横向磁场永磁直线电机及其驱动系统的研究.pdf

电机与电器 1787 横向磁场永磁直线电机及其驱动系统的研究 赵 玫 邹继斌 王 骞 梁维燕 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 黑龙江 哈尔滨 150001 【摘 要】 首先介绍了横向磁场永磁直线电机的结构和工作原理，在分析其数学模型的基础上，基于 空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术 id=0 磁场定向控制的横向磁场永磁直线电机控制策 略，设计并实现了横向磁场永磁直线电机的驱动控制系统，重点介绍了硬件电路的设计， 包括驱动电路、保护电路、电流采样以及位置检测四个部分并对该控制系统进行了实验 研究，实验结果表明所设计的驱动系统是切实可行的 【关键词】 横向磁场永磁直线电机 空间矢量脉宽调制 磁场定向控制 Study on Theory and Drive System of Transverse Flux Permanent Magnet Linear Motor Zhao Mei Zou Jibin Wang Qian Liang Weiyan Harbin Institute of Technology Harbin 150001，Heilongjiang，China Abstract：In this paper，the structure and working principle of transverse flux permanent magnet linear motor（TFPMLM）are introduced and based on its mathematical model is analyzed，based on the space vector pulse width modulation，using id=0 of Field Oriented Control scheme is proposed. A drive system is designed and had come true. The hardware design of system is given in detail，including drive circuit， protection circuit，current sample circuit and position detection. The result of experiment testifies the validity of analysis of TFPMLM and the feasibility of the drive system of TFPMLM. Key words：transverse flux permanent magnet linear motor；SVPWM；Field Oriented Control 随着永磁材料性能和电力电子器件性能价格比的不断提高，随着现代控制理论、微机控制技术和电 机制造工艺的迅猛发展以及新磁路结构的不断涌现，在永磁直线电机理论分析、设计和运行控制中出现 了许多有待进一步深入研究的新课题。

其中，横向磁场永磁直线电机是一种新型的永磁直线电动机[1]，它 具有高功率密度、控制灵活、结构简单等特点，在低速、大推力、大功率直线驱动领域具有广泛的应用 前景，为直线驱动与控制提供了一种新型的高力密度直线电机，拓宽了直线电机的应用领域由于该电 机具有高力密度和控制特性好的优点，在国民经济和国防等领域将会有广泛的应用前景 目前，国内外的研究主要集中在电机的结构和磁场分析方面[1，2]，对电机控制系统的研究较少本 文通过对横向磁场永磁直线电机结构和工作原理的分析，给出了横向磁场永磁直线电机的数学模型及 控制策略在此基础上设计了横向磁场永磁直线电机的驱动系统，并对横向磁场永磁直线电机及其驱 动系统进行了实验研究 1 横向磁场永磁直线电机的结构及工作原理 本文所研究的电机是一种特殊结构的直线电机，它采用了单边圆筒式的横向磁场结构[1]，其动子和 1788 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 定子的结构示意图如图 1 所示 由图 1 可以看出，该电机具有和永磁同步电机相似的结 构，因而其制造工艺相对比较简单绕组为沿圆周三相分布 排列的集中绕组，定子铁心沿轴向多段排列，各段铁心的极 性相同；但动子磁钢排列方式和永磁同步电机不同，在轴向 上磁钢 N、S 极性交替排列，各相间互差 120 电周期；并且 磁钢沿圆周方向的数目与定子齿数相同，使得电机动子在切 向方向上存在很大的定位力矩，只产生沿轴向方向的运动， 因而该电机在原理上属于直线电机。

由于定子采用圆筒形结 构，从而不存在横向边缘漏磁通和附加阻抗；并且在动子上也不存在总径向力，从而减小了直线轴承 所承受的应力但纵向边缘效应在该电机中仍是存在的，这是直线电机所固有的现象，无法消除 TFPMLM 的主磁通从永磁体 N 极出发，穿过气隙，通过齿部进入定子铁心，再穿过另一侧气隙回 到永磁体 S 极，这与传统电机的磁路相似当绕组通电后，定子铁心中产生磁场，从齿部经过气隙进 入永磁体（动子） ，再穿过气隙抵达另一个齿，从而形成磁回路这时可以等效地把定子铁心的两个齿 看做是两个磁极，根据同性相斥、异性相吸的原理，定子中的电枢磁场和动子中的永磁体磁场将相互 作用，使动子朝某一个方向运动 2 横向磁场永磁直线电机的数学模型及控制策略 由文献[2]知横向磁场永磁直线电机是同步电机的一种，因而可以仿照同步直线电机进行横向磁场 永磁直线电机的建模[3～6]当在磁路不饱和，忽略磁滞影响、忽略动子磁场的凸极效应以及端部效应的 情况下，定子三相电流产生的空间磁势及动子永磁体的磁通分布呈正弦波的条件下，推导出其 d-q 轴模 型方程式为： d dqs d q qds q d uvr i dt d uvr i dt ψπ ψ τ ψ π ψ τ ⎫ =−+ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ =−+ ⎪ ⎭ （1） 式（1）中，磁链表示为 dd df q L i L i ψψ ψ =+⎫ ⎪ ⎬ = ⎪⎭ （2） 直线运动速度 2vfτ= （3） 式（3）中 τ ——极距； F——频率。

直线运动位移 xvt= （4） 它与空间矢量角 θ 有以下关系 xπ θ τ = （5） vπ ω τ = （6） 图 1 横向磁场永磁直线电机结构示意图 Fig.1 Schematic structure of the transverse flux permanent magnet linear motor 电机与电器 1789 瞬态电磁功率方程 3 () 2 d d Ppiiv π ψψ τ =− （7） 式（7）中 p——极对数 PFv= （8） 电磁推力方程 33 ()() 22 ed df qdqd q FpiipiLL i i ππ ψψψ ττ ⎡⎤=−=+− ⎣⎦ （9） 式（9）中 f ψ——动子磁链 机械运动方程 elv dv MFFB v dt =−− （10） 式（10）中 M——动子质量； Fl——负载阻力； Bv——机械阻尼系数。

从式（9）可以看出，横向磁场永磁直线电机的电磁推力基本上决定于定子交轴电流分量和动子磁 链通过控制与定子磁链同相的电压分量 Ud，使得 id≡0，iq＝is，此时电磁推力 Fm=Ktis取得最大值 通过调整直流量 iq 来控制电磁推力，达到线性化控制横向磁场永磁直线电机的这种控制方式称为磁 场定向的矢量控制在磁场定向矢量控制时，需要随时获得动子的电角度θ θ 与动子的位置x的关系为 2 ( , )MOD x π θτ τ = （11） 采用0 d i =控制，其特点是控制简单，定子电流与电磁推力输出成正比，无弱磁电流分量根据上 述的控制策略思想，本文设计了横向磁场永磁直线电机控制系统的原理框图，如图 2 所示具体实现 步骤如下：通过动子位移传感器光栅尺检测出动子位移x ，由式（11）获得动子的电角度 θ ，为参与 坐标变换做准备 （1）A/D 变换器将霍尔电流传感器检测到的两相定子电流ia、ib，转换为数字量送入 DSP 中，经坐 标变换（clark-park）后得到交、直轴电流id和iq； （2）根据 id＝0 控制策略，把 d-q 轴电流给定值（ * d i、 * q i）分别与实际值相比较，然后分别经电流 PI 调节器，输出 d-q 轴电压值Ud和 Uq；经 I-park 变换得出αβ−坐标系下的电压值vα和vβ； （3）经过 SVPWM 调制输出 6 路逆变器驱动控制信号，驱动 MOSFET 功率开关管，从而实现控制 电机。

图 2 TFPMLM 控制系统原理框图 Fig.2 Block diagram of TFPMLM control system 1790 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 3 横向磁场永磁直线电机驱动系统设计 3.1 系统硬件结构设计 本 系 统 硬 件 电 路 是 以 德 州 仪 器 （TI） 公 司 生 产 的 专 门 适 用 于 电 机 数 字 控 制 的 DSP 芯 片 TMS320F2812 为核心的电机数字控制电路采用增量式光栅尺作为直线电机位移检测的关键部件，其 定位精度达到 5 m电路板的设计主要分为控制、功率电路两部分控制部分主要由 DSP 的电源电 路、电平转换电路、串行通信接口等组成；功率部分主要由三相功率逆变桥、驱动隔离电路、功率电 源整流滤波、保护电路等组成，系统硬件结构图如图3所示 TFPM LM 电流 传感器 光栅、 霍尔 传感器 TMS320F2812 PWM QEP/CAP A/D采样 电平转换电路 串口通信PC机 仿真器 JTAG CPLD PDPINT 故障检测信号 驱动/隔离电路 图 3 硬件系统结构图 Fig.3 Hardware system structure diagram （1）电路驱动环节 驱动电路的作用主要是根据控制电路发出的控制信号来导通和关断功率电路中的主开关器件。

本 文选用 IR 公司集成驱动芯片 IR2130，它是一种专门用于开关功率器件栅极驱动的集成电路芯片，可以 同时驱动 6 个 MOSFET 开关管并且具有欠压和过流保护功能，能够实现硬件的限流和过流保护功 能，保证了系统的安全性它具有内置死区功能，可以防止上下桥臂直通，保证了系统的可靠运行 这样DSP中不用使用死区功能，而且在控制时不需要考虑死区对电机的影响，如图4所示 图 4 功率驱动电路 Fig.4 Drive circuit of MOSFET （2）CPLD保护环节 对实际的电机驱动控制系统，其可靠性是至关重要的部分，而使系统在不正常的状态下实现对系 统关键部分的保护是衡量系统可靠性的重要指标，所以保护电路的设计就显得异常重要 如图 5 所示，A+、A-、B+、B-、C+、C-为 DSP 产生的 6 路 PWM 驱动信号，OC 为过流保护信 号，Reset 为触发器的复位信号由于PWM信号低电平时开关管导通，所以要防止桥臂的上下两个开 关管的 PWM 信号同时因低电平而导致短路异常另外，当。