永磁直线电机精确相变量建模方法(精)

第29卷第9期中国电机工程学报V ol.29 No.9 Mar.25, 2009

98 2009年3月25日 Proceedings of the CSEE ©2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号:0258-8013 (2009 09-0098-06 中图分类号:TM 351;TM 359 文献标志码:A 学科分类号:470⋅40

永磁直线电机精确相变量建模方法

曾理湛1,陈学东1,李长诗2,农先鹏1,伞晓刚1

(1. 数字制造装备与技术国家重点实验室(华中科技大学,湖北省武汉市 430074;

2. 郑州轻工业学院机电工程学院,河南省郑州市 450002

Accurate Phase Variable Modeling of PM Linear Motors

ZENG Li-zhan1, CHEN Xue-dong1, LI Chang-shi2, NONG Xian-peng1, SAN Xiao-gang1

(1. State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment & Technology (Huazhong University of Science and Technology,

Wuhan 430074, Hubei Province, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering,

Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, Henan Province, China

ABSTRACT: This paper proposes a general finite element (FE based phase variable modeling method of permanent magnet (PM linear motors for the accurate dynamic simulation of drive systems. A general phase variable model of PM linear motors is established taking account of the effects of the nonideal geometrical structure on the thrust force, in which the mover position dependent variables are obtained from FE

solutions using the cubic spline interpolation. Considering the effect of the snubber circuits of the power electronic devices, a new S-function based modeling method is proposed, with which a general simulation model of PM linear motors is directly implemented in Simulink using the state space equations. Simulation results of a PM linear motor driven in both two-phase conduction mode and i d=0 vector control mode show that the FE-based phase variable model provides a fast, accurate and efficient modeling method for the integrated PM linear motor drive systems dynamic analysis.

KEY WORDS: phase variable model; permanent magnet; linear motor; finite element; S-function; force ripple

摘要:针对永磁直线电机控制系统的精确动态仿真,提出了一种基于有限元的永磁直线电机一般化相变量建模方法。考虑电机非理想结构对推力的影响,建立了永磁直线电机的一般化相变量模型。采用3次样条插值,根据电磁场有限元计算结果获得了模型中电感、齿槽力、永磁体产生的磁链与动子位置的关系曲线。考虑功率电子模块中吸收电路的影响,提出了一种基于S-function的仿真建模方法,根据相变量模

基金项目:国家重点基础研究发展规划基金项目(973项目 (2003CB716206;国家自然科学基金项目(50605025;河南省杰出人才创新基金项目(0621000300。

The National Basic Research Program of China (973 Program (2003CB716206; Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50605025.型的状态方程直接建立了Simulink下的永磁直线电机一般化仿真模型。对某种永磁直线电机进行了两相导通控制和i d=0矢量控制下的控制系统仿真实验,仿真结果表明,基于有限元的相变量模型为永磁直线电机控制系统精确动态分析提供了一种快速、有效的一般化建模方法。

关键词:相变量模型;永磁;直线电机;有限元;S-函数;推力纹波

0 引言

相对永磁旋转电机,永磁直线电机(主要包括永磁同步直线电机和直线永磁无刷直流电机具有结构简单、加速度大、控制精度高等优点,能够满足由高速、高精运动控制到大功率拖动的不同要求,在数控机床、电子制造设备、高速列车、提升设备等领域得到了广泛应用[1-5]。由于存在齿槽、铁心开断、端部半填槽等非理想结构,永磁直线电机是一种强机电耦合的直接驱动系统,存在较强的电磁推力纹波,严重影响永磁直线电机系统的控制性能[2-3]。常用永磁直线电机模型以永磁旋转电机模型[6-7]为基础,不能反映非理想结构对电机控制系统动态性能的影响。以电磁场解析、数值求解为基础,近年来已开展了大量的电机精确建模及仿真方法研究[4-5,8-14]。

场路耦合模型结合了电磁场有限元模型与电路模型,可以精确分析电机非理想结构、材料非线性等因素对电机动态性能的影响[8-11]。根据场路模型求解顺序的不同又可分为直接耦合法和间接耦合法。直接耦合法对电磁场模型、电路模型构成的耦合系统模型进行整体求解,由于采用同一仿真周期对不同时间常数的系统进行仿真,计算非常耗时[10];间接耦合法对有限元模型和电路模型依次进行求

第9期

曾理湛等: 永磁直线电机精确相变量建模方法 99

解,通过耦合参数的交换来实现耦合系统求解,相

对直接法更加灵活,但由于仿真过程中仍然需要进行有限元求解,仿真耗时较多。场路耦合模型不适合用于电机驱动系统的动态分析[12-13]。

采用等效磁路法的电磁场建模方法被应用于

直线电机[4-5],

该方法采用一系列非线性磁阻单元来表示电机非理想结构特点及材料的非线性,为电机驱动系统提供了一种快速分析方法。由于需建立简化的电路模型以及等效磁路模型,该方法实现困难且精度有限。