在矢量控制中定子電流的控制模式是多種多樣的，且電流控制模式和轉(zhuǎn)子的幾何結(jié)構(gòu)影響著永磁同步電機(jī)的性能和變換器的容量。本文采用常見的直軸電流id=0模式，該控制方式突出的優(yōu)點(diǎn)是沒有電機(jī)直軸電樞反應(yīng)，不會引起永磁體的去磁現(xiàn)象，且可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)每安培最大推力控制，只要控制好定子電流的幅值和相位，就可以得到滿意的推力控制特性。本文所提出的矢量控制原理框圖如圖1所示。

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

　　借助National Instruments公司的LabVIEW 8.6.1、cRIO9074、cRIO9004和9401、9215、9264、9205高速數(shù)、模采集卡軟、硬件平臺，在較短的時(shí)間內(nèi)搭建了一套永磁同步直線電機(jī)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺。該平臺運(yùn)用矢量控制算法，根據(jù)需要可以實(shí)現(xiàn)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)或速度環(huán)和電流環(huán)二環(huán)閉環(huán)控制，電流最高采樣頻率達(dá)到20kS/s(周期50us)，高于科爾摩根直線電機(jī)驅(qū)動器電流采樣率16kS/s(周期62.5us)。系統(tǒng)的位置和速度輸出可以快速無差地跟蹤給定的位置和速度信號，精度達(dá)到幾個(gè)微米級別，可以在線調(diào)節(jié)控制器參數(shù)和直線電機(jī)負(fù)載，仿真結(jié)果與實(shí)際科爾摩根系統(tǒng)類似。該平臺的主要功能模塊有：參數(shù)設(shè)置模塊、直線電機(jī)模型仿真模塊、直線電機(jī)控制器仿真模塊、圖形顯示模塊和數(shù)據(jù)記錄與分析模塊。該平臺的示意圖如圖2所示：

　　參數(shù)設(shè)置模塊： 用來設(shè)置直線電機(jī)參數(shù)、負(fù)載系數(shù)、粘滋磨擦系數(shù)、直流母線電壓、采樣頻率、初始控制器參數(shù)、三角載波頻率與幅值、PWM模塊中的死區(qū)時(shí)間等。其中直線電機(jī)參數(shù)、負(fù)載系數(shù)、粘滋磨擦系數(shù)、直流母線電壓用于直線電機(jī)模型仿真模塊(采樣頻率100kS/s);初始控制器參數(shù)、三角載波頻率與幅值、PWM模塊中的死區(qū)時(shí)間用于直線電機(jī)控制器仿真模塊(采樣頻率20kS/s)。這部分子程序是在cRIO9074、cRIO9004的RT控制器中開發(fā)成功。

　　直線電機(jī)模型仿真模塊：采用直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型和運(yùn)動方程來模擬實(shí)際直線電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，把得到的直線電機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)送到直線電機(jī)控制器仿真模塊。根據(jù)參數(shù)設(shè)置模塊獲得的直線電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行歸一化處理，得到直線電機(jī)歸一化參數(shù)。采集由直線電機(jī)控制器仿真模塊發(fā)來的6路PWM信號(采用高速數(shù)字采集卡9401)，結(jié)合直流母線電壓和當(dāng)前直線電機(jī)相電流正、負(fù)方向信號，計(jì)算出直線電機(jī)三相相電壓，進(jìn)行Clarke-Park變換，得到dq軸電壓。然后根據(jù)歸一化的直線電機(jī)dq軸方程計(jì)算出下一步直線電機(jī)dq軸電流、三相相電流、電磁推力。根據(jù)直線電機(jī)運(yùn)動方程計(jì)算直線電機(jī)的加速度、速度、位移、電角度等信號，通過高速模擬輸出卡9264，把上面計(jì)算出的兩路相電流、速度、位移、電角度共5路信號送到直線電機(jī)控制器仿真模塊。這部分子程序是在cRIO9004(內(nèi)插9401和9264)的FPGA中開發(fā)成功。該模塊的子程序框圖如圖3所示。

　　直線電機(jī)控制器仿真模塊：該模塊包含位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)和速度環(huán)、電流環(huán)二環(huán)閉環(huán)控制兩個(gè)子程序，實(shí)現(xiàn)對模擬的直線電機(jī)進(jìn)行速度或位置的閉環(huán)控制功能。以位置環(huán)閉環(huán)控制為例，來說明該模塊的主要功能。采用9215和9205模擬采集卡采集到直線電機(jī)模型仿真模塊發(fā)來的直線電機(jī)位置、電角速度、兩路直線電機(jī)相電流和速度信號。根據(jù)位置給定信號和采集到的位置反饋信號，求出偏差值送入位置環(huán)PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為速度給定信號。以此類推，經(jīng)過速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器(含d、q軸)得到d、q軸給定電壓信號，通過Clarke-Park逆變換，得到三相相電壓調(diào)制信號。這些信號與三角載波信號進(jìn)行比較，得到包括正、反6路PWM信號(算法考慮了死區(qū)效應(yīng)，防止逆變器上、下橋臂短路)，通過9401高速數(shù)據(jù)采集卡輸出到直線電機(jī)模型仿真模塊，至此整個(gè)直線電機(jī)位置閉環(huán)控制得以實(shí)現(xiàn)。這部分子程序是在cRIO9074(內(nèi)插9401、9205和9215)的FPGA中開發(fā)成功。位置環(huán)子程序程序框圖和前面板圖分別如圖4、5所示。