LSM的動子，即LSM的次級，則安裝在車輛上，始終是磁浮交通車體的一部分。當把交流電通入初級繞組后，其氣隙中會產(chǎn)生規(guī)律的行波磁場，并與次級產(chǎn)生的勵磁磁場相互作用，最終推動安裝了次級的車輛進行直線運動。從這一角度出發(fā)，盡管存在懸浮與牽引相互耦合的技術制式，但如果忽略磁浮交通的懸浮系統(tǒng)，只考慮牽引驅動系統(tǒng)，那么磁浮交通在這一維度上可被抽象為一個長定子的LSM模型。圖1顯示了磁浮交通牽引驅動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

圖1 磁浮交通系統(tǒng)牽引驅動系統(tǒng)技術制式發(fā)展趨勢

在實際中，由于磁浮交通的整車和試驗線的制造成本高且工程周期較長，因此在研究中需要對磁浮交通的牽引驅動模型進行簡化，制造可用性強且易于操作的工程樣機。從這一角度出發(fā)，近年來，作為LSM模型的磁浮驅動系統(tǒng)得到了越來越多的研究。文獻[4]研制并介紹了基于無鐵心永磁直線同步電機(Permanent magnet LSM, PMLSM)的單轉向架磁浮列車樣機，并且在試驗線上成功進行了動力學試驗。文獻[5]對用于高速磁浮的繞線式二次LSM進行了分析建模，提出了一種分層模型，利用解析法求解麥克斯韋方程組來推導電機的磁場、推力以及法向力計算式，其計算結果與有限元方法近似，但更加簡便和省時；文獻[6]則對基于Halbach陣列的中速磁浮交通單邊無鐵心PMLSM進行了研究，采用有限元法得到了磁浮車輛在不同速度下的電機牽引特性。文獻[7]進一步研究了不同的牽引電機類型，通過有限元方法分析比較，指出無鐵心的PMLSM比異步電機更適用于中低速磁浮交通。

此外在工業(yè)用高速通信組網(wǎng)方面，EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)作為當前性能最優(yōu)越的技術之一，在各個領域得到了廣泛使用。文獻[8]設計了一種支持高速實時系統(tǒng)的EtherCAT通信體系結構，實現(xiàn)了1 μs以內的同步精度。文獻[9]采用EtherCAT的演進技術版本EtherCAT P，同時傳輸數(shù)據(jù)和電能，實現(xiàn)了伺服電機的高性能穩(wěn)定控制。文獻[10]則利用EtherCAT的高速通信性能，將Matlab/Simulink和Beckhoff TwinCAT3軟件相結合，設計了一種多功能伺服控制算法驗證試驗系統(tǒng)，可大幅減少算法測試工作量。

在上述具有代表性的研究成果的基礎上，本文首先介紹一種磁浮交通分段PMLSM驅動系統(tǒng)樣機[11]，可用于驗證磁浮交通直線運動控制算法及電機牽引性能。其次，本文針對樣機研究并開發(fā)一種基于EtherCAT網(wǎng)絡的ARM-FPGA雙核專用控制器，其中EtherCAT網(wǎng)絡的高帶寬同步性能可滿足磁浮交通驅動系統(tǒng)的控制精度要求，而雙核架構專用控制器設計可提升控制性能，易于算法快速開發(fā)與部署。最后通過仿真和試驗證明其可行性和可用性。

2 磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)

2.1 PMLSM數(shù)學模型

磁浮交通牽引驅動系統(tǒng)中使用的是PMLSM，其基本機制與原理和其他場景中使用的PMLSM完全一致。因為PMLSM的次級需要產(chǎn)生勵磁磁場與行波磁場相互作用，所以在設計和制造時將Halbach陣列磁體作為次級的一部分來考慮[12]。

如圖2所示，當電流通進初級繞組后，在氣隙中就會形成行波磁場，其可由如下方程描述

圖2 PMLSM簡化結構圖

式中，V為行波磁場的速度；τ為極距；f為基波頻率。需要指出的是，此處省略了另外一個獨立的 懸浮用繞組，因為后文的分析集中在PMLSM的直線牽引。在d-q坐標軸下，PMLSM的電壓和磁鏈方程由式(2)表示

式中，du和qu分別代表d-q軸電壓，di和qi分別代表d-q軸電流；dψ和qψ分別為d軸和q軸的磁鏈；sR為初級繞組的電阻；fψ為次級的磁鏈；p為微分算子。隨后可以推導出電磁推力方程

式中，pn為極對數(shù)；dL和qL分別為d軸和q軸的電感。最后，可以得到PMLSM的運動方程

式中，eω為d-q軸下的角頻率；m為次級的質量，v為次級的速度，這兩個量與磁浮交通車輛本身密切相關；另外XF、AF和MF分別為電磁推力、空氣阻力以及包括負載作用力在內的各類反向作用力。

2.2 磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)結構

磁浮交通分段無鐵心長初級PMLSM驅動系統(tǒng)的結構如圖3所示，其包含三個部分：① 鋪設在軌道上的長初級繞組；② 安裝在磁浮交通車輛上的次級Halbach永磁體；③ 固定在車載永磁體外側的鐵軛。其中PMLSM次級由上述②、③部分組成。第②部分特意設計為雙層雙側凸極Halbach磁體結構，初級繞組位于其中間。具體來說，通過將鐵軛置于永磁體外側進行覆蓋，既可以固定住永磁體，還限制了磁場路徑，減少漏磁通的分布，而雙層雙側的Halbach磁體結構還減小了磁場諧波，降低了電磁噪聲，使推力更加平滑，運動更加平穩(wěn)。

圖3 磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)樣機結構

在上述結構中，Halbach磁體的排列可分為軸向磁化永磁體和切向磁化永磁體，磁體方向依次重復交替排列，如圖4所示。有關該PMLSM的更多參數(shù)和性能分析，可以在文獻[11]中找到。

圖4 雙層雙側凸極Halbach永磁體

根據(jù)上述設計，開發(fā)制造出了實際的磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)樣機，如圖5所示。樣機的初級長度為6 m，由5個分段初級組成，每段長度1.2 m。整體而言，長初級繞組和安裝在軌道車輛上的次級按照模塊化思想進行設計和制造，有利于縮短制造周期及降低制造成本，在后期研究中可根據(jù)需要延長樣機長度。此外樣機的繞組分布簡單，端部接線容易。位置傳感器采用沿導軌分布的增量式磁柵尺。

圖5 磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)樣機

3 雙核架構專用控制器設計

3.1 設計概覽

在磁浮交通系統(tǒng)牽引驅動研究中，磁浮車輛直線運動控制算法的優(yōu)化研究以及牽引性能的提升，具有重要的意義。鑒于可供試驗驗證的磁浮交通試驗線和車輛較少，無法應對算法的快速部署與優(yōu)化迭代的迫切需求，本文開發(fā)制造了上述磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)樣機。

然而，與真正的磁浮交通系統(tǒng)相比，樣機只是一個前期的原型，實際中使用的控制系統(tǒng)成本高、技術細節(jié)復雜，不適用于原型機。因此，本節(jié)設計了一種合適的且盡可能接近實際控制需求的低成本控制器，是一種基于ARM-FPGA聯(lián)合架構的樣機專用控制器。

磁浮交通系統(tǒng)對控制精度具有較高的要求。因此，對應于磁浮線路的分段長定子，樣機的分段初級之間應具有良好的同步性能和低延遲的通信能力。這樣PMLSM的次級就能夠精確地運動，模擬在軌道上運行的磁浮交通車輛，從而能夠快捷簡易地部署和驗證磁浮交通直線運動控制算法。

EtherCAT是目前應用最為廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)技術之一[13]，主要用于在樣機系統(tǒng)中實現(xiàn)控制器之間的通信組網(wǎng)功能。另外，算法部署和PMLSM驅動控制部分則分別選用了基于ARM主控和基于FPGA主控的芯片。ARM具有高性能的硬件資源和多任務實時處理的能力，而FPGA則在大規(guī)模并行處理方面具有優(yōu)勢，常作為協(xié)處理器使用[14]。換言之，這種雙核架構的設計改進了以往將算法部署和控制實現(xiàn)集中在單一主控芯片上的方式，從而實現(xiàn)功能分離，既方便調試，也有助于提高控制器的性能。具體而言，因為ARM開發(fā)難度低，即使是十分復雜的算法也可以通過常規(guī)的高級語言來編寫部署，同時算法中的關鍵參數(shù)被傳輸?shù)紽PGA中進行必要的計算加速，并執(zhí)行PMLSM的驅動控制程序。另外，出于閉環(huán)控制和算法中參數(shù)動態(tài)調整的需要，數(shù)據(jù)還可以從FPGA回傳至ARM。圖6顯示了控制器的設計概覽。

圖6 雙核結構控制器設計概覽

3.2 EtherCAT網(wǎng)絡設計

EtherCAT是一種高性能百兆全雙工實時工業(yè)以太網(wǎng)，具有納秒級同步的通信能力，與Ethernet協(xié)議完全兼容，是在后者基礎上發(fā)展衍生出的實時以太網(wǎng)專用協(xié)議。EtherCAT采用主從架構，拓撲靈活，每個從站所具有的分布式時鐘周期性地與參考時鐘之間進行通信，來修正從站時鐘之間的誤差，確保高精度的同步。其次，EtherCAT采用了特殊的“On-the-fly”處理機制，數(shù)據(jù)讀寫均由專用的以太網(wǎng)芯片進行高速處理，主站發(fā)出的一個數(shù)據(jù)幀可以覆蓋一個通信周期中所有從站所需的數(shù)據(jù)信息[15]。

EtherCAT主站選用了Beckhoff TwinCAT3軟件，可支持封裝外部C/C++和Matlab/Simulink等高級語言的功能模塊，十分靈活；EtherCAT從站方面則選用了AX58100型號的從站控制器(EtherCAT slave controller, ESC)芯片。由于磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)樣機的長初級分為5段，每一段子初級都作為一個獨立的被控對象，因此網(wǎng)絡中對應有5個從站。相鄰的從站之間通過雙絞線電纜相互連接，并接入主站。

如圖7所示，配置了一枚E2PROM用于存儲EtherCAT從站信息描述文件，主站通過讀取其中的文件數(shù)據(jù)來配置從站的功能。E2PROM通過I2C總線與ESC相連。ARM選用了意法半導體生產(chǎn)的具有Cortex-M4內核的STM32F407ZGT6芯片，其帶有獨特的FSMC總線機制，同ESC相連，以與ARM之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)鏈路層與應用層之間高速并行地交互，充分發(fā)揮EtherCAT的快速讀寫特性。ARM作為運行應用層程序的主控芯片，承擔了算法開發(fā)和部署的重要功能。

圖7 EtherCAT網(wǎng)絡硬件設計結構圖

3.3 ARM-FPGA雙核架構控制器設計

圖7顯示出ARM與FPGA相連，圖8則清楚地展示了FOC方法在雙核架構控制器中的功能模塊分布情況。FPGA選用Altera公司Cyclone V系列的5CEBA4F17C8型號芯片。如第3.1節(jié)所述，由于針對磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)樣機的控制器是基于ARM-FPGA雙核架構來設計的，所以還需要保證ARM與FPGA之間的數(shù)據(jù)傳輸。在這里再次使用了FSMC總線機制，即ARM與ESC和FPGA之間均存在FSMC通信需求，通過 在不同時間段內使用不同的片選信號來進行 區(qū)分。

圖8 雙核結構控制器功能模塊分布

FPGA主要負責實現(xiàn)PMLSM的驅動控制，其與ARM之間的數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)實際的控制需求來安排和設計。實際的磁浮交通系統(tǒng)工程中，牽引電機一般采用磁場定向控制(Field oriented control, FOC)方法。為了貼近真實情形，本節(jié)所設計的控制器驅動控制部分亦默認采用FOC方法?？偟膩碚f，ARM和FPGA所分別承載的程序功能都是基于FOC來設計的。

如圖8所示，考慮到位置和速度是磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)樣機中最重要的兩個控制量，因此FOC的位置環(huán)和速度環(huán)被安排在ARM中實現(xiàn)，方便算法的部署。相對地，F(xiàn)OC方法中最基礎的電流環(huán)則被設計為FPGA內部的IP核，同時負責獲取相電流和電角度等控制所必要的信息。對于FOC中的克拉克變換、帕克變換和它們的逆變換，以及復雜算法中會占用一定計算資源的參數(shù)計算，均在FPGA中實現(xiàn)，以提高運行速度。值得說明的是，電流環(huán)中的PI控制器參數(shù)可以通過FSMC總線由ARM進行在線調整，從而調試階段不需要反復重新配置FPGA，因為直接編譯FPGA程序相當耗時。通過以上設計，控制器中的算法部署與控制實現(xiàn)被分離開來，分置在合適的異構雙核芯片中，以充分發(fā)揮相應芯片的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)樣機更好的控制性能。

圖8中還展示了涉及EtherCAT網(wǎng)絡部分的功能模塊。其中ESC提供了一個接口，將控制器接入EtherCAT網(wǎng)絡，使EtherCAT主站發(fā)出的控制信息可以到達每個從站中的控制器，同時不同段的PMLSM就能夠通過EtherCAT網(wǎng)絡獲知其他段的當前狀態(tài)。本質上，這是一個多對象的分布式網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)(Networked control system, NCS)。在這個過程中，EtherCAT的高帶寬和同步性能為所需的控制精度提供了保證。最后，整個控制器上還有其他必要的電路和接口，此處不再贅述。

4 仿真計算驗證

EtherCAT網(wǎng)絡是使用本文所設計的控制器對磁浮交通分段PMLSM驅動系統(tǒng)樣機實現(xiàn)高精度控制的重要保證，因此EtherCAT網(wǎng)絡的通信性能將直接影響最終的控制效果。為從理論上驗證使用EtherCAT網(wǎng)絡對分段PMLSM進行控制的可行性，評估相應的控制性能，利用Matlab/Simulink軟件搭建了對應的仿真模型，如圖9所示。

圖9 基于EtherCAT的雙段PMLSM驅動系統(tǒng)仿真示意圖

仿真模型主要分為兩個部分。第一部分是根據(jù)PMLSM樣機參數(shù)所建立的電機模型，第二部分是利用TrueTime工具箱所搭建的NCS。TrueTime工具箱中包含多種網(wǎng)絡通信協(xié)議，可以在既有的Ethernet協(xié)議上進行修改，仿真EtherCAT協(xié)議。此外如圖9所示，在控制網(wǎng)絡中，PMLSM及逆變器共同作為被控對象。而為了簡便起見，集中分析在EtherCAT網(wǎng)絡下控制多段PMLSM的可行性及控制效果，在仿真中僅設置了2段PMLSM模型，而不是樣機中的5段。

典型的NCS結構中包含控制器、執(zhí)行器、被控對象、傳感器幾部分，其中被控對象的輸出通過傳感器來形成閉環(huán)控制[16]。NCS中信息流的主要傳輸信道是網(wǎng)絡，需要考慮時延和丟包，這是其與一般控制系統(tǒng)的最主要區(qū)別。而具體到本節(jié)所建立的仿真模型中，有如表1所示的對應關系。

表1 仿真模型組成與NCS組成對應關系

主站發(fā)出的控制命令信息集中在一個數(shù)據(jù)幀內，按照網(wǎng)絡拓撲依次達到每一個從站。經(jīng)過一個從站時，ESC會按照預先確定的尋址方式從數(shù)據(jù)幀中讀取本從站所需的對應數(shù)據(jù)，并在需要的情況下，將反饋到主站的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)幀。完成該數(shù)據(jù)讀取過程后，數(shù)據(jù)幀才會由網(wǎng)絡端口轉發(fā)至下一從站。由于ESC獨特的硬件高速處理機制，單個從站的數(shù)據(jù)幀處理時延僅在微秒級。最后一個從站處理完數(shù)據(jù)幀后，會將數(shù)據(jù)幀直接轉發(fā)回主站。

為了驗證不同從站之間的同步性能，分別仿真了EtherCAT的SM同步模式和DC同步模式，兩者可分別實現(xiàn)微秒級和納秒級精度的同步控制，可在適當?shù)膱鼍跋逻x擇使用。按照上述仿真思路，主要仿真參數(shù)設置如表2所示。其中輸出數(shù)據(jù)指主站發(fā)送至從站的數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)含義則相反。數(shù)據(jù)幀的內容為上層控制指令以及從站反饋至主站的次級位置信息。數(shù)據(jù)域幀結構如圖10所示，與普通Ethernet幀協(xié)議兼容。

表2 主要仿真參數(shù)

圖10 數(shù)據(jù)幀結構示意圖

在仿真中，兩個分段PMLSM上各有一個次級，控制目標為兩個次級以2.5 m/s的目標速度在長度為1.2 m的初級導軌上完成單向全程的勻速直線運動后停止，并據(jù)此分析EtherCAT網(wǎng)絡下的PMLSM控制性能。圖11展示了在SM同步模式下控制兩段PMLSM的仿真結果。

圖11 PMLSM控制仿真結果

從圖11可以發(fā)現(xiàn)，兩者均完成了既定控制目標，對目標速度實現(xiàn)了快速跟蹤。具體而言，兩者的速度跟蹤超調量為5.41%，上升時間約為3.14 ms，并在0.43 s后逐漸減速，在0.65 s左右達到既定的位置。但是，由于兩者運行的速度和位置誤差過小，從圖11中難以看出。DC同步模式控制同理，在秒級尺度下其仿真結果圖與之類似。

在SM同步模式下，執(zhí)行器的觸發(fā)為事件驅動方式，即數(shù)據(jù)幀中的特定數(shù)據(jù)被相應的從站接收后，會直接觸發(fā)SM事件信號來通知應用層開始執(zhí)行程序；而在DC同步模式下，則采用時間驅動的方式來執(zhí)行應用層程序，在SM事件信號的基礎上增加了一類DC事件信號。在實際系統(tǒng)中，該DC事件信號的到達觸發(fā)時間可在主站中設置和修改，確保各個從站在本地時鐘同步的基礎上，等待DC事件信號的統(tǒng)一觸發(fā)，實現(xiàn)高精度的同步。然而，受硬件性能影響，且本地時鐘無法完全精準同步，實際中會出現(xiàn)一定的抖動時間?？赏茖С龅却鼶C事件信號到達時間的計算方程

式中，t1s為網(wǎng)絡中第一個從站接收到數(shù)據(jù)幀的時間；n為網(wǎng)絡中的從站數(shù)量；tΔ為相鄰從站接收到數(shù)據(jù)幀的時間差的算數(shù)平均值；tCopyCal為SM事件信號與DC事件信號的到達時間差，此時間用于硬件提前計算復制相應數(shù)據(jù)，即預處理時間；Trddc為DC同步模式輸出數(shù)據(jù)延時；Tj為附加的時間抖動項。依照上述分析，為進一步揭示SM同步模式與DC同步模式的控制性能差異，圖12和圖13分別展示了在兩種同步模式下，兩段PMLSM的速度誤差和位置誤差的仿真比較結果。

圖12 SM同步模式下控制性能仿真結果

圖13 DC同步模式下控制性能仿真結果

圖12和圖13顯示出SM同步模式和DC同步模式均對兩段PMLSM有較好的同步控制性能。在SM同步模式下，速度同步誤差最大達到了9.493×10-4m/s，并在4.123 ms后迅速歸零；位置同步誤差最大達到了2.182 μm，并在75.01 ms后穩(wěn)定在1.747 μs左右，同步誤差很小，符合控制目標預期。而在DC同步模式下，同步精度得到了進一步提升，表現(xiàn)為誤差下降了兩個數(shù)量級，其中位置同步誤差最大僅有11.52 nm。其原因在于，仿真中SM同步模式下兩從站應用層程序執(zhí)行時刻誤差為0.7 μs，而DC同步模式僅為5～7 ns，實現(xiàn)了納秒級的同步。

上述仿真及其分析說明，利用EtherCAT網(wǎng)絡對分段PMLSM進行控制具有可行性，且控制性能較好，可以作為磁浮交通分段PMLSM驅動系統(tǒng)樣機控制的組網(wǎng)手段。

5 試驗驗證

按照第3節(jié)中的設計，開發(fā)制作出了如圖14所示的帶EtherCAT組網(wǎng)功能及接口的ARM-FPGA雙核架構控制器。整個系統(tǒng)的架構及試驗驗證示意如圖15所示。

圖14 雙核架構控制器實物圖

圖15 系統(tǒng)架構及試驗驗證示意圖

5.1 EtherCAT網(wǎng)絡通信驗證

如前所述，由于通信是滿足磁浮交通分段PMLSM驅動系統(tǒng)樣機預期控制精度的必要且重要的條件，故首先對EtherCAT網(wǎng)絡的實際通信能力進行驗證。延遲是衡量通信實時性的重要指標。在EtherCAT網(wǎng)絡中，該指標具體表示數(shù)據(jù)幀從主站出發(fā)，經(jīng)過網(wǎng)絡中所有從站處理后返回至主站的時間間隔，即網(wǎng)絡中的所有從站傳輸與處理數(shù)據(jù)幀所需的時間之和。由式(7)計算

式中，Ttransforward代表主站發(fā)出的數(shù)據(jù)幀單向傳至最后一個從站所耗的時間；Ti代表第i個從站的數(shù)據(jù)幀處理時間；Ttransback則代表網(wǎng)絡中最后一個從站將數(shù)據(jù)幀回傳至主站所耗的時間。

在試驗中，主站的控制任務周期與數(shù)據(jù)幀的內容及格式與仿真中的設置保持一致。此外，利用Wireshark對通信數(shù)據(jù)包進行截取分析。表3和圖16展示了試驗系統(tǒng)中EtherCAT網(wǎng)絡的實時性能。

表3 Wireshark截取的數(shù)據(jù)幀通信延遲統(tǒng)計

圖16 Wireshark截取的主站通信周期變化 (Wireshark I/O圖：EtherCAT分析)

表3截取了20個數(shù)據(jù)幀，分別統(tǒng)計了每個數(shù)據(jù)幀從主站出發(fā)和回傳至主站的時間點，可知數(shù)據(jù)幀的通信延遲穩(wěn)定在4～5 μs，即5 μs以內可刷新一次網(wǎng)絡中所有從站的通信數(shù)據(jù)。此外，對于主站而言，從表3中還可計算得出相鄰數(shù)據(jù)幀之間的平均發(fā)送和接收時間間隔為1 999.875 μs，約等于2 ms，同時圖16展示了Wireshark生成的主站通信周期變化連線圖，可知其平均通信周期并未超過2 ms，與前述主站控制周期的設置值一致。對于磁浮交通分段PMLSM驅動系統(tǒng)樣機而言，該通信延遲完全滿足實時控制的要求。

5.2 磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)樣機控制驗證

控制器的功能設計劃分完全遵循FOC方法。在試驗中，位置環(huán)和速度環(huán)部分使用的是普通的PI控制器，而不是其他改進的PI控制器或復雜的先進控制器，這是為了驗證在EtherCAT組網(wǎng)條件下控制磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)樣機的可用性。需要指出的是，在未來將會開發(fā)和部署更多的磁浮交通直線運動控制算法，改進或替換現(xiàn)有的普通PI控制器。這是本文研究此磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)架構及控制的初衷。在逆變器開關頻率2 kHz條件下，圖17～19展示了磁浮交通PMLSM樣機驅動系統(tǒng)在各種工況下運行時的電壓和電流波形。

圖17 次級單向運行工況的電壓電流波形

圖17是磁浮交通PMLSM驅動樣機的次級單向運行工況下的電壓電流波形。UV相電壓落后VW相電壓120°，相電壓峰值穩(wěn)定在220 V左右。此外，電流波形較為規(guī)整，波峰值穩(wěn)定在3 A左右，運行狀況良好。次級反向運行工況時與此類似，此時UV相電壓超前VW相電壓120°。

為測試次級往復運行時的控制效果，同時檢驗次級在長初級全段各處停機換向時的運行狀況，試驗還設置了下行換向上行以及上下行往復換向兩種測試工況，測試結果如圖18、19所示。其中，圖18所展示的次級運行換向位置在長初級的中間任意部分，而圖19所顯示的運行換向位置為長初級盡頭處。從圖中可知，無論是上行下行互相換向，還是上下行反復換向，次級均能按照控制指令順利完成，且保持較好的運行狀態(tài)，體現(xiàn)為各項電壓電流波形在次級運行換向前后與單向運行工況保持 一致。

圖18 次級下行換向上行工況的電壓電流波形

圖19 次級上下行往復工況的電壓電流波形

上述試驗結果說明，在EtherCAT組網(wǎng)條件下，利用所設計的雙核控制器對磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)樣機進行控制，其效果良好。

6 結論

針對一種雙層雙側凸極Halbach磁體陣列結構的磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)樣機，本文研究并開發(fā)了一種ARM-FPGA雙核專用控制器，并引入了EtherCAT網(wǎng)絡進行組網(wǎng)，搭建了網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)架構，用于驗證磁浮交通直線運動控制算法及電機牽引性能。結論及展望如下。

(1) 通過仿真和試驗，證明了所研究的基于EtherCAT網(wǎng)絡的雙核控制器的可行性及可用性，并且EtherCAT組網(wǎng)條件下的磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)具有良好的控制實時性和控制性能。

(2) 未來將優(yōu)化和改進磁浮交通PMLSM驅動系統(tǒng)樣機及控制器，使其更加貼近實際的工程應用場景。同時利用所開發(fā)的控制器，開發(fā)、部署和驗證更多的磁浮交通直線運動控制算法。

(3) 利用EtherCAT技術的開放接口和擴展功能，結合現(xiàn)有的光纖介質傳輸技術和Ethernet遠程測控技術，將EtherCAT網(wǎng)絡引入實際磁浮交通線路，進行測試驗證。