基于SVPWM的初級永磁型直線電機(jī)直接推力控制系統(tǒng)

陳敬燦 汪旭東 許孝卓

摘要：針對初級永磁型直線電機(jī)（PPMLM）控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的直接推力控制，雖然結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，但存在推力波動較大的缺陷，為進(jìn)一步提高其系統(tǒng)穩(wěn)定性，克服傳統(tǒng)直接推力控制的弱點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的初級永磁型直線電機(jī)直接推力控制系統(tǒng)。通過MATLAB/Simulink仿真表明，采用基于SVPWM的直接推力控制不僅能夠使系統(tǒng)更加穩(wěn)定地工作，縮短系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時間，而且對初級永磁型直線電機(jī)的推力和磁鏈波動具有較為明顯的抑制效果。

關(guān)鍵詞：SVPWM；初級永磁型直線電機(jī)；直接推力控制

DOIDOI：10.11907/rjdk.172193

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）003015903

英文摘要Abstract：For the control system of the primary permanent magnet linear motor（PPMLM）， the traditional direct thrust control is used. Although the structure is simple and easy to realize， there is a large flaw in the thrust fluctuation. In order to further improve the stability of the system and overcome the weakness of the traditional direct thrust control， a direct thrust control system of the primary permanent magnet type linear motor based on the space vector pulse width modulation （SVPWM） is designed. Simulation of MATLAB/Simulink shows that the direct thrust control based on SVPWM makes the system work more stably， which not only improves the dynamic response time of the system， but also has the obvious effect on the thrust fluctuation of the primary permanent magnet linear motor.

英文關(guān)鍵詞Key Words：SVPWM； PPMLM； direct thrust control

0引言

初級永磁型直線電機(jī)是一種新型永磁直線電機(jī)，該類電機(jī)將價格昂貴的永磁體和電樞繞組放置在短初級動子上，而長次級僅由導(dǎo)磁材料構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單。因此，相對于傳統(tǒng)永磁同步直線電機(jī)造價高、不易維護(hù)等缺點(diǎn)，該電機(jī)不僅成本低、可靠性高，而且具有高效率、大推力等優(yōu)點(diǎn)，可適用于軌道交通、礦井提升、直驅(qū)電梯等長距離直驅(qū)運(yùn)輸系統(tǒng)，具有巨大的工程應(yīng)用價值[1]。

目前，大部分學(xué)者以直線電機(jī)為控制對象，采用矢量控制，通過對電樞磁場與永磁磁場的分析與解耦，分別控制產(chǎn)生磁場的勵磁電流和推力電流，進(jìn)而控制電機(jī)推力，但矢量控制受動子參數(shù)影響，速度和推力的動態(tài)性能不夠理想[24]。而直接推力控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等間接控制推力，而是將推力直接作為被控量進(jìn)行控制，可以獲得快速的動態(tài)響應(yīng)。但是由于定子電流不穩(wěn)定，存在推力和磁鏈波動較大的缺陷，不能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[56]。

因此，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)直接推力控制的缺陷，本文將直接推力控制與SVPWM相結(jié)合，建立基于SVPWM的PPMLM直接推力控制系統(tǒng)仿真模型，并對其動態(tài)響應(yīng)與加入干擾時的性能進(jìn)行分析。仿真實(shí)驗(yàn)證明該控制系統(tǒng)輸出的推力和磁鏈波動較小，動態(tài)響應(yīng)快，能夠達(dá)到較為理想的效果。

1初級永磁型直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型建立

為簡化分析，便于建立dq坐標(biāo)系下電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，作出以下假設(shè)：①忽略電動機(jī)鐵心的飽和與漏磁通的影響；②不計(jì)電動機(jī)中的渦流和磁滯損耗；③電機(jī)電流為對稱的三相正弦波電流，且動子磁鏈在氣隙中呈正弦波分布。

ABC三相定子坐標(biāo)系與dq軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系如圖1所示，ABC三相定子繞組空間排布依次相差120°，dq坐標(biāo)系是隨定子磁場同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，其中d軸方向是初級永磁型直線電機(jī)動子勵磁磁鏈方向，q軸超前d軸90°，動子位置角θ=360x/τs為d軸與A軸之間的夾角。

初級永磁型直線電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

PPMLM電機(jī)通電后，在dq坐標(biāo)系下的合成磁鏈方程為：

ψd=ψmd+Ldid+Ldqiq

ψq=Lqiq+Ldqid（1）

其中，ψd、ψq分別為d、q軸的總磁鏈，ψmd為d軸永磁磁鏈（q軸無永磁磁鏈），Ld、Lq為dq軸電感，Ldq為dq軸互感。

進(jìn)而，可得dq坐標(biāo)系下電壓方程為：

ud=Rid-ωψq+dψddt

uq=Riq+ωψd+dψqdt（2）

其中，ud、uq和id、iq分別為dq軸的電壓和電流，R為動子繞組，ω為電角速度，ψq、ψd為dq軸磁鏈。

電磁推力方程表達(dá)式為：

Fe=3πτsψmdiq+idiq（Ld-Lq）（3）

其中，F(xiàn)e是PPMLM的電磁推力，τs為定子極距。

機(jī)械運(yùn)動方程為：

Fe-FL=Mdvdt+Bv（4）

其中，F(xiàn)L為負(fù)載推力，M為電機(jī)動子質(zhì)量，v=dxdt為動子速度（x為電機(jī)初級水平位移），B為粘滯系數(shù)。

2基于SVPWM的直接推力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于SVPWM的PPMLM直接推力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。其速度反饋、PI調(diào)節(jié)器、磁鏈和推力控制、逆變器、電機(jī)模型各環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)直接推力控制相比，不同之處是在磁鏈和推力控制的基礎(chǔ)上引入了SVPWM控制技術(shù)。

該系統(tǒng)外環(huán)采用速度閉環(huán)的方式，通過檢測PPMLM動子的速度，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到推力F*，內(nèi)環(huán)采用推力和磁鏈雙閉環(huán)的方式，相電流和相電壓經(jīng)Clarke變換和計(jì)算得到推力F，經(jīng)磁鏈觀測和計(jì)算得到磁鏈ψ并與給定磁鏈值比較，然后綜合推力誤差值與磁鏈誤差值產(chǎn)生參考電壓矢量，再經(jīng)SVPWM模塊生成觸發(fā)脈沖，從而進(jìn)一步控制逆變器開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)磁鏈偏差的精確補(bǔ)償和電壓矢量的連續(xù)可調(diào)。

直接推力控制的基本原則是以推力為中心進(jìn)行綜合控制，不僅控制推力，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。其實(shí)質(zhì)是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和電磁推力進(jìn)行直接控制。系統(tǒng)中，推力和磁鏈觀測是電機(jī)的相電壓和相電流經(jīng)Clark變換后在αβ坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)的[7]。

在αβ靜止坐標(biāo)系下的電壓分量為：

uα=Riα+piαL-ωψαβsinθe

uβ=Riβ+piβL-ωψαβcosθe（5）

式中p為微分算子，電角速度ω=vπ/τ，動子電角度θe=∫ωedt+θ0（θ0為初始電角度）。

因此，電磁推力為：

F=32πτ（ωαiβ-λβiα）（6）

αβ坐標(biāo)系下的動子磁鏈分量為：

ψα=uα-Riα

ψβ=uβ-Riβ（7）

以上推力和磁鏈控制器輸出均為αβ軸上任意方向的參考電壓矢量，因此，參考電壓信號（uα、uβ）需要通過電壓矢量作用時間和矢量切換點(diǎn)計(jì)算并產(chǎn)生SVPWM控制信號[8]。SVPWM控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

SVPWM選擇單一周期內(nèi)的相鄰非零電壓矢量和零電壓矢量，并計(jì)算每個矢量的作用時間，從而合成所需的電壓矢量，實(shí)現(xiàn)對磁鏈和推力的控制[9]。

在任意給定時刻，定子電壓矢量都會位于6個基本電壓矢量扇區(qū)。定義電壓矢量作用時間變量為X、Y、Z，則：

X=3Tudcuβ

Y=32uαudcT+32uβT

Z=-32uαudcT+32uβT（8）

利用相同計(jì)算方法可得到任意初級電壓矢量處于不同扇區(qū)時的基本電壓空間矢量作用時間，表1為不同電壓空間矢量作用時間。

3仿真與分析

運(yùn)用MATLAB/Simlinik仿真軟件，建立基于SVPWM的初級永磁型直線電機(jī)直接推力控制系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行仿真分析和研究，驗(yàn)證該控制策略對初級永磁型直線電機(jī)的控制效果。

控制系統(tǒng)以學(xué)院設(shè)計(jì)的一臺初級永磁型直線電機(jī)為研究對象，其主要參數(shù)為：動子質(zhì)量14.3kg，峰值推力3 280N，持續(xù)推力1 800N，電樞繞組R=0.96Ω，給定定子磁鏈ψ*=0.24Wb，電感L=0.003mH，粘滯摩擦系數(shù)B=0.2N·s/m，極對數(shù)P=3，定子極距τs=52mm。

仿真系統(tǒng)給定負(fù)載1 000N，以1m/s恒速啟動，當(dāng)達(dá)到0.25s時，負(fù)載推力由1 000N增加至1 800N，速度響應(yīng)和推力響應(yīng)仿真曲線如圖4、圖5所示。在突變負(fù)載的情況下，速度短暫波動0.03s內(nèi)回歸穩(wěn)定值，推力短暫波動0.02s內(nèi)達(dá)到負(fù)載值1 800N并趨于穩(wěn)定。由此看出，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)較快，工作較為穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。

為驗(yàn)證基于SVPWM的PPMLM直接推力控制系統(tǒng)對推力波動的抑制效果，對傳統(tǒng)的直接推力控制系統(tǒng)也進(jìn)行仿真。當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加至1 800N并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，采用兩種控制策略得到的推力波形局部放大如圖6、圖7所示。

通過結(jié)果對比看出，基于SVPWM的直接推力控制系統(tǒng)對推力波動的抑制較為明顯，運(yùn)行更平穩(wěn)，最大推力波動為±11N，而傳統(tǒng)直接推力控制最大推力波動為±20N，相比減小了（20-11）/100=9%。輸出波形可以看出，系統(tǒng)引入SVPWM后對磁鏈波動抑制效果較為明顯，證明了該控制策略的可行性。

4結(jié)語

本文將基于SVPWM的直接推力控制策略應(yīng)用于初級永磁型直線電機(jī)控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，動態(tài)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)抗干擾能力得到增強(qiáng)。相比于傳統(tǒng)的直接推力控制系統(tǒng)，其對系統(tǒng)推力和磁鏈波動的抑制取得了較好效果。因此，對今后的進(jìn)一步研究具有重要的指導(dǎo)意義。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：黃健）