"利用​NI​公司​的​软​硬件​平台,​在​较​短​的​时间​内​搭建​了​一套​永磁​同步​直线​电机​硬件​在​环​实​时​仿真​平台,​比​采用​其它​传统​软件​开发​平台​缩短​了​至少​1​倍​以上​的​开发​时间。" ​


- 王 振​滨, 上海​电气​集团​股份​有限公司​中央研究院


挑战:
采用​LabView8.6.1​和​两​个​cRIO​软​硬件​平台​快速​搭建​一套​永磁​同步​直线​电机​硬件​在​环​实​时​仿真​系统。 ​

 

解决​方案:
使用​NI​公司​的​LabView8.6.1、​cRIO9074​和​cRIO9004​软、​硬件​平台​成功​搭建​一套​永磁​同步​直线​电机​硬件​在​环​实​时​仿真​平台。​其中​cRIO9074​和​cRIO9004​分别​用于​永磁​同步​直线​电机​控制器​仿真​和​永磁​同步​直线​电机​模型​仿真,​两者​采用​高速​数、​模​数据​采集​卡​进行​数据​交换,​且​其​核心​算法​全部​在​FPGA​中​完成,​具有​50us​级​的​高​实​时​性​特点。 ​

 

一、 引言
直线​电机​驱动​的​高速​直线​运动​单元​取消​了​从​伺服​电机​到​工作​台​之间​的​中间​传​动​环节,​把​运动​单元​的​传动链​缩​为​零,​称为“零​传​动”。​该​传​动​方式​既​可​简化​结构,​又​可​提高​直线​运动​单元​的​速度、​加速度、​灵敏​度、​刚度​和​精度。​在​高速​直线​运动​单元​中,​由​直线​电机​直接​驱动​代替​传统​旋转​电机​加​滚​珠​丝​杠​副​驱动​方式​已是​大​势​所​趋,​目前​直线​电机​已经​被​广泛​应用​于​工业、​民用、​军事​及​其它​各种​直线​运动​的​场合。​国外​著名​的​机床​公司,​如​Siemems,​Fanuc​等​在​其​高​端数​控​机床​中​无​例外​地​全部​使用​直线​驱动​方式,​使得​加工​出​产品​的​精度​和​加工​速度​都​得到​极大​提高。​永磁​同步​直线​电机​由于​无​需​电​励磁、​推力​密度​大和​效率​高等​优点​事实​上​已​成为​今后​直线​电机​的​发展​方向。

 

与​传统​旋转​电机​相比,​直线​电机​由于​磁路​是​开放​的,​负载​与​直线​电机​之间​无​机械​传动装置​缓冲,​所有​扰动​都​直接​加​载到​电机​端,​加上​直线​电机​特有的​端​部​效应,​一方面​给​直线​电机​的​控制​带来​极大​的​挑战,​另一方面​在​调​试​与​操作​过程​中​稍有​不慎​极​易​出现​飞​车​的​危险​性,​造成​人身​和​财产​损失。​因此​本文​采用​LabView8.6.1​和​cRIO9074​和​cRIO9004​软​硬件​平台,​搭建​了​一套​永磁​同步​直线​电机​的​硬件​在​环​实​时​仿真​平台。​该​平台​运用​矢量​控制​算法,​实现​位置​环、​速度​环​和​电流​环​三​环​或​速度​环、​电流​环​二​环​闭​环​控制。​该​平台​能够​模拟​永磁​同步​直线​电机​的​多种​运动​工​况,​快速、​无​差​地​跟踪​速度​和​位置​给​定​信号,​仿真​结果​与​科尔​摩​根​系统​类似,​验证​了​算法​的​正确​性。

 

 

​图​1 矢量​控制​原理​框​图

 


​图​2 永磁​同步​直线​电机​硬件​在​环​实​时​仿真​平台​示意​图

 

三、 永磁​同步​直线​电机​矢量​控制​原理
交流​电机​的​矢量​控制​是​1971​年​由​德国​F.Blaschk​等​人​提出​的。​其​基本​思想​是在​交流​电机​上​模拟​直流​电机​的​转​矩​控制​规律。​在​磁场​定向​坐标​上,​将​电流​矢量​分解​为​产生​磁​通​的​励磁​电流​和​产生​转​矩​的​转​矩​电流,​使​两​个​电流​分量​相互​垂直、​彼此​独立,​因此​可以​分别​加以​控制。​在​永磁​同步​电机​矢量​控制​系统​中,​转子​磁极​的​位置​用​来​决定​逆​变​器​的​触发​信号,​以​保证​逆​变​器​输出​频率​始终​等于​转子​角​频率,​因此,​永磁​同步​电机​的​矢量​控制​为​自​控​运行​的​矢量​控制。

 

在​矢量​控制​中​定子​电流​的​控制​模式​是​多种​多样​的,​且​电流​控制​模式​和​转子​的​几何​结构​影响​着​永磁​同步​电机​的​性能​和​变换​器​的​容量。​本文​采用​常见​的​直​轴​电流​id​=​0​模式,​该​控制​方式​突出​的​优点​是​没有​电机​直​轴​电​枢​反应,​不会​引起​永磁​体​的​去​磁​现象,​且​可以​同时​实现​直线​电机​每​安培​最大​推力​控制,​只要​控制​好​定子​电流​的​幅​值​和​相位,​就​可以​得到​满意​的​推力​控制​特性。​本文​所​提出​的​矢量​控制​原理​框​图​如​图​1​所​示。

 

图​3 永磁​同步​直线​电机​模型​仿真​子​程序​框​图

 

四、 永磁​同步​直线​电机​硬件​在​环​实​时​仿真​平台
借助​National Instruments​公司​的​LabVIEW 8.6.1、​cRIO9074、​cRIO9004​和​9401、​9215、​9264、​9205​高速​数、​模​采集​卡​软、​硬件​平台,​在​较​短​的​时间​内​搭建​了​一套​永磁​同步​直线​电机​硬件​在​环​实​时​仿真​平台。​该​平台​运用​矢量​控制​算法,​根据​需要​可以​实现​位置​环、​速度​环​和​电流​环​三​环​或​速度​环​和​电流​环​二​环​闭​环​控制,​电流​最高​采样​频率​达到​20kS/​s(周期​50us),​高于​科尔​摩​根​直线​电机​驱动​器​电流​采样​率​16kS/​s(周期​62.5us)。​系统​的​位置​和​速度​输出​可以​快速​无​差​地​跟踪​给​定​的​位置​和​速度​信号,​精度​达到​几个​微米​级别,​可以​在​线​调节​控制器​参数​和​直线​电机​负载,​仿真​结果​与​实际​科尔​摩​根​系统​类似。​该​平台​的​主要​功能​模​块​有:​参数​设置​模​块、​直线​电机​模型​仿真​模​块、​直线​电机​控制器​仿真​模​块、​图形​显示​模​块​和​数据​记录​与​分析​模​块。​该​平台​的​示意​图​如​图​2​所​示:

 

参数​设置​模​块: 用​来​设置​直线​电机​参数、​负载​系数、​粘​滋​磨擦​系数、​直流​母​线​电压、​采样​频率、​初始​控制器​参数、​三角​载波​频率​与​幅​值、​PWM​模​块​中的​死​区​时间​等。​其中​直线​电机​参数、​负载​系数、​粘​滋​磨擦​系数、​直流​母​线​电压​用于​直线​电机​模型​仿真​模​块​(采样​频率​100kS/​s);​初始​控制器​参数、​三角​载波​频率​与​幅​值、​PWM​模​块​中的​死​区​时间​用于​直线​电机​控制器​仿真​模​块​(采样​频率​20kS/​s)。​这​部分​子​程序​是在​cRIO9074、​cRIO9004​的​RT​控制器​中​开发​成功。

 

直线​电机​模型​仿真​模​块:采用​直线​电机​数学​模型​和​运动​方程​来​模拟​实际​直线​电机​的​运行​状态,​把​得到​的​直线​电机​各​项​运行​数据​送到​直线​电机​控制器​仿真​模​块。​根据​参数​设置​模​块​获得​的​直线​电机​参数,​进行​归​一​化​处理,​得到​直线​电机​归​一​化​参数。​采集​由​直线​电机​控制器​仿真​模​块​发​来​的​6​路​PWM​信号​(采用​高速​数字​采集​卡​9401),​结合​直流​母​线​电压​和​当前​直线​电机​相​电流​正、​负​方向​信号,​计算​出​直线​电机​三相​相​电压,​进行​Clarke-​Park​变换,​得到​dq​轴​电压。​然后​根据​归​一​化​的​直线​电机​dq​轴​方程​计算​出​下一步​直线​电机​dq​轴​电流、​三相​相​电流、​电磁​推力。​根据​直线​电机​运动​方程​计算​直线​电机​的​加速度、​速度、​位移、​电​角度​等​信号,​通过​高速​模拟​输出​卡​9264,​把​上面​计算​出​的​两​路​相​电流、​速度、​位移、​电​角度​共​5​路​信号​送到​直线​电机​控制器​仿真​模​块。​这​部分​子​程序​是在​cRIO9004(内​插​9401​和​9264)​的​FPGA​中​开发​成功。​该​模​块​的​子​程序​框​图​如​图​3​所​示。

 

直线​电机​控制器​仿真​模​块:该​模​块​包含​位置​环、​速度​环、​电流​环​三​环​和​速度​环、​电流​环​二​环​闭​环​控制​两​个子​程序,​实现​对​模拟​的​直线​电机​进行​速度​或​位置​的​闭​环​控制​功能。​以​位置​环​闭​环​控制​为​例,​来​说明​该​模​块​的​主要​功能。​采用​9215​和​9205​模拟​采集​卡​采集​到​直线​电机​模型​仿真​模​块​发​来​的​直线​电机​位置、​电​角速度、​两​路​直线​电机​相​电流​和​速度​信号。​根据​位置​给​定​信号​和​采集​到​的​位置​反馈​信号,​求​出​偏差​值​送​入​位置​环​PI​调节​器,​其​输出​作为​速度​给​定​信号。​以此​类推,​经过​速度​环​PI​调节​器、​电流​环​PI​调节​器​(含​d、​q​轴)​得到​d、​q​轴​给​定​电压​信号,​通过​Clarke-​Park​逆​变换,​得到​三相​相​电压​调制​信号。​这些​信号​与​三角​载波​信号​进行​比较,​得到​包括​正、​反​6​路​PWM​信号​(算法​考虑​了​死​区​效应,​防止​逆​变​器​上、​下​桥​臂​短路),​通过​9401​高速​数据​采集​卡​输出​到​直线​电机​模型​仿真​模​块,​至此​整个​直线​电机​位置​闭​环​控制​得以​实现。​这​部分​子​程序​是在​cRIO9074(内​插​9401、​9205​和​9215)​的​FPGA​中​开发​成功。​位置​环​子​程序​程序​框​图​和​前​面板​图​分别​如​图​4、​5​所​示。

 

图​4 永磁​同步​直线​电机​位置​环​控制​子​程序​框​图

 


​图​5 永磁​同步​直线​电机​位置​环​控制​子​程序​前​面板​图

 

图形​显示​模​块:实​时​动态​显示​直线​电机​的​位移、​速度、​三相​相​电流、​位置​角度、​PWM​波形​曲线。​通过​FIFO​实现​直线​电机​模型​仿真​模​块​和​直线​电机​控制器​仿真​模​块​的​FPGA​与​RT​控制器​进行​数据​实​时​交换。​这​部分​子​程序​是在​cRIO9074、​cRIO9004​的​RT​控制器​中​开发​成功。

 

数据​记录​与​分析​模​块:存取​直线​电机​的​位移、​速度、​三相​相​电流、​位置​角度、​PWM​波形​等​数据,​分析​直线​电机​电流、​电压​谐​波​分布​等,​为​进一步​优​化​算法​提供​数据。​这​部分​子​程序​同样是​在​cRIO9074、​cRIO9004​的​RT​控制器​中​开发​成功。

 

三、​仿真​实例
3.1 平台​的​软、​硬件​组成

永磁​同步​直线​电机​硬件​在​环​实​时​仿真​平台​软、​硬件​组成​如下:

 

软件​平台:​LabVIEW8.6.1/​RT/​FPGA

 

硬件​平台:

cRIO9074、​9401、​9205​和​9215​组成​控制器​仿真​硬件​平台;

 

cRIO9004、​9104、​9401​和​9264​组成​仿真​器​仿真​硬件​平台

 

一台​PC​计算​机;

 

室内​网络。

 

图​6​给​出了​永磁​同步​直线​电机​的​硬件​在​环​实​时​仿真​与​试验​平台​实物​图。

 

3.2 永磁​同步​直线​电机​参数
永磁​同步​直线​电机​参数​见​表​1。

 

表​1 永磁​同步​直线​电机​参数

 

 

3.3 仿真​分析
图​7​给​出了​两​种​不同​的​速度​环​运行​方式,​自动​方式​和​手​动​方式,​前者​速度​给​定在 0.25m/​s​周期​跳​变,​后者​保持​速度​给​定​值​0.25m/​s​不变。​从​图​7​中​不​难​发现​通过​调节​速度​环、​电流​环​控制器​参数​为​一​组​合适​参数,​如​表​2​所​示,​仿真​的​直线​电机​运行​速度​能够​在​10ms​左右​时间​内​快速​跟踪​速度​给​定,​且​稳​态​误差在 2um/​s​内。

 

表​2.​速度​和​电流​环​控制器​参数

 

图​7​永磁​同步​直线​电机​速度​环​控制​子​程序​前​面板图

 

图​8​给​出了​直线​电机​仿真​器​中的​PWM​波形​图。​图​中​可以​明显​看出​三​对​正、​反相​PWM​波形​的​上下​沿​之间​有​死​区​延​时,​这样​可以​避免​逆​变​器​上下​桥​臂​中的​IGBT​同时​导​通,​造成​逆​变​器​输出​电源​正、​负极​短路​危险。

 

图​9​给​出了​位置​给​定​值​分别​为​0.25、​1.25​和​3.25m​时​位置​环​仿真​结果,​图​中​下面​的​速度​曲线​对应​于​上面​的​位置​给​定​曲线,​位置​环、​速度​环​和​电流​环​控制器​参数​如​表​3​所​示,​位置​环​界面​参见​图​5。

 

表​3.​位置、​速度​和​电流​环​控制器​参数
 

 

​图​7​永磁​同步​直线​电机​速度​环​控制​子​程序​前​面板​图

 


​图​8 带​死​区​延​时​的​PWM​波形

 


​图​9 位置​给​定​值、​位置​跟踪​值​和​速度​稳​态​值

 

从​图​9​可以​得出,​在​0.25~3.25m​较大​范围​内的​位置​给​定​值,​系统​的​位置​跟踪​误差​保持​在 -1.5​~​1um​之间,​且​速度​稳​态​值​在 -0.005~0.007um/​s​范围​内​波动,​系统​达到​较​为​理想​的​伺服​运行​状态。​本文​的​直线​电机​参数​均​取自​于​实际​直线​电机​参数,​运行​结果​与​科尔​摩​根​系统​较​为​一致,​从而​验证​了​本文​所​提​算法​的​正确​性。

 

四、​结论
利用​NI​公司​的​虚拟​仪器​LabVIEW 8.6.1/​RT/​FPGA、​cRIO9074​与​cRIO9004/9104​软​硬件​平台,​在​较​短​的​时间​内​搭建​了​一套​永磁​同步​直线​电机​硬件​在​环​实​时​仿真​平台,​比​采用​其它​传统​软件​开发​平台​缩短​了​至少​1​倍​以上​的​开发​时间。​该​平台​的​成功​开发,​使得​在​硬件​在​环​条件下​可以​事先​测试​永磁​同步​直线​电机​的​控制器​算法,​因而​在​实际​驱动​器​开发​过程​中,​必将​节约​成本​和​缩短​研发​时间,​同时​降低​事故​发生​的​概率。