第4卷第3期 智能系统学报 Vol.4 No.3 2009年6月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Jn.2009 doi:10.3969/j.issn.16734785.2009.03.010 基于SVPWM的PMLSM控制系统仿真与实现 金建勋，郑陆海 (电子科技大学自动化工程学院，四川成都610054) 摘要：永磁直线同步电动机(PMLSM)作为一种特种电机，在众多领域具有很大的应用潜力；新型磁性材料和控制 技术的出现，为促进PMLSM更广泛的应用创造了条件.电压空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)作为一种优化的 PWM方法，在PMLSM运行控制当中具有独特的优势.基于SVPWM方法的原理，应用Matlab/Simulink建立了基于 SVPWM的PMSM调速系统仿真模型，为分析基于SVPWM的PMLSM控制系统性能提供了一个很好的仿真平台，为 算法的实际应用提供了理论和技术基础.并利用XC164CM单片机实现了该控制算法，实验结果表明，基于SVPWM 的PMSM变频调速系统具有良好的起动、静态和动态控制特性，可成为一种优良的控制系统 关键词：永磁直线同步电动机：电压空间矢量脉宽调制：控制系统：Matlab/Simulink 中图分类号：TP27,TM359.4文献标识码：A文章编号：16734785(2009)03-0251-07 A permanent magnet linear synchronous motor control system based on space vector pulse width modulation JIN Jian-xun,ZHENG Lu-hai (School of Automation Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China) Abstract:Permanent magnet linear synchronous motors (PMLSM)are a special type of motor with great potential in many fields.These prospects can only increase once new types of magnetic materials and control techniques have been incorporated.Among newly developed control methods,the space vector pulse width modulation (SVPWM), as an optimized PWM method,exhibits unique advantages when applied to PMLSM control systems.SVPWM prin- ciples were modeled and verified by Matlab/Simulink,and a speed-adjusted system for PMLSM based on SVPWM was established.This provided a good simulation platform to analyze the running characteristics of PMISM when u- sing an SVPWM control strategy,and builds a theoretical foundation for the practical application of this method in motor control.An XC164CM MCU was used to realize the SVPWM control algorithm,and experimental results showed that PMLSM,with a SVPWM speed-adjusted system,has good starting,static and dynamic running charac- teristics. Keywords:permanent magnet linear synchronous motor;space vector pulse width modulation;control system;Mat- lab/Simulink 永磁直线同步电动机(permanent magnet linear 取间接控制.而在一些实际应用中[5)，电机需要输 synchronous motor,PMLSM)作为一特种电机，在垂 入电流尽量接近正弦波，从而在空间上形成圆形旋 直提升系统、生产输送线、高精密机床等领域有着广 转磁场，产生稳定的电磁转矩.如果对准这一目标， 泛的应用，并在更多领域有着美好的应用前景.新材 按照跟踪圆形磁场来控制PWM电压，那么控制效 料、控制技术和冷却方式的出现，为应用经济高速高 果就会更直接.本文采用了基于“磁链跟踪控制”这 动力直线电动机创造了条件1 一基本思想的“电压空间矢量脉宽调制”方法(SVP 传统的SPWM控制技术主要着眼于使逆变器 WM),通过电压空间矢量相加得到磁链轨迹直接追 输出电压尽量接近正弦波，对电流波形一般只能采 踪基准磁链圆，使逆变器输出三相电流为三相对称 的正弦波，从而在直线电机水平气隙中形成正弦行 收稿日期：2008-10-07. 基金项目：国家“863”计划资助项目(2007AA03Z208), 波磁场，实现对PMLSM的推进控制.本文系统介绍 通信作者：金建谢。E-mail:aemd@ina.com. 了基于SVPWM的PMLSM调速系统的Matlab/Sim-
,252. 智能系统学报 第4卷 ulink建模与仿真，并以Infenion-XC164CM单片机为 2i为电角度. 控制核心，设计出了实际的硬件控制系统.对所设计 由式(5)、(6)可知，当电压频率比U/f为常数 的PMLSM进行运行控制，从而验证了SVPWM控制 时，磁链半径里为常数这样，随着()的变化，磁 方法在PMLSM应用当中的科学性和优越性. 链矢量里()形成一个以里m为半径的圆形轨迹， 从而得到一个理想磁链圆.SVPWM法就是以三相 1 SVPWM工作原理 对称正弦电压供电时三相对称电动机定子的理想磁 假设电机三相定子绕组电压为 链为基准，由三相逆变器不同开关模式所形成的实 Ua(t)=2U.cos(2f·t), 际磁链矢量来追踪基准磁链圆.在追踪过程中，逆变 Ua()=2U,c08(2f·t-2π/3)， (1) 器的开关模式作适当的切换，从而形成PM波. Uc(t)=√2U.co8(2mf·t+2m/3). 2 SVPWM的Simulink实现 式中：U。为相电压有效值，∫为电源频率假设单位 SVPWM控制技术的目标是通过控制开关状态 方向矢量p=2π/3，则三相电压空间矢量相加的 的组合，将空间电压矢量U控制为按设定的参数做 合成空间矢量(：)就可以表示为 圆形旋转.图1是在B坐标系中描述的电压空间 U0=3U,)）+pU,(d+p2U.(e]= 矢量图[)，电压矢量调制的控制指令是矢量控制 系统给出的矢量信号U,它以某一角频率w在空 2Ue (2) 间逆时针旋转.当它旋转到矢量图的某个60°扇区 可见U()是一个旋转的空间矢量，它的幅值不 中时，系统选中该区间的所需的基本电压空间矢量， 变，为相电压峰值。当频率不变时，合成电压矢量以 并以此矢量所对应的状态去驱动功率开关元件动 电源角频率w=2∫为电气角速度做恒速同步旋转， 作.当控制矢量在空间旋转360°后，逆变器就能输 哪一相电压为最大值时，它就落在该相的轴线上. 出一个周期的正弦波电压.因此，算法的关键是判断 当定子绕组施加三相理想对称正弦电压时，由 扇区和电压矢量作用时间，下面给出在-B坐标系 于电压合成空间矢量为等幅旋转矢量，故气隙磁通 下的计算方法， 以恒定同步角速度旋转，轨迹为圆。如果忽略定子绕 组的电阻不计，则电动机各相磁链值可由式(1)进 (号(010) (110 行积分得到 20 Ψ= 2u sin(2mft), 2u 乙，(011) U(000 里8= i2i-子， (3) ,(111) (100) -号+子 将式(3)所示三相轴系的磁链进行坐标变换，由三 相A-B-C轴系变换到d-q轴系，其变换式为 U1(001) (101) 1 2-1/21 图1电压空间基本矢量图 )52-52 4 Fig.1 Diagram of voltage space vector 2.1电压空间矢量所在扇区的判断 将式(3)代入式(4)，变换得到d-g轴系的磁链矢量 要实现SVPWM信号的实时调制，首先需要知 道参考电压矢量所在的区间位置，即判断由U sin 6 Ψa(0） (5) 的αB分量U.和Ua所决定的空间电压矢量所处 的扇区.参考图1可以得到，当U处于扇区I中，有 式中：业m为磁链圆的半径，并有 Ua>0,3U.2-U/2>0.(7) 3U。 U (6) 同样，其他扇区也都有相应惟一的判断式由所推导 业.=2m=2可 = 出的条件可以看出，U所在的扇区完全可由Ua、 式中：U=√3U。为电动机线电压有效值；0=at= 3U./2-Ug/2、-√3U./2-U。/23式与0的关系决
第3期 金建勋，等：基于SVPWM的PMLSM控制系统仿真与实现 .253· 定.定义3个开关变量A、B、C,开关变量为1，表示 关作用时间T1、T2的仿真模型， 与逆变器相对应的上桥臂导通，下桥臂关断；为0 表1T1和T2赋值表 时，则相反 Table 1 The valuation of T and T 因此可作如下定义： 扇区N T2 若U。>0,则A=1,否则A=0; 1 Y 若3U.2-U/2>0,则B=1,否则B=0; 2 -X 3 若-3U./2-Ug>0,则C=1,否则C=0. -Z X 根据以上定义A、B、C之间共有8种组合；但由 4 -X 判断扇区的公式可知A、B、C不会同时为1或0，所 R -Y 6 -Y -Z 以实际的组合是6种.A、B、C组合取不同的值对应 着不同的扇区.令 ) 1 N=A+2B+4C, (8) alpha 茵数 则扇区号N可为1至6个整数值，正好与6个扇区一 2 fu) 2 一对应，其数值与实际扇区的对应关系如图1所示.图 3 啊数 中，棱形区域外的1至6个数值为式(8)计算出的数 4 值，棱形区域内的I至Ⅵ6个数为实际扇区号.实现此 ) 3 判断的Simulink框图如图2所示.设U.为直流电源电 函数 压，则用开关状态来表示相电压输出为 图3X、Y、Z计算模型 -1- Fig.3 Model for calculating X,Y and Z - (9) 21 fu) 3-M2 D 3 结果 4 fu) 显 2 多通道开关 alpha 3(2) 结朵城示 0 图4开关作用时间仿真模型 -3(1/2)2 Fig.4 Model of switch operation time 图2判断参考电压U所处扇区N 确定矢量的切换点Tml、T2、Tm,令T。= Fig.2 Model of sector judgment of U (T,-T1-T2)/4,T。=T.+T1/2,T。=T6+T22.则在 2.2开关向量作用时间的计算 不同的扇区内，A、B、C相对应的作用时间Tm1、T2、 在按照上述的方法确定了参考电压矢量U所 T根据表2进行赋值，其计算模型如图5所示. 在的扇区之后，就需要求出U所在扇区的相邻两 表2开关切换点Tml、T2T赋值表 电压矢量和相应零矢量的作用时间，定义 Table 2 The valuation of T,Tand Tm X =3UgT/Ua 扇区N Too T 1 Y=(3U./2+√3Ua/2)T,/Ua, Ta T 2 T. T. T Z=(-3U./2+3Ua/2)T,/U (10) 3 T T To 则对于不同的扇区，主、辅矢量分配时间T,、T2见表1 4 T。 T Ta 所示T1、T2赋值后对其进行饱和判断，若T,+T2>T, 5 T a T 取T,=TT/(T1+T2),T2=T2T/(T1+T2),其中T 6 3 T T. 为采样周期.X、Y、Z的计算模型见图3所示，图4为开
,254. 智能系统学报 第4卷 4 进行比较，就可以生成对称空间矢量PWM波形，模 型如图6所示.将生成的PWM1、PWM3和PWML5分 别进行非运算就可以得到PWM2、PWM4和PWM6, 从而通过控制开关管的通断来控制PMLSM. 多通道并关 将上述模块连接生成SVPWM完整模型如图7 1/2 tT. 所示 1 继屯器 PWMI 多通道开关 2 14 2 中 T 继屯器 PWM3 31 3 辣电器 PWM5 多通道开关 结果最示 图5基本矢量作用时间模型 0.00005 Fig.4 Calculation model of operation times of fundamental vectors 图6生成SVPWM波模型 2.3 SVPWM波生成 Fig.6 Generation model of SVPWM waveforms 计算得到的Tm1、T2、T值与等腰三角形 1 lpha alpha 2 cla beta alpha 3 Au) 1 eta PWM3 2 310 Y.YZ PWM5 3 PWM 图7 SVPWM仿真模型 Fig.7 Overall model of SVPWM 3基于SVPWM的PMLSM仿真模型 ud/La 1 (12) 为便于分析，将电机方程通过坐标变换，建立在 L(,-w)/L,j d-g轴坐标系统下的PMLSM数学模型，从而实现耦 磁链方程为 合方程的解耦0， r里a=Laia+Ψw, (13) 电压方程为 lΨg=Lgg rwa=Ria+p业。-ωΨg； 电机的电磁推力方程为 (11) g=Rig+p乎，-ωΨ R=,+山-4yi1 (14) 电流方程为 电机的机械运动方程为 - F。=FE+B,+Mpm. (15)
第3期 金建助，等：基于SVPWM的PMLSM控制系统仿真与实现 .255. q轴同步电感系数；p为微分算子，P=d/dt;@为 PMLSM平移速度折合成的旋转电机角速度，W= 1/ π/r,v为动子运动速度，？为极距；P为电机极对 数；F。为电磁推力；F,为负载阻力；B,为与速度相 关的机械阻尼系数；M为运动部分的质量，包括动 子的质量和动子带动的负载的质量。 建立基于式(12)的电流平衡方程模型如图8 所示，基于式(14)和(15)建立的机械运动平衡方程 模型如图9所示，图10为基于SVPWM的PMLSM 调速系统仿真模型 4 theta RII. 图8 PMLSM电流平衡方程框图 Fig.8 Diagram of current balance equations 3 式(11)~(15)中：4、，分别为d轴（直轴）和9轴 f八w) (交轴)电压；R为各相绕组线圈的电阻；ia、,分别 为d轴和g轴电流；业a、业，分别为d轴和g轴磁链， 图9 PMLSM机械运动平衡方程框图 平w为永磁磁链；La、L,分别为d轴同步电感系数和 Fig.9 Diagram of mechanical motion cquilibrium equation Continuous 电力系统分析榄块 0.t 磁链 alpha U is abo 三相山流 heta 线速 dq/ab is_do 推力 SVPWM 水磁直级 同步电动机 图10基于SVPWM控制的PMLSM调速系统仿真模型 Fig.10 Simulation model of PMSM control system based on SVPWM 4仿真结果及分析 通过仿真得到扇区号N相对应的波形，如图11 所示，扇区N的变化是23→1546+2+…， 采样时间取值T,=0.00018,用频率和幅值分别为 表明参考电压矢量U是以逆时针的方向沿着磁链 1/T和T,2的等效时间三角波去调制3个输入时间 圆的轨迹旋转，与理论分析一致.各个扇区内主、辅 Tm、T、T,逆变器直流母线电压Ua=310V,仿真时 矢量作用时间T1和T2的仿真波形如图12所示，为 间为0.48.PMLSM参数取为：定子每相电阻R=1.4D, 等腰三角形.图13为调制波Tm1、Tm2、Tm相对应的 定子d相绕组电感La=8.5mH,g相绕组电感Lg= 波形，从仿真波形中可以看出，Tm1、T2、T是三相 8.5mlH,主磁链乎w=0.075W乃，极距r=60mm,动子 马鞍形，且每两相之间相差120°.图14为定子三相 质量M,=25kg,负载重量M=0,负载阻力Fz=0,阻 电流仿真曲线，图15为在d-g轴坐标下的d相和g 尼系数B,=0.2N·m/8,极对数P=2. 相电流波形.图16为电机受到的推力大小随时间的
·256 智能系统学报 第4卷 变化曲线，可见电机在0.028后就实现了恒推力. H 00.050.100.150.200.250.300.350.40 lis 0.050.100.150.200.250.300.350.40 图15定子d-g轴电流波形 Ws Fig.15 Simulated waveform of d-g axis stator 图11扇区变化仿真曲线 currents Fig.11 Sector transform of voltage vector 10 8 410 2 0 0.050.100.150.200.250.300.350.40 0.050.100.150.200.250.300.350.40 dls @主久式作州时州T 图16电机推力-时间曲线 ×107 Fig.16 Thrust force vs time 3 5 测试与分析 采用Infenion-XC164CM芯片作为控制核心，设 0.050.100.150.200.250.300.350.40 计了一种基于SVPWM算法的PMLSM变频调速系 b)甜欠金作用时何T 统，用于直线电机的推进实验.所设计的PMLSM实 图12T1、T2仿真结果 际装置模型如图17所示，电机的初级和次级分别由 Fig.12 Simulated waveform of T and T 三相铜绕组和永磁体组成，永磁体被安装在一个实 2.51产10 验动子上，而动子可沿电机两边的导轨自由滑动. 2.50 毫2.4960.050.100.50.200.250.300.350.40 10 (a) 2.51h 2.50 00.050.100.150.200.250.300.35040 图17 PMLSM实际装置模型 ×10 (b)Tam Fig.17 Photo of the actual PMISM model 2.5 20 2.50 1.5 4 00.050.100.150.200.250.300.350.40 1.0 (cT.m 0.5 ≤ 0 图13Tml、了2、Tm仿真结果 -0.5 Fig.13 Simulated waveform of T,T and T -1.0 5 -1.5 2.00 0.040.080.120.160.20 图18在10H条件下，PMLSM三相工作电流 0.050.100.150.200.250.300.350.40 Fig.18 Three-phase working current of PMLSM at 1/s 10 Hz 图14定子三相电流 直线电机工作在2U。=50V,w=10Hz的条件 Fig.14 Simulated waveform of three-phase current
第3期 金建勋，等：基于SVPWM的PMLSM控制系统仿真与实现 .257. 下时，利用霍尔传感器测得的电机三相电流如图18 net linear synchronous motor drive for HTS maglev transpor- 所示，电流波形呈良好的正弦分布，且三相对称当 tation systems[J].Journal of Eleetronic Science and Toch- 电机工作在10Hz以下时，电机的推力基本保持不 nology of China,2008,6(2):125-129. 变，能实现恒推力推进，图19即为所测电机工作电 [5 ]WANG Z G,JIN J X,GUO Y G,et al.SVPWM techniques 流幅值与输出频率之间的关系曲线。随着工作电源 and applications in HIS PMSM machines control [J].Jour- nal of Electronic Science and Technology of China,2008,6 频率的增大，直线电机的推力也随之减小 (2):191-197 1.5 [6]张敬南，颜昌银.基于泛布尔代数的三电平SVPWM算 1.2 法[J刀.应用科技，2008,35(6)：25-28. ZHANG Jingnan,YAN Changyin.A study of three-level 0.9 SVPWM algorithm based on PanBoolean algebra[J].Ap- 0.6 plied Science and Technology,2008,35(6):25-28. [7]田治礼，张家胜.SVPWM在并联有源电力滤波中的应 0.3 用研究及仿真[J].黑龙江工程学院学报，200m,21 (2):6164. 4 7101316192225 据率Hz TIAN Zhili,ZHANG Jiasheng.The applied research and simulation of SVPWM in parallel APF[J].Journal of Hei- 图19电机工作电流幅值与频率之间的关系 longjiang Institute of Technology,2007,21(2):61-64. Fig.19 Current amplitude vs frequency [8]BLASKO V.Analysis of a hybrid PWM based on modified 6结束语 space-vector and triangle-comparison methods [J].IEEE Transactions on Industry Applications,1997,33(3):756- 本文建立了基于SVPWM的PMLSM调速系统 763 仿真模型，为系统分析该调速系统的实际控制效果， [9]杨贵杰，孙力，崔乃政，等。空间矢量脉宽调制方法的 提供了一个理论分析工具.同时，以XC164CM单片 研究[J].中国电机工程学报，2001,21(5)：79-83. 机作为控制核心，基于SVPWM控制策略，对所设计 YANG Guijie,SUN Li,CUI Naizheng,et al.Study on 的PMLSM进行了实际运行控制，达到了良好的控 method of the space vector PWM[J].Journal of the Chinese Society for Electrical Engineering,2001,21(5):79-83. 制效果.实验结果表明，利用SVPWM的PMLSM变 [10]朱晓东，程志平，焦留成.永磁直线同步电机仿真模型 频调速系统，在水平气隙当中产生了理想的正弦行 的研究[J].矿山机械，2006,34(7)：84-87. 波磁场，达到了良好的启动、静态和动态控制效果， ZHU Xiaodong,CHENG Zhiping,JIAO Liucheng.Study 为SVPM策略在PMLSM控制当中的应用找到了 to the simulation model for the permanent magnetic linear 良好的解决方式，也为今后进一步研究SVPWM在 synchronous motor (PMLSM)[J].Mining Processing 直线电动机运行控制中的应用奠定了基础. Equipment,2006,34(7):84-87. 作者简介： 参考文献： 554 金建助，男，1962年生，教授，博士 [1]JIN JX,GUO Y G,ZHU J G.Principle and analysis of a 生导师，应用超导与电工技术研究中心 linear motor driving system for HTS levitation applications 主任.主要研究方向为应用超导、电磁 [J].Physica C,2007,460462:1445-1446. 装置、先进电工与节能技术、测试及控 [2]JIN J X,GUO Y G,CHEN J X,et al.HTS levitation and 制技术研究.发表学术论文300余篇， transportation with linear motor control[C]//Proc of 26th 出版专著3部. Chinese Control Conference.Zhangjiajie,China,2007:10- 4 郑陆海，男，1980年生，博士研究生， [3]GUO Y G.JIN J X,ZHU J G,et al.Design and analysis of 主要研究方向为高温超导电机技术。 a prototype linear motor driving system for HIS maglev transportation[J].IEEE Transactions on Applied Supercon- ductivity,2007,17(2):2087-2090. [4]GUO Y G,JIN J X,ZHENG L H,et al.A permanent mag-