Hardware-In-The-Loop Real Time Simulation Platform for PMLSMs

作者：王振濱
職稱：高級工程師
公司：上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院

應(yīng)用領(lǐng)域：控制與仿真

挑戰(zhàn)：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(jī)硬件在環(huán)實(shí)時仿真系統(tǒng)。

應(yīng)用方案：使用NI公司的LabView8.6.1、cRIO9074和cRIO9004軟、硬件平臺成功搭建一套永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時仿真平臺。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級的高實(shí)時性特點(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、危險性高，如操作不當(dāng)極易發(fā)生飛車，造成人身和財產(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)時仿真平臺。該仿真平臺的快速成功搭建，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)動的高速直線運(yùn)動單元取消了從伺服電機(jī)到工作臺之間的中間傳動環(huán)節(jié)，把運(yùn)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(jié)構(gòu)，又可提高直線運(yùn)動單元的速度、加速度、靈敏度、剛度和精度。在高速直線運(yùn)動單元中，由直線電機(jī)直接驅(qū)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)加滾珠絲杠副驅(qū)動方式已是大勢所趨，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)動的場合。國外著名的機(jī)床公司，如Siemems，F(xiàn)anuc等在其高端數(shù)控機(jī)床中無例外地全部使用直線驅(qū)動方式，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)由于無需電勵磁、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)之間無機(jī)械傳動裝置緩沖，所有擾動都直接加載到電機(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)的控制帶來極大的挑戰(zhàn)，另一方面在調(diào)試與操作過程中稍有不慎極易出現(xiàn)飛車的危險性，造成人身和財產(chǎn)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(jī)的硬件在環(huán)實(shí)時仿真平臺。該平臺運(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。該平臺能夠模擬永磁同步直線電機(jī)的多種運(yùn)動工況，快速、無差地跟蹤速度和位置給定信號，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:

(1)

(2)

式（1）、（2）中u_d，u_q，i_d，i_q，L_d，L_q 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)的移動速度，為節(jié)距，P為極對數(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)動學(xué)方程為：

(4)

(5)

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），B_v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。在磁場定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解為產(chǎn)生磁通的勵磁電流和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流，使兩個電流分量相互垂直、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)子磁極的位置用來決定逆變器的觸發(fā)信號，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。本文采用常見的直軸電流i_d＝0模式，該控制方式突出的優(yōu)點(diǎn)是沒有電機(jī)直軸電樞反應(yīng)，不會引起永磁體的去磁現(xiàn)象，且可以同時實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)每安培較大推力控制，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

四、 永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)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(nèi)搭建了一套永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時仿真平臺。該平臺運(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，電流較高采樣頻率達(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(dá)到幾個微米級別，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)時仿真平臺示意圖

參數(shù)設(shè)置模塊： 用來設(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)動方程來模擬實(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)來的6路PWM信號（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，計算出直線電機(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)動方程計算直線電機(jī)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(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)控制兩個子程序，實(shí)現(xiàn)對模擬的直線電機(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(jī)模型仿真模塊發(fā)來的直線電機(jī)位置、電角速度、兩路直線電機(jī)相電流和速度信號。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(diào)節(jié)器，其輸出作為速度給定信號。以此類推，經(jīng)過速度環(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，通過Clarke-Park逆變換，得到三相相電壓調(diào)制信號。這些信號與三角載波信號進(jìn)行比較，得到包括正、反6路PWM信號（算法考慮了死區(qū)效應(yīng)，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(jī)模型仿真模塊，至此整個直線電機(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4 永磁同步直線電機(jī)位置環(huán)控制子程序框圖

圖5 永磁同步直線電機(jī)位置環(huán)控制子程序前面板圖

圖形顯示模塊：實(shí)時動態(tài)顯示直線