基于SVPWM永磁直線同步電機控制仿真與應用

呂 飛，王 冕，吉 哲

應用研究

基于SVPWM永磁直線同步電機控制仿真與應用

呂 飛，王 冕，吉 哲

（海軍士官學校機電系，安徽蚌埠 233012）

直線電機能直線運動，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設計是直線電機快速準確高效控制的關鍵。文章分析了永磁直線同步電機（PMLSM）的數學模型耦合特點，得到PMLSM仿真模型，并進行PMLSM空間矢量脈寬調制（SVPWM）的仿真分析。仿真結果表明SVPWM控制的有效性。設計了一種基于DSP的永磁直線同步電機SVPWM定位控制系統，試驗結果表明所設計的直線電機定位系統控制性能良好。

永磁直線同步電機 空間矢量脈寬調制 伺服系統 數字信號處理器

0 引言

直線電動機(Linear Motor)是將旋轉電機的定子和轉子以及氣隙展開成直線狀，使電能直接轉換成直線機械運動的一種推力裝置的總稱[1]。永磁直線同步電機將具有三相繞組的初級做成定子，次級的永磁體作為動子，借助于支撐系統，動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機[2-4]。本文從永磁直線同步電機（PMLSM）的數學模型入手，簡化得到PMLSM仿真模型，進行PMLSM空間矢量脈寬調制（SVPWM）控制策略的仿真分析，設計并實現一種基于DSP的永磁直線同步電機SVPWM定位控制系統，仿真分析及試驗結果表明SVPWM能控制永磁直線同步電機以及所設計的基于DSP直線電機定位系統性能良好。

1 數學與仿真模型

1.1 數學模型

圖1表示永磁同步直線電動機的結構模型，圖中d、q為永磁磁場的軸線，a、b、c為三相繞組的軸線，x為動子的位置。

圖1 PMLSM模型

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

1.2 仿真模型

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

根據假設，對于直線電機，==L，()=()=0，則由式(1)、式(2)、式(3)可建立永磁直線同步電機的d-q軸模型。

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

圖2 PMLSM仿真框圖

2 SVPWM仿真及分析

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

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

圖3 永磁直線同步電機SVPWM控制框圖

運用SVPWM的算法[8]，利用MATLAB編程語言，判斷電機運行時，任意空間電壓矢量的區間編號，并計算扇區內工作電壓矢量的分配時間1和2，從而確定可控電力電子器件的對應關斷狀態,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控制動子位置曲線

圖5可見永磁直線同步電機動子能良好跟蹤給定位置（200 mm），時間約為0.08 s。仿真結果表明，SVPWM可用于永磁直線同步電機位置伺服控制。

3 SVPWM系統應用

3.1 系統硬件

以永磁直線同步電機伺服控制為對象，其基于數字信號處理器（DSP）的SVPWM控制系統的硬件結構框圖[9]，如圖6所示。

圖6 直線電機SVPWM應用系統硬件結構

系統硬件由以TMS320F240為核心的系統板、位置檢測環節、電流檢測環節、整流橋、IR2130芯片柵極驅動環節以及場效應晶體管IRF830組成的主電路等構成[10]。

系統的所有控制調節全部由DSP控制器用軟件完成，輸出空間矢量脈寬調制控制信號（SVPWM）到IR2130柵極驅動器中，觸發IRF830。

3.2 系統軟件

軟件系統分為兩個部分：初始化程序和SVPWM中斷模塊。初始化模塊設置DSP時鐘、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定向控制策略，流程圖見圖7。

圖7 定時器T1中斷控制子程序

3.3 系統試驗

如圖8（a）所示，速度線中的恒速段波動小，速度平穩，推力波動小；如圖8（b）所示，控制系統延時0.3 s左右響應動作，動子0.82 s運行到給定位置300 mm，并穩定停止。實驗表明，SVPWM可能控制永磁直線同步電機達到良好控制指標。

圖8 SVPWM應用系統動子實驗曲線

4 結論

由于存在端部效應，三相繞組不對稱，永磁直線同步電機磁鏈方程、電壓方程和電磁推力方程較旋轉永磁同步電動機復雜得多，其數學模型存在較強耦合，可以通過簡化可得到PMLSM仿真模型，利用MATLAB仿真軟件Simulink建立永磁直線同步電機的仿真模型與SVPWM控制仿真系統，并進行仿真控制分析，進而基于DSP設計實現SVPWM控制系統的硬件、軟件，進行永磁直線同步電機動子位置定位控制實驗。

仿真及實驗結果表明，SVPWM能有效控制永磁直線同步電機，動子能準確地跟蹤給定位置，控制系統響應速度快，動子運行快速且平穩。本文以SVPWM控制的有效性驗證為重點，直線電機控制策略的優化有待進一步分析研究。

[1] 葉云岳. 直線電機技術手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 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. 國內外直線電機的應用與趨勢研究[M]. 北京: 中國紡織出版社, 2018.

[4] 張宏偉. 永磁直線同步電機直驅電梯運行控制[M]. 北京: 機中國礦業大學出版社, 2018.

[5] 焦留成. 永磁直線同步電動機特性及控制[M]. 北京: 科學出版社, 2014.

[6] 苑國鋒, 陳棟, 鄭春雨. 電力機車牽引傳動系統的多模式調制策略及切換方法研究[J]. 電機與控制學報, 2021, 25(01): 126-135.

[7] 郭語, 鞠全勇. 永磁同步電機的等效SVPWM調制方法研究[J]. 機械設計與制造工程, 2020, 49(12): 109-112.

[8] 單寶鈺, 尹國龍, 高宏洋, 劉金晶. 基于鎖相環改進SVPWM同步調制技術的研究[J]. 微特電機, 2021, 49(09): 33-38.

[9] 趙希梅. 交流永磁電機進給驅動伺服系統[M]. 北京: 清華大學出版社, 2017.

[10] 馬駿杰. 現代交流電機的控制原理及DSP實現[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 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。E-mail: lf19828050@163.com