永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

　　應(yīng)用領(lǐng)域：控制與仿真

　　挑戰(zhàn)：采用LabView8.6.1和兩個(gè)cRIO軟硬件平臺(tái)快速搭建一套永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)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(tái)成功搭建一套永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。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(jí)的高實(shí)時(shí)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(guó)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(xiǎn)性高，如操作不當(dāng)極易發(fā)生飛車，造成人身和財(cái)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(shí)仿真平臺(tái)。該仿真平臺(tái)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(cuò)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(dòng)的高速直線運(yùn)動(dòng)單元取消了從伺服電機(jī)到工作臺(tái)之間的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把運(yùn)動(dòng)單元的傳動(dòng)鏈縮為零，稱為“零傳動(dòng)”。該傳動(dòng)方式既可簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，又可提高直線運(yùn)動(dòng)單元的速度、加速度、靈敏度、剛度和精度。在高速直線運(yùn)動(dòng)單元中，由直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)加滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)方式已是大勢(shì)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(dòng)的場(chǎng)合。國(guó)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(wú)例外地全部使用直線驅(qū)動(dòng)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(wú)需電勵(lì)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(wú)機(jī)械傳動(dòng)裝置緩沖，所有擾動(dòng)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(lái)極大的挑戰(zhàn)，另一方面在調(diào)試與操作過(guò)程中稍有不慎極易出現(xiàn)飛車的危險(xiǎn)性，造成人身和財(cái)產(chǎn)損失。因此本文采用LabView8.6.1和cRIO9074和cRIO9004軟硬件平臺(tái)，搭建了一套永磁同步直線電機(jī)的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)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(tái)能夠模擬永磁同步直線電機(jī)的多種運(yùn)動(dòng)工況，快速、無(wú)差地跟蹤速度和位置給定信號(hào)，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:

　　式(1)、(2)中ud，uq，id，iq，Ld，Lq 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(dòng)速度，為節(jié)距，P為極對(duì)數(shù)。

　　永磁同步直線電機(jī)的推力方程為：

　　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)，Bv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(dòng)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(guó)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(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流，使兩個(gè)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(lái)決定逆變器的觸發(fā)信號(hào)，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。