永磁直線同步電動機直接推力控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

趙曉娟，葉永衛(wèi)

永磁直線同步電動機直接推力控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

趙曉娟，葉永衛(wèi)

目的：對永磁直線同步電動機（permanent magnet linear synchronous motor，PMLSM）的傳統(tǒng)直接推力控制（direct thrust control，DTC）系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，以提高其抗干擾性和穩(wěn)定性。方法：采用空間矢量脈沖寬度調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM）技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)DTC系統(tǒng)中的開關(guān)狀態(tài)選擇表，并在其中引入“預(yù)測”的思想，對電壓空間矢量進行細分優(yōu)化，并對定子磁鏈和推力進行誤差補償。將該方法應(yīng)用于實驗室電動機，首先在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建控制系統(tǒng)各重要部分的仿真模型，進行仿真實驗，然后搭建優(yōu)化改進后整個控制系統(tǒng)的仿真模型，最后將仿真實驗結(jié)果與傳統(tǒng)直接推力控制系統(tǒng)仿真結(jié)果進行比較。結(jié)果：從仿真圖形上可看出，優(yōu)化后系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度基本不變，但其抗干擾性提高，穩(wěn)定性更好。結(jié)論：該方法可應(yīng)用于電梯、自動感應(yīng)門、電動護理床等要求直線運動的場合，使此類直線電動機控制系統(tǒng)的設(shè)計更加理想。

直線電動機；直接推力控制的優(yōu)化；空間矢量調(diào)制技術(shù)；預(yù)測思想；仿真模型

0 引言

在機場物流運輸線、自動感應(yīng)門、磁懸浮列車、電梯、計算機磁盤定位系統(tǒng)、離子加速器等做直線運動的場合若采用旋轉(zhuǎn)電動機進行拖動，效率較低，如果在上述場合中采用直線電動機直接拖動，可省掉中間傳動機構(gòu)，使整個系統(tǒng)效率大大提高。在醫(yī)療器械方面，直線電動機還可應(yīng)用于電動護理床、電動牽引架、電動手術(shù)臺、X線檢查床等器械中，以此改變了該類器械的提升高度和角度調(diào)整范圍。本文所用到的直線電動機是永磁直線同步電動機（permanent magnet linear synchronous motor，PMLSM），直線電動機的初級與旋轉(zhuǎn)電動機的定子部分對應(yīng)，次級與旋轉(zhuǎn)電動機的轉(zhuǎn)子部分對應(yīng)，永磁直線同步電動機的次級不是電勵磁，而采用永磁體直接勵磁，這樣不僅簡化了電動機結(jié)構(gòu)，而且使其運行更可靠、效率更高。

目前，對PMLSM的控制面臨著一些難題，之前實驗室采用過的控制方式有變壓變頻控制、矢量控制和直接推力控制3種。這3種控制方式均有優(yōu)點和缺點，在此不再一一贅述，本文主要針對PMLSM的傳統(tǒng)直接推力控制（direct thrust control，DTC）系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，為得到連續(xù)的電壓空間矢量，本系統(tǒng)采用空間矢量脈沖寬度調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM）技術(shù)，并將“預(yù)測”的思想引入其中，最后通過搭建仿真模型，并進行仿真實驗、對比仿真結(jié)果來說明優(yōu)化后的控制系統(tǒng)抗干擾性更強，精度更高，穩(wěn)定性能更好，為實際的SVPWM直接推力控制系統(tǒng)研究奠定基礎(chǔ)[1-3]。

1 空間矢量調(diào)制技術(shù)

把直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用在直線電動機上即稱為直接推力控制，由于傳統(tǒng)的直接推力控制所提供的電壓矢量切換是步進式的，不能完全補償定子磁鏈和推力的誤差，尤其是低速時脈動更大，無法達到預(yù)期控制效果。為此，本文采用了SVPWM技術(shù)，將電壓矢量進行了細分優(yōu)化，把原來的步進式的電壓控制變?yōu)檫B續(xù)式的電壓控制，在一定程度上抑制了誤差帶來的脈動，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

SVPWM技術(shù)仍采用逆變器獲得6個非零電壓矢量和2個零矢量，共8種開關(guān)狀態(tài)，通過這8種基本電壓矢量的線性組合，可以得到所需要的任意電壓矢量，提供給定子繞組，使定子磁鏈保持近似恒定?？臻g矢量調(diào)制技術(shù)包含下述3個內(nèi)容：判斷所需參考電壓矢量Usref的扇區(qū)，估算相鄰電壓矢量的作用時間，最后是脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號的生成[4-5]。

1.1 扇區(qū)判斷

扇區(qū)判斷一般用如下的四則運算法則:

先定義中間變量

式（1）中，usα為參考電壓矢量Usref在α坐標上的分量；usβ為參考電壓矢量Usref在β坐標上的分量。

假設(shè)i=A、B、C，當i＞0時，sign（i）=1；當i＜0時，sign（i）=0。根據(jù)式（1）得出N的值，由表1得到所需要的參考電壓矢量Usref的扇區(qū)編號。

表1 N與扇區(qū)的對應(yīng)關(guān)系

1.2 相鄰電壓矢量作用時間的計算

假設(shè)Ts為一個控制周期，t4、t6分別為基本電壓矢量U4、U6在Ts內(nèi)的作用時間，可以得到合成矢量：

按照逆變器的不同開關(guān)組合可得到以下的電壓矢量：

聯(lián)立（1）、（2）并求解得：

控制周期的長短由行波磁場所需的頻率來決定，而并不是所有情況下Ts都等于t4+t6。如果二者不相等，必須用零矢量或者來填補剩余的時間。另外，為了減小功率器件的開關(guān)次數(shù)、降低其能量損耗，每次切換時，最好只切換一個開關(guān)器件，因此：t7=這樣系統(tǒng)所需要的任意大小和方向的參考電壓矢量均可由8種基本電壓矢量進行各種線性組合而得到。

1.3 PWM信號的合成

本文中SVPWM調(diào)制模式采用7段式的連續(xù)開關(guān)模式，如圖1所示。為方便理解，以第Ⅰ扇區(qū)PWM波形的生成來說明，圖中Tcm1、Tcm2、Tcm3分別為各電壓矢量的切換點。在一個Ts內(nèi)，每個功率管各開斷一次，且每個周期都是以零矢量開始，并以零矢量結(jié)束，零電壓矢量的選擇也依據(jù)“開關(guān)切換次數(shù)最少”的原則。

圖1PWM信號生成圖

2 基于預(yù)測的空間電壓矢量調(diào)制的直接推力控制（direct thrust control of induction motor using space vector modulation，SVM-DTC）系統(tǒng)

上面已經(jīng)對傳統(tǒng)直接推力控制系統(tǒng)進行了改進，引入SVPWM技術(shù)，將原來步進式的電壓矢量變?yōu)檫B續(xù)式的，本小節(jié)對改進后的系統(tǒng)再進行優(yōu)化設(shè)計，引入“預(yù)測”的思想，即對定子磁鏈的誤差進行事先觀測，爭取在下一周期到來時將定子磁鏈和推力的誤差減至最小。

通過分析空間矢量坐標系可知，定子磁鏈位置角的變化量Δθs與功角變化量Δδ及定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度ω 2部分有關(guān)，用公式表示為

由推力表達式可知，推力Fem的大小與sin δ成正比，故可設(shè)計一個比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)器（proportional integral controller，PIC），把ΔFem作為輸入，功角變化量Δδ作為輸出。當電動機運行在穩(wěn)定狀態(tài)時，Δδ= 0，此時Δθs=ωsTs；當電動機運行在暫態(tài)時，由于Δδ突變，Δθs=Δδ+ωTs。為了保證定、轉(zhuǎn)子磁鏈能夠同步運行，這里采用了PI調(diào)節(jié)器，利用其積分作用來實現(xiàn)。

通過計算得到定子磁鏈的當前值ψs（k），功角變化量Δθs由式（5）得出，因此可求得下一時刻的磁鏈ψs（k+1），其在α-β坐標系下的分解式為

再將ψs（k+1）與ψs（k）作差，得到定子磁鏈參考值ψsref，其表達式為

上面求得的定子磁鏈參考值需要由一個電壓矢量參考值來補償，根據(jù)模型計算，并忽略定子電阻壓降，可以得到電壓參考值為

通過預(yù)測下一時刻的定子磁鏈值得到的參考電壓矢量Usref可用于補償磁鏈和電磁推力的誤差，在一定程度上減小二者的脈動，使控制效果更加理想。

優(yōu)化改進后的控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，其工作過程如下：逆變器輸出的三相定子電流ia、ib、ic和電壓ua、ub、uc首先經(jīng)過Clark變換成為α-β坐標系下的對應(yīng)量，經(jīng)過磁鏈模型計算得到ψα、ψβ及θs磁鏈相位角，再將磁鏈ψα、ψβ送入電磁推力模型與上一環(huán)節(jié)得到的iα、iβ進行計算得到推力實際值Fem，與給定值Fem*進行比較，將差值ΔFem送入PI調(diào)節(jié)器，利用PI調(diào)節(jié)器的積分作用，得到定子磁鏈的功角變化量Δθs，與磁鏈給定值一起送入磁鏈預(yù)算環(huán)節(jié)進行計算，得到下一時刻定子磁鏈的期望值ψs（k+1），該期望值與當前值ψs（k）進行比較，求得定子磁鏈的參考值ψsref，通過u-i模型計算得到電壓參考矢量Usref，最后經(jīng)SVPWM調(diào)制環(huán)節(jié)，把開關(guān)信號Sabc輸出給逆變器，控制對應(yīng)開關(guān)器件的切換，產(chǎn)生所需要的電壓矢量以控制電動機運行[6-8]。

圖2 基于預(yù)測的SVM-DTFC控制系統(tǒng)的原理框圖

3 控制系統(tǒng)仿真

3.1SVPWM模塊仿真

通過對空間矢量調(diào)制技術(shù)的3個步驟分別搭建仿真模型，可以得到如圖3所示的SVPWM整體仿真模塊，該模塊以直流電壓UDC、系統(tǒng)采樣周期Ts以及參考電壓矢量分量uα、uβ4項為輸入?yún)?shù)，以三相電壓Uabc為輸出參數(shù)。

圖3SVPWM仿真模塊

3.2 基于預(yù)測的SVM-DTC系統(tǒng)的建模

圖4 基于預(yù)測的SVM-DTC系統(tǒng)仿真模型

圖4為搭建好的基于預(yù)測的永磁直線同步電動機SVM-DTC控制系統(tǒng)仿真模型，各模塊所表示的含義如下：flux yuce為磁鏈預(yù)測模塊，SVPWM為空間矢量調(diào)制模塊，VPMLSM為逆變器與電動機模塊，flux&Fem為磁鏈和推力計算模塊[9-10]。

4 仿真結(jié)果分析

對上節(jié)建立的永磁直線同步電動機基于預(yù)測的SVM-DTC整體控制系統(tǒng)進行仿真實驗，所用到的永磁直線同步電動機為實驗室樣機，其重要參數(shù)如下：Rs=1.8 Ω，Ls=2.7 mH，ψf=0.28 Wb，τ=45 mm，m=10 kg，Bv=0 N·m/s，該直線電動機為8極電動機，在仿真過程中給定速度V*=0.45 m/s，磁鏈給定值為ψs*= 0.28 Wb，且電動機以100N的負載啟動，在1s時負載突變到300N。比較優(yōu)化后系統(tǒng)的仿真結(jié)果與傳統(tǒng)直接推力控制的仿真結(jié)果如圖5～8所示。

圖5 定子磁鏈軌跡

圖6 磁鏈幅值波形

圖7 電磁推力波形

圖8 速度波形

從上面的仿真結(jié)果對比可以看出，優(yōu)化改進后永磁直線電動機直接推力控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度并沒有減小，但由于系統(tǒng)引入空間矢量調(diào)制技術(shù)對電壓空間矢量進行了細分優(yōu)化，引入“預(yù)測”思想進行了磁鏈和推力的誤差補償，使定子磁鏈的運動軌跡更加光滑，很大程度上減小了磁鏈幅值和推力的脈動，并且在1 s負載突變時仍能保持速度幾乎不變。

5 結(jié)語

通過對永磁直線同步電動機的直接推力控制進行優(yōu)化設(shè)計，并在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)的仿真模型，分析仿真結(jié)果可知，優(yōu)化后的系統(tǒng)明顯改善了原控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能以及抗干擾性，同時也顯著提高了其隨動性，為實際控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了很好的參考。優(yōu)化后的系統(tǒng)可應(yīng)用于電梯、自動感應(yīng)門、電動護理床等要求直線運動的場合，提高此類控制系統(tǒng)的控制效果。

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（收稿：2014-12-08 修回：2015-03-17）

《醫(yī)療衛(wèi)生裝備》雜志“質(zhì)控與安全”欄目征稿

為了更加安全地使用醫(yī)療設(shè)備，保障醫(yī)院醫(yī)療診斷治療的安全，本刊“質(zhì)控與安全”欄目面向全國讀作者征稿。該欄目主要是介紹醫(yī)療設(shè)備計量和質(zhì)量控制工作的現(xiàn)狀，探討醫(yī)療設(shè)備使用中的安全問題，研究醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量控制的檢測方法。論文格式參照本刊稿約，請保證文章版權(quán)的獨立性，嚴禁抄襲，文責自負，請勿一稿多投。歡迎向該欄目投稿，優(yōu)秀稿件的出版周期將大大縮短。

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Optimization design of direct thrust control system of permanent magnet linear synchronous motor

ZHAO Xiao-juan,YE Yong-wei
(Shanxi Conservancy Technical College,Yuncheng 044000,Shanxi Province,China)

ObjectiveTo improve the anti-interference performance and stability of the direct thrust control(DTC)system of the permanent magnet linear synchronous motor(PMLSM).MethodsThe switch state selection table of traditional DTC system was replaced by space vector pulse width modulation (SVPWM),and the"prediction"thinking was introduced.The voltage space vector was subdivided and optimized,and the errors of stator flux linkage and thrust were compensated.The method was applied to the laboratory motor.At first,the simulation models for the important parts of the control system were built under Matlab/Simulink environment,and simulation experiments were carried out.Then the simulation model of the improved control system was established.Finally,the simulation results are compared with the those of the traditional DTC system.ResultsIt's proved that the system gained high anti-interference performance and stability with the dynamic re sponse speed kept constant.ConclusionThe method proposed can be used for the optimization of DTC system of the conditions with linear motion,including elevator,auto door,electric nursing bed and etc.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（8）：15-18]

linear motor;optimization of direct thrust control;space vector pulse width modulation technique;thinking of prediction;simulation model

R318；TM359.4

A

1003-8868（2015）08-0015-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.08.015

趙曉娟（1985—），女，助教，主要從事直線電動機控制方面的研究工作，E-mail：xiaojuan308@163.com。

044000山西運城，山西水利職業(yè)技術(shù)學院（趙曉娟，葉永衛(wèi)）