CN102110010A - 一种永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台，包括连接于以太网上的PC计算机、控制器仿真硬件平台以及仿真器仿真硬件平台，仿真器仿真硬件平台包括连接于以太网上的直线电机仿真器以及与该直线电机仿真器相连的第一高速数字采集卡、高速模拟输出卡；控制器仿真硬件平台包括连接于以太网上的直线电机控制器以及与该直线电机控制器相连的第二高速数字采集卡、第一模拟采集卡、第二模拟采集卡。本发明可以快速无差地跟踪给定的位置和速度信号，精度达到几个微米级别，可以在线调节控制器参数和直线电机负载。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁同步直线电机的仿真平台，尤其涉及一种永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台。
背景技术
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置，具有结构简单、运行可靠、传递效率高、机械损耗小、噪声低和环境适应性好等显著优点，直线电机已经被广泛应用于工业、民用、军事及其它各种直线运动的场合。国外著名的机床公司，如Siemens，Fanuc等在其高端数控机床中无例外地全部使用直线驱动方式，使得加工出产品的精度和加工速度都得到极大提高。永磁同步直线电机由于无需电励磁、推力密度大和效率高等优点将是今后直线电机的发展方向。
与传统旋转电机相比，直线电机由于磁路是开放的，负载与直线电机之间无机械传动装置缓冲，所有扰动都直接加载到电机端，加上直线电机特有的端部效应，一方面给直线电机的控制带来极大的挑战，另一方面在调试与操作过程中稍有不慎极易出现飞车的危险性，造成人身和财产损失。
因此需要搭建一永磁直线同步电机的仿真平台来对其进行仿真和分析，提高它的安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台，可以快速无差地跟踪给定的位置和速度信号，精度达到几个微米级别，可以在线调节控制器参数和直线电机负载，仿真结果与实际科尔摩根***类似。
实现上述目的的技术方案是：一种永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台，其中，包括连接于以太网上的PC计算机、控制器仿真硬件平台以及仿真器仿真硬件平台，其中：
所述的仿真器仿真硬件平台包括连接于所述的以太网上的直线电机仿真器以及与该直线电机仿真器相连的第一高速数字采集卡以及高速模拟输出卡；
所述的控制器仿真硬件平台包括连接于所述的以太网上的直线电机控制器以及与该直线电机控制器相连的第二高速数字采集卡、第一模拟采集卡、第二模拟采集卡；
所述的第二高速数字采集卡输出信号给所述的第一高速数字采集卡；
所述的第一模拟采集卡接收所述的高速模拟输出卡输出的信号；
所述的第二模拟采集卡接收所述的高速模拟输出卡输出的信号。
上述的永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台，其中，
所述的直线电机仿真器包括相连的第一RT控制器和第一FPGA芯片；
所述的直线电机控制器包括相连的第二RT控制器和第二FPGA芯片。
上述的永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台，其中，
所述的第一FPGA芯片包括一直线电机模型仿真模块，采用直线电机数学模型和运动方程来模拟实际直线电机的运行状态，把得到的直线电机各项运行数据通过高速模拟输出卡送到仿真器仿真硬件平台中的第一模拟采集卡和第二模拟采集卡；
所述的第二FPGA芯片包括一直线电机控制器仿真模块，该直线电机控制器仿真模块实现位置环、速度环、电流环三环和速度环、电流环二环闭环控制，对模拟的直线电机进行速度或位置的闭环控制，它通过第一模拟采集卡和第二模拟采集卡接收所述的高速模拟输出卡输出的直线电机各项运行数据，并通过第二高速数字采集卡发出数据给所述的控制器仿真硬件平台中的第一高速数字采集卡；
所述的第一RT控制器包括与所述的直线电机模型仿真模块相连的第一参数设置模块、第一图形显示模块以及第一数据记录与分析模块；
所述的第二RT控制器包括与所述的直线电机控制器仿真模块相连的第二参数设置模块、第二图形显示模块以及第二数据记录与分析模块；
所述的第一参数设置模块设置直线电机参数、负载系数、粘滋磨擦系数、直流母线电压；
所述的第二参数设置模块设置初始控制器参数、三角载波频率与幅值、PWM模块中的死区时间；
所述的第一图形显示模块和第二图形显示模块分别实现第一FPGA芯片与第一RT控制器、第二FPGA芯片与第二RT控制器的数据实时交换，实时动态的显示直线电机的位移、速度、三相相电流、位置角度和PWM波形曲线；
所述的第一、第二数据记录与分析模块存取直线电机的位移、速度、三相相电流、位置角度和PWM波形数据，分析直线电机电流、电压谐波分布。
上述的永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台，其中，所述的直线电机模型仿真模块输出的直线电机各项运行数据包括2路相电流、速度、位移、电角度，其中，2路相电流、位移和电角度数据输入至第一模拟采集卡中，速度数据输入至第二模拟采集卡中。
上述的永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台，其中，所述的直线电机控制器仿真模块将得到的信号进行处理后输出正、反6路PWM信号至所述的第一高速数字采集卡中。
本发明的有益效果是：本发明采用LabView8.6.1和cRIO9074，cRIO9004软、硬件平台，搭建了一套永磁同步直线电机的硬件在环实时仿真平台。该平台运用矢量控制算法，实现位置环、速度环和电流环三环或速度环、电流环二环闭环控制。仿真结果与科尔摩根***类似，证明了其正确性。
附图说明
图1是本发明的永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1，图中示出了本发明的一种永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台，包括连接于以太网1上的PC计算机2、控制器仿真硬件平台4以及仿真器仿真硬件平台3，其中：
仿真器仿真硬件平台3包括连接于以太网1上的直线电机仿真器31以及与该直线电机仿真器31相连的第一高速数字采集卡32以及高速模拟输出卡33；
控制器仿真硬件平台4包括连接于以太网上1的直线电机控制器41以及与该直线电机控制器41相连的第二高速数字采集卡42、第一模拟采集卡43、第二模拟采集卡44；
第二高速数字采集卡输出信号42给第一高速数字采集卡32；
第一模拟采集卡43接收高速模拟输出卡33输出的信号；
第二模拟采集卡44接收高速模拟输出卡33输出的信号。
直线电机仿真器31包括相连的第一RT(实时)控制器311和第一FPGA(现场可编程门阵列)芯片312；直线电机控制器41包括相连的第二RT控制器411和第二FPGA芯片412。
第一FPGA芯片312包括一直线电机模型仿真模块3121，采用直线电机数学模型和运动方程来模拟实际直线电机的运行状态，把得到的直线电机各项运行数据通过高速模拟输出卡33送到仿真器仿真硬件平台4中的第一模拟采集卡4 3和第二模拟采集卡44，该直线电机模型仿真模块3121输出的直线电机各项运行数据包括2路相电流、速度、位移、电角度，其中，2路相电流、位移和电角度数据输入至第一模拟采集卡43中，速度数据输入至第二模拟采集卡44中；
第二FPGA芯片412包括一直线电机控制器仿真模块4121，该直线电机控制器仿真模块4121实现位置环、速度环、电流环三环和速度环、电流环二环闭环控制，对模拟的直线电机进行速度或位置的闭环控制，它通过第一模拟采集卡43和第二模拟采集卡44接收高速模拟输出卡33输出的直线电机各项运行数据，并通过第二高速数字采集卡42发出数据给控制器仿真硬件平台3中的第一高速数字采集卡32，直线电机控制器仿真模块4121将得到的信号进行处理后输出正、反6路PWM信号至第一高速数字采集卡32中；
该直线电机控制器仿真模块4121以位置环闭环控制为例，根据位置给定信号和采集到的位置反馈信号，求出偏差值送入位置环PI调节器(图中未示出)，其输出作为速度给定信号。以此类推，经过速度环PI调节器(图中未示出)、电流环PI调节器(图中未示出)(含d-q轴)得到d-q轴给定电压信号，通过反Clarke-Park变换，得到三相相电压调制信号。这些信号与三角载波信号进行比较，得到包括正、反6路PWM信号，将信号输出到直线电机模型仿真模块3121，至此整个直线电机位置闭环控制得以实现。
第一RT控制器311包括与直线电机模型仿真模块3121相连的第一参数设置模块3111、第一图形显示模块3112以及第一数据记录与分析模块3113；
第二RT控制器411包括与直线电机控制器仿真模块4121相连的第二参数设置模块4111、第二图形显示模块4112以及第二数据记录与分析模块4113；
第一参数设置模块3111设置直线电机参数、负载系数、粘滋磨擦系数、直流母线电压，采样频率100kS/s；
第二参数设置模块4111设置初始控制器参数、三角载波频率与幅值、PWM模块中的死区时间，采样频率20kS/s；
第一图形显示模块3112和第二图形显示模块4112通过FIFO(先进先出)数据缓存器(图中未示出)分别实现第一FPGA芯片31 2与第一RT控制器311、第二FPGA芯片412与第二RT控制器411的数据实时交换，实时动态的显示直线电机的位移、速度、三相相电流、位置角度和PWM波形曲线；
第一、第二数据记录与分析模块3113、4113存取直线电机的位移、速度、三相相电流、位置角度和PWM波形等数据，分析直线电机电流、电压谐波分布，为进一步优化算法提供数据。
本实施例中，直线电机仿真器31采用的型号是cRIO9004，直线电机控制器41采用的型号是cRIO9074，第一高速数字采集卡32和第二高速数字采集卡42采用的型号是9401，高速模拟输出卡33采用型号9264，第一模拟采集卡43采用的型号是9215，第二模拟采集卡44采用的型号是9205。
本发明借助National Instruments公司的LabVIEW 8.6.1，cRIO9074，cRIO9004和9401，9215，9264，9205高速数、模采集卡软、硬件平台，在较短的时间内搭建了一套永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台。该平台运用矢量控制算法，根据需要可以实现位置环、速度环和电流环三环或速度环和电流环二环闭环控制，电流最高采样频率达到20kS/s(周期50us)，高于科尔摩根直线电机驱动器电流采样频率16kS/s(周期62.5us)。***的位置和速度输出可以快速无差地跟踪给定的位置和速度信号，精度达到几个微米级别，可以在线调节控制器参数和直线电机负载，仿真结果与实际科尔摩根***类似。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台，其特征在于，包括连接于
以太网上的PC计算机、控制器仿真硬件平台以及仿真器仿真硬件平台，其中：
所述的仿真器仿真硬件平台包括连接于所述的以太网上的直线电机仿真器以及与该直线电机仿真器相连的第一高速数字采集卡以及高速模拟输出卡；
所述的控制器仿真硬件平台包括连接于所述的以太网上的直线电机控制器以及与该直线电机控制器相连的第二高速数字采集卡、第一模拟采集卡、第二模拟采集卡；
所述的第二高速数字采集卡输出信号给所述的第一高速数字采集卡；
所述的第一模拟采集卡接收所述的高速模拟输出卡输出的信号；
所述的第二模拟采集卡接收所述的高速模拟输出卡输出的信号。
2.根据权利要求1所述的永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台，其特征在于，
所述的直线电机仿真器包括相连的第一RT控制器和第一FPGA芯片；
所述的直线电机控制器包括相连的第二RT控制器和第二FPGA芯片。
3.根据权利要求2所述的永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台，其特征在于，
所述的第一FPGA芯片包括一直线电机模型仿真模块，采用直线电机数学模型和运动方程来模拟实际直线电机的运行状态，把得到的直线电机各项运行数据通过高速模拟输出卡送到仿真器仿真硬件平台中的第一模拟采集卡和第二模拟采集卡；
所述的第二FPGA芯片包括一直线电机控制器仿真模块，该直线电机控制器仿真模块实现位置环、速度环、电流环三环和速度环、电流环二环闭环控制，对模拟的直线电机进行速度或位置的闭环控制，它通过第一模拟采集卡和第二模拟采集卡接收所述的高速模拟输出卡输出的直线电机各项运行数据，并通过第二高速数字采集卡发出数据给所述的控制器仿真硬件平台中的第一高速数字采集卡；
所述的第一RT控制器包括与所述的直线电机模型仿真模块相连的第一参数设置模块、第一图形显示模块以及第一数据记录与分析模块；
所述的第二RT控制器包括与所述的直线电机控制器仿真模块相连的第二参数设置模块、第二图形显示模块以及第二数据记录与分析模块；
所述的第一参数设置模块设置直线电机参数、负载系数、粘滋磨擦系数、直流母线电压；
所述的第二参数设置模块设置初始控制器参数、三角载波频率与幅值、PWM模块中的死区时间；
所述的第一图形显示模块和第二图形显示模块分别实现第一FPGA芯片与第一RT控制器、第二FPGA芯片与第二RT控制器的数据实时交换，实时动态的显示直线电机的位移、速度、三相相电流、位置角度和PWM波形曲线；
所述的第一、第二数据记录与分析模块存取直线电机的位移、速度、三相相电流、位置角度和PWM波形数据，分析直线电机电流、电压谐波分布。
4.根据权利要求3所述的永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台，其特征在于，所述的直线电机模型仿真模块输出的直线电机各项运行数据包括2路相电流、速度、位移、电角度，其中，2路相电流、位移和电角度数据输入至第一模拟采集卡中，速度数据输入至第二模拟采集卡中。
5.根据权利要求3或4所述的永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台，其特征在于，所述的直线电机控制器仿真模块将得到的信号进行处理后输出正、反6路PWM信号至所述的第一高速数字采集卡中。
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