基于SVPWM永磁直线同步电机控制仿真与应用

2022-08-12吕飞，王冕，吉哲

船电技术 2022年4期

关键词：动子框图同步电机

吕飞，王冕，吉哲

应用研究

基于SVPWM永磁直线同步电机控制仿真与应用

吕飞，王冕，吉哲

（海军士官学校机电系，安徽蚌埠 233012）

直线电机能直线运动，以获得单向或双向的有限可控位移。合理的控制策略与系统设计是直线电机快速准确高效控制的关键。文章分析了永磁直线同步电机（PMLSM）的数学模型耦合特点，得到PMLSM仿真模型，并进行PMLSM空间矢量脉宽调制（SVPWM）的仿真分析。仿真结果表明SVPWM控制的有效性。设计了一种基于DSP的永磁直线同步电机SVPWM定位控制系统，试验结果表明所设计的直线电机定位系统控制性能良好。

永磁直线同步电机空间矢量脉宽调制伺服系统数字信号处理器

0 引言

直线电动机(Linear Motor)是将旋转电机的定子和转子以及气隙展开成直线状，使电能直接转换成直线机械运动的一种推力装置的总称[1]。永磁直线同步电机将具有三相绕组的初级做成定子，次级的永磁体作为动子，借助于支撑系统，动子和静子之间保持恒定的气隙，主要用于推力或位置控制的平板形直线电动机[2-4]。本文从永磁直线同步电机（PMLSM）的数学模型入手，简化得到PMLSM仿真模型，进行PMLSM空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制策略的仿真分析，设计并实现一种基于DSP的永磁直线同步电机SVPWM定位控制系统，仿真分析及试验结果表明SVPWM能控制永磁直线同步电机以及所设计的基于DSP直线电机定位系统性能良好。

1 数学与仿真模型

1.1 数学模型

图1表示永磁同步直线电动机的结构模型，图中d、q为永磁磁场的轴线，a、b、c为三相绕组的轴线，x为动子的位置。

图1 PMLSM模型

在建立永磁直线同步电机的数学模型时，考虑直线电机的磁场谐波和端部效应[5]，可得直线电机的电压方程式(1)、磁链方程式(2)和电磁推力方程式(3)。

1.2 仿真模型

为简化仿真做如下假设：1）不考虑磁路饱和，不计各种损耗。2）气隙中的磁场在空间上按正弦分布。

根据假设，对于直线电机，==L，()=()=0，则由式(1)、式(2)、式(3)可建立永磁直线同步电机的d-q轴模型。

根据式（4）、式（5），使用Simulink[9]建立永磁直线同步电机仿真框图，如图2所示。

图2 PMLSM仿真框图

2 SVPWM仿真及分析

空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)同时控制三相电流的状态，以逼近电机气隙的理想磁场轨迹为目的，能够提高功率因数，降低损耗[6, 7]。

基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)位置伺服控制永磁直线同步电机的仿真框图如3所示。

图3 永磁直线同步电机SVPWM控制框图

运用SVPWM的算法[8]，利用MATLAB编程语言，判断电机运行时，任意空间电压矢量的区间编号，并计算扇区内工作电压矢量的分配时间1和2，从而确定可控电力电子器件的对应关断状态,可得到每相的SVPWM波形，仿真框图如图4所示。

图4 SVPWM波形仿真图

图5 SVPWM控制动子位置曲线

图5可见永磁直线同步电机动子能良好跟踪给定位置（200 mm），时间约为0.08 s。仿真结果表明，SVPWM可用于永磁直线同步电机位置伺服控制。

3 SVPWM系统应用

3.1 系统硬件

以永磁直线同步电机伺服控制为对象，其基于数字信号处理器（DSP）的SVPWM控制系统的硬件结构框图[9]，如图6所示。

图6 直线电机SVPWM应用系统硬件结构

系统硬件由以TMS320F240为核心的系统板、位置检测环节、电流检测环节、整流桥、IR2130芯片栅极驱动环节以及场效应晶体管IRF830组成的主电路等构成[10]。

系统的所有控制调节全部由DSP控制器用软件完成，输出空间矢量脉宽调制控制信号（SVPWM）到IR2130栅极驱动器中，触发IRF830。

3.2 系统软件

软件系统分为两个部分：初始化程序和SVPWM中断模块。初始化模块设置DSP时钟、I/O接口、事件管理器、定义变量和常量、中断源的选择和使能等。中断模块则完成空间磁场定向控制策略，流程图见图7。

图7 定时器T1中断控制子程序

3.3 系统试验

如图8（a）所示，速度线中的恒速段波动小，速度平稳，推力波动小；如图8（b）所示，控制系统延时0.3 s左右响应动作，动子0.82 s运行到给定位置300 mm，并稳定停止。实验表明，SVPWM可能控制永磁直线同步电机达到良好控制指标。

图8 SVPWM应用系统动子实验曲线

4 结论

由于存在端部效应，三相绕组不对称，永磁直线同步电机磁链方程、电压方程和电磁推力方程较旋转永磁同步电动机复杂得多，其数学模型存在较强耦合，可以通过简化可得到PMLSM仿真模型，利用MATLAB仿真软件Simulink建立永磁直线同步电机的仿真模型与SVPWM控制仿真系统，并进行仿真控制分析，进而基于DSP设计实现SVPWM控制系统的硬件、软件，进行永磁直线同步电机动子位置定位控制实验。

仿真及实验结果表明，SVPWM能有效控制永磁直线同步电机，动子能准确地跟踪给定位置，控制系统响应速度快，动子运行快速且平稳。本文以SVPWM控制的有效性验证为重点，直线电机控制策略的优化有待进一步分析研究。

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[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.

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[10] 马骏杰. 现代交流电机的控制原理及DSP实现[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 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)

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