开关磁通永磁直线电机直接推力控制策略的研究

摘要

直线电机具有结构简单、响应速度快、控制精度高的优点，因此被广泛运用在工业生产、军事研究等领域；但由于其“零传动”的结构特点，以及自身存在的端部效应、齿槽效应等，会使电机产生磁链、推力以及速度的脉动，影响直线电机的高性能控制。本文以开关磁通永磁直线电机为研究对象，基于FPGA研究了其直接推力控制的策略。研究中，运用了高性能的FPGA主控芯片，从硬件电路与软件算法上对系统进行了优化设计，明显减小了直线电机定子磁链、电磁推力和定子电流的脉动，提高了系统的动态响应速度、控制精度，实现了开关磁通永磁直线电机高性能的控制。 首先，本文阐述了永磁直线电机的研究背景、应用现状；基于直线电机控制系统所具有的快速响应、高精度的特点，介绍了本研究的目的与意义。在建立开关磁通永磁直线电机数学模型的基础上，基于直线电机直接推力控制算法，搭建了MATLAB/SIMULINK的仿真模型，并通过仿真结果验证了算法的可行性；运用反步的控制方法改进了直接推力算法，提高系统控制精度，为基于FPGA直接推力控制系统数字化设计打下了基础。 其次，本文对直线电机硬件控制系统的原理图进行了设计。电机硬件系统由驱动电路以及控制电路组成。系统驱动电路由主电路、光耦隔离电路以及保护电路构成；系统控制电路以FPGA为控制核心，依照模块划分可分为电压电流采集模块、光栅尺信号采集调理模块、模数转换模块和供电功能模块等。硬件电路的优化设计，能够提高直线电机的响应速度，并通过电流、电压以及速度信号的精确反馈，提高系统的控制精度。 再次，本文基于FPGA实现了控制系统的数字化设计。根据EDA中的模块化设计思想，将整个数字化系统分为坐标变换模块、电压电流测量模块、速度测量模块、核心算法模块以及PI速度调节器模块。在硬件电路的基础上，结合Verilog硬件描述语言，实现了电压与电流信号的实时采集、光栅尺信号的精确反馈和控制信号的正确输出以及稳定传送，保证了整个系统的高性能控制。 最后，本文进行了开关磁通永磁直线电机控制系统的实验。采用EP3C25Q的FPGA开发板以及直线电机样机，配合前文搭建的直线电机直接推力控制的FPGA硬件电路，基于Verilog硬件语言的数字化设计，得到了实验数据以及波形。验证了控制系统电流、速度闭环控制的可靠性，体现了直线电机快速响应、高精度的性能，提高了启动速度以及抗干扰能力。

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