呂 飛，王 冕，吉 哲

應(yīng)用研究

基于SVPWM永磁直線同步電機(jī)控制仿真與應(yīng)用

呂 飛，王 冕，吉 哲

（海軍士官學(xué)校機(jī)電系，安徽蚌埠 233012）

直線電機(jī)能直線運(yùn)動(dòng)，以獲得單向或雙向的有限可控位移。合理的控制策略與系統(tǒng)設(shè)計(jì)是直線電機(jī)快速準(zhǔn)確高效控制的關(guān)鍵。文章分析了永磁直線同步電機(jī)（PMLSM）的數(shù)學(xué)模型耦合特點(diǎn)，得到PMLSM仿真模型，并進(jìn)行PMLSM空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的仿真分析。仿真結(jié)果表明SVPWM控制的有效性。設(shè)計(jì)了一種基于DSP的永磁直線同步電機(jī)SVPWM定位控制系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的直線電機(jī)定位系統(tǒng)控制性能良好。

永磁直線同步電機(jī) 空間矢量脈寬調(diào)制 伺服系統(tǒng) 數(shù)字信號(hào)處理器

0 引言

直線電動(dòng)機(jī)(Linear Motor)是將旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子以及氣隙展開成直線狀，使電能直接轉(zhuǎn)換成直線機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種推力裝置的總稱[1]。永磁直線同步電機(jī)將具有三相繞組的初級(jí)做成定子，次級(jí)的永磁體作為動(dòng)子，借助于支撐系統(tǒng)，動(dòng)子和靜子之間保持恒定的氣隙，主要用于推力或位置控制的平板形直線電動(dòng)機(jī)[2-4]。本文從永磁直線同步電機(jī)（PMLSM）的數(shù)學(xué)模型入手，簡(jiǎn)化得到PMLSM仿真模型，進(jìn)行PMLSM空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制策略的仿真分析，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于DSP的永磁直線同步電機(jī)SVPWM定位控制系統(tǒng)，仿真分析及試驗(yàn)結(jié)果表明SVPWM能控制永磁直線同步電機(jī)以及所設(shè)計(jì)的基于DSP直線電機(jī)定位系統(tǒng)性能良好。

1 數(shù)學(xué)與仿真模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

圖1表示永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)模型，圖中d、q為永磁磁場(chǎng)的軸線，a、b、c為三相繞組的軸線，x為動(dòng)子的位置。

圖1 PMLSM模型

在建立永磁直線同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，考慮直線電機(jī)的磁場(chǎng)諧波和端部效應(yīng)[5]，可得直線電機(jī)的電壓方程式(1)、磁鏈方程式(2)和電磁推力方程式(3)。

1.2 仿真模型

為簡(jiǎn)化仿真做如下假設(shè)：1）不考慮磁路飽和，不計(jì)各種損耗。2）氣隙中的磁場(chǎng)在空間上按正弦分布。

根據(jù)假設(shè)，對(duì)于直線電機(jī)，==L，()=()=0，則由式(1)、式(2)、式(3)可建立永磁直線同步電機(jī)的d-q軸模型。

根據(jù)式（4）、式（5），使用Simulink[9]建立永磁直線同步電機(jī)仿真框圖，如圖2所示。

圖2 PMLSM仿真框圖

2 SVPWM仿真及分析

空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)同時(shí)控制三相電流的狀態(tài)，以逼近電機(jī)氣隙的理想磁場(chǎng)軌跡為目的，能夠提高功率因數(shù)，降低損耗[6, 7]。

基于空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)位置伺服控制永磁直線同步電機(jī)的仿真框圖如3所示。

圖3 永磁直線同步電機(jī)SVPWM控制框圖

運(yùn)用SVPWM的算法[8]，利用MATLAB編程語(yǔ)言，判斷電機(jī)運(yùn)行時(shí)，任意空間電壓矢量的區(qū)間編號(hào)，并計(jì)算扇區(qū)內(nèi)工作電壓矢量的分配時(shí)間1和2，從而確定可控電力電子器件的對(duì)應(yīng)關(guān)斷狀態(tài),可得到每相的SVPWM波形，仿真框圖如圖4所示。

圖4 SVPWM波形仿真圖

圖5 SVPWM控制動(dòng)子位置曲線

圖5可見永磁直線同步電機(jī)動(dòng)子能良好跟蹤給定位置（200 mm），時(shí)間約為0.08 s。仿真結(jié)果表明，SVPWM可用于永磁直線同步電機(jī)位置伺服控制。

3 SVPWM系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)硬件

以永磁直線同步電機(jī)伺服控制為對(duì)象，其基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的SVPWM控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖[9]，如圖6所示。

圖6 直線電機(jī)SVPWM應(yīng)用系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件由以TMS320F240為核心的系統(tǒng)板、位置檢測(cè)環(huán)節(jié)、電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、整流橋、IR2130芯片柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)以及場(chǎng)效應(yīng)晶體管IRF830組成的主電路等構(gòu)成[10]。

系統(tǒng)的所有控制調(diào)節(jié)全部由DSP控制器用軟件完成，輸出空間矢量脈寬調(diào)制控制信號(hào)（SVPWM）到IR2130柵極驅(qū)動(dòng)器中，觸發(fā)IRF830。

3.2 系統(tǒng)軟件

軟件系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：初始化程序和SVPWM中斷模塊。初始化模塊設(shè)置DSP時(shí)鐘、I/O接口、事件管理器、定義變量和常量、中斷源的選擇和使能等。中斷模塊則完成空間磁場(chǎng)定向控制策略，流程圖見圖7。

圖7 定時(shí)器T1中斷控制子程序

3.3 系統(tǒng)試驗(yàn)

如圖8（a）所示，速度線中的恒速段波動(dòng)小，速度平穩(wěn)，推力波動(dòng)??；如圖8（b）所示，控制系統(tǒng)延時(shí)0.3 s左右響應(yīng)動(dòng)作，動(dòng)子0.82 s運(yùn)行到給定位置300 mm，并穩(wěn)定停止。實(shí)驗(yàn)表明，SVPWM可能控制永磁直線同步電機(jī)達(dá)到良好控制指標(biāo)。

圖8 SVPWM應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)子實(shí)驗(yàn)曲線

4 結(jié)論

由于存在端部效應(yīng)，三相繞組不對(duì)稱，永磁直線同步電機(jī)磁鏈方程、電壓方程和電磁推力方程較旋轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)復(fù)雜得多，其數(shù)學(xué)模型存在較強(qiáng)耦合，可以通過(guò)簡(jiǎn)化可得到PMLSM仿真模型，利用MATLAB仿真軟件Simulink建立永磁直線同步電機(jī)的仿真模型與SVPWM控制仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真控制分析，進(jìn)而基于DSP設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)SVPWM控制系統(tǒng)的硬件、軟件，進(jìn)行永磁直線同步電機(jī)動(dòng)子位置定位控制實(shí)驗(yàn)。

仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SVPWM能有效控制永磁直線同步電機(jī)，動(dòng)子能準(zhǔn)確地跟蹤給定位置，控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，動(dòng)子運(yùn)行快速且平穩(wěn)。本文以SVPWM控制的有效性驗(yàn)證為重點(diǎn)，直線電機(jī)控制策略的優(yōu)化有待進(jìn)一步分析研究。

[1] 葉云岳. 直線電機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

[2] Fei LV, Songtao ZHANG, Zhe JI. Research on SVPWM Control System of Permanent Magnet Linear Synchronous Motor[C]. 2019 6th International Conference on Information Science and Control Engineering (ICISCE), 2019: 857-860.

[3] 張超. 國(guó)內(nèi)外直線電機(jī)的應(yīng)用與趨勢(shì)研究[M]. 北京: 中國(guó)紡織出版社, 2018.

[4] 張宏偉. 永磁直線同步電機(jī)直驅(qū)電梯運(yùn)行控制[M]. 北京: 機(jī)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2018.

[5] 焦留成. 永磁直線同步電動(dòng)機(jī)特性及控制[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2014.

[6] 苑國(guó)鋒, 陳棟, 鄭春雨. 電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的多模式調(diào)制策略及切換方法研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2021, 25(01): 126-135.

[7] 郭語(yǔ), 鞠全勇. 永磁同步電機(jī)的等效SVPWM調(diào)制方法研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程, 2020, 49(12): 109-112.

[8] 單寶鈺, 尹國(guó)龍, 高宏洋, 劉金晶. 基于鎖相環(huán)改進(jìn)SVPWM同步調(diào)制技術(shù)的研究[J]. 微特電機(jī), 2021, 49(09): 33-38.

[9] 趙希梅. 交流永磁電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2017.

[10] 馬駿杰. 現(xiàn)代交流電機(jī)的控制原理及DSP實(shí)現(xiàn)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2020.

Control simulation and application of permanent magnet linear synchronous motor based on SVPWM

Lyu Fei, Wang Mian, Ji Zhe

(Electromechanical Department, Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, Anhui, China)

TM35

A

1003-4862(2022)04-0061-04

2021-09-03

呂飛（1982-），男。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。E-mail: lf19828050@163.com