论文总字数：23190字

摘 要

学号：16012212 学生姓名：何智强

指导教师：余海涛

直线电机在我们的社会生活以及国民经济生活中正在发挥着重要的作用，而且在可预见的将来，直线电机会得到更加广泛的实际应用。现在已经有很多商业化使用的直线电机，而在实验室中还有许多正在研发的新型直线电机，因此研究直线电机及其控制系统具有很高的实际使用价值。

电机的驱动控制近年来具有高速的发展，各种新型控制策略被提出。其中以多电平逆变器的控制最为热门。随着新型大功率开关器件的高速发展，多电平逆变器在电机控制领域的优点得到了发挥。相比于简单的两电平逆变器，多电平逆变器的输出电压谐波含量较低，合成电压更接近正弦波，而且采用多电平的电压空间矢量控制时控制精度也较高。

本文介绍了永磁同步直线电机的结构与数学模型，分析了电压空间矢量控制（SVPWM）的原理，介绍了基于SVPWM的永磁同步直线电机驱动控制系统的实现，对整个控制系统进行了数学建模与Matlab仿真，验证了控制系统的可行性。并且在最后画出了一个实际的三电平逆变器控制永磁同步直线电机的外围电路。

关键词： 永磁同步直线电机 电压空间矢量控制 数学模型 Matlab仿真

Abstract

Linear motor in our social life and the life of the national economy is playing an important role, and in the foreseeable future, the linear motor will be more widely practical utilized. There are already a lot of commercial use of linear motor, and in the laboratory as well as many new linear motor is being developed, the study of linear motor and its control system has high practical value.

With the high-speed development of the motor drive control in recent years, a variety of new

control trategies have been proposed. With the rapid development of new high-power switching

devices, multi-level inverter motor control is playing great role in the field. Compared to the simple two-level inverter, lower output voltage harmonic content of the multi-level inverter, the resultant voltage is closer to the sine wave, and control multi-level voltage space vector control accuracy is higher .

This article describes the PMLSM structure and mathematical model , and analyzed the voltage space vector control (SVPWM) principle, introduced a PMLSM drive control system based on the SVPWM. Built mathematics Matlab simulation mode and verify the feasibility of the control system. Finally draw a real three-level inverter control of permanent magnet synchronous linear motor.

Key words: PMLSM Space voltage vector control Mathematical model Matlab

目 录

第一章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2国内外研究现状与发展历史 2

1.2.1 国外研究与应用现状 2

1.2.2 国内研究与应用现状 2

1.3本文的重要研究内容与成果 3

第二章 永磁同步直线电机的数学模型 4

2.1直线电机的结构与工作原理 4

2.1.1直线电机结构 4

2.1.2工作原理 5

2.2数学模型提出 6

第三章 控制策略 8

3.1 概述 8

3.2永磁同步直线电机的电压空间矢量控制（SVPWM） 8

3.2.1空间矢量的定义 8

3.2.2 电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 8

3.2.3 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 9

3.2.4 电压空间矢量的线性组合与磁链增量所需作用时间的计算 10

3.3三电平逆变器电压空间矢量控制算法 12

3.3.1如何由基本电压空间矢量得到所需电压矢量 16

3.4交流三相电机的控制系统与实现 17

3.4.1 矢量控制系统的基本思路 18

3.4.2 矢量控制系统的实现 18

第四章 SVPWM控制系统的Matlab仿真 20

4.1 概述 20

4.2 SVPWM控制策略的仿真实现 20

4.2.1合成矢量扇区判断与空间矢量相位幅值计算模块 20

4.2.2 具体小扇区判断模块 20

4.2.3 作用时间计算模块 21

4.2.4 时间状态分配仿真 23

4.3 主电路的仿真模型 26

4.4 仿真结果与分析 28

4.4.1 扇区判断仿真 28

4.4.2电机电流电压仿真结果 28

4.4.3 速度、电磁推力与转子位置仿真结果 30

4.4.4 改变速度给定与负载后的结果比较 31

4.5 仿真总结与分析 35

第五章 三电平逆变器控制永磁同步直线电机的实际控制电路 36

5.1概述 36

5.2 电路板的原理图 36

5.2.1三电平逆变器原理图 36

5.2.2 光耦隔离电路原理图 37

5.3 电路封装图 38

第六章 总结与展望 1

致 谢 1

第一章 绪论

1.1课题背景

在二十一世纪以前，直流电机因其构造与控制方式简单，一直是电机控制领域的主力军。不过由于直流电机本身的特性的缘故，直流电机作为控制目标的早期电机控制系统的缺点，如系统使用寿命短，故障发生频繁等一直难以解决。进入新世纪以后，随着电力电子技术的迅速发展，交流电机开始在电机控制领域发挥出越来越重要的作用，而一起发展的还有控制技术以及控制理论。而最近二十年中永磁材料的发展，为永磁同步电机的大范围使用奠定了基础。经过多年的发展，永磁同步电机控制系统的系统特性已经能够与直流电机控制系统相媲美。

直线电机作为一种特种电机，也开始在国民经济生产的各个方面发挥出越来越重要的作用。提高直线电机驱动控制系统的效率有助于提高工业自动化生产过程中整个系统的运行效率，降低产品生产的成本，减少浪费。按照结构分类，直流电机的种类有扁平型、圆筒形或盘型等各种形式。直流电机的驱动方式很多，可以采用交流电、直流电或脉冲电源等各种形式的电源进行驱动。作为飞机起飞助力工具的直线电机可以在很短的时间内把一架几千千克重的飞机从原地静止拉到每小时几百千米的速度，当这种技术运用在航母舰载机的发射上时，可以大幅提高舰载机的起飞速度，而且相对于目前常见的蒸汽弹射技术，利用直线电机的电磁弹射技术可以大幅度减少航母上重要的淡水资源的消耗。在宇宙空间中，由于可以做到真空运行，其时速甚至可以高达每小时上万千米，这在将来太空资源的利用领域可能会产生巨大的作用。在军事领域，除了在前面提到的电磁弹射技术中的运用，人们还利用直线电机制成了各种基于电磁感应原理的电磁炮，并将它用于各种短程导弹、火箭甚至于单兵作战武器中反坦克导弹的发射，基于这种技术的导弹因为其动力来源不是通过火药爆炸产生的反向作用力，因此可以做到隐蔽性高，打击突然性大，可以增加战场上深入敌军腹地的我军官兵的存活率；在交通运输行业中，希望利用直线电机不需要额外加传动装置即可带动物体运动的优点的想法很早就出现了，而在上海的磁悬浮列车实现了人们的愿望，其时速可以高达每小时500千米，而且运行噪声小，乘坐舒适，不过目前磁悬浮列车运行的成本依然较高，距离大规模远距离全面应用还有一定的距离；在工业制造领域，运用直线电机作为驱动动力来源的生产输送线正在逐渐替代传统的利用交流异步电机加机械传动装置的运输生产线，直线电机的驱动的生产运输线结构更加简单，运行时产生故障的概率相比传统需要机械传动装置的运输生产线要小，因此工厂设备维护的成本会降低，有助于提高工厂的竞争力；以上应用主要利用了直线电机具有高速、大推力的特点，其有低速、控制精度高、稳定等另一些特点也有很多的应用。例如，步进直线电动机结合了步进电机和直线电机两者的优点，可以做到步进距仅为1μm的精度。在许多精密的仪器设备中，比如医疗器械、计算机的光驱系统、航空航天电机、太空飞船，直线电机充分发挥出其控制精度高，可低速稳定运行的特点。除此之外，直线电机还被应用于各种各样的民用装置中。如门、窗、桌、椅的移动，门锁、电动窗帘的开闭等。

而直线电机的驱动控制系统的发展是伴随着控制技术以及电子技术的发展的。随着交流电机控制系统的逐步完善，稀土矿藏的大量开采，永磁体材料成本的大幅降低，性能的大幅提高，本文所涉及到的永磁同步直线电机（PMLSM）能够逐渐在其在控制领域发挥出自己的优点。比如等效数学模型简单、控制方法多样、性能稳定等。目前电机控制技术正在向着多重化以及多电平化的方向发展，电力电子技术的快速进步使得电机控制系统越来越高效。

综上所述，发展直线电机的驱动控制系统具有广泛的实际应用价值。

1.2国内外研究现状与发展历史

1.2.1 国外研究与应用现状

最早到1840年，西方的Wheatstone先生提出罒和制作了具有雏形但是与现代直线电机相比并不成功的直线电机，从那时至今也已经有170余年的历史了，这是直线电机的最早历史。从1840年到1955年的116年间，直线电机逐渐从最初的探索实验阶段发展到了能够部分实际应用再进步到能够在实际工业制造领域发挥出重要的作用的阶段，可以说经历了一个不断探索却屡遭失败但是最终成功实际应用的过程。可以说这百年时间是直线电机发展的实验阶段。而在1955年以后直线电机进入了全面开发应用的阶段。由于该时期控制技术以及材料技术的迅速发展，直线电机的发展也进入了一个急速增长的时期。1966年英国的Laithwaite教授以及一批前辈在前人关于直线电机所做工作的基础上，进一步进行试验与验证，取得了不少研究成果。而从1970年至今，直线电机开始进入成为一个可以实际应用的实用商品阶段，伴随着控制技术的发展，各种由直线电机作为驱动核心的商品得到了迅速的推广，在社会生活以及经济活动中发挥了巨大作用，例如直线电机驱动的钢管运输机、运煤机、起重机的使用提高了工业生产效率，各种自动门的使用为人们的实际生活提供了方便等等。

美国在军事领域使用直线电机研发出了电磁炮以及航母上的直线电机驱动的电磁弹射系统。而早在上世纪初期，美军就有过使用感应电机技术来弹射战机的尝试，不过当时该系统的研发成本以及应用成本太高，美军便暂时搁置了该计划。不过随着航空母舰的发展，航母上蒸汽弹射系统的缺点越来越明显。由于结构复杂，蒸汽弹射系统的维修成本以及操作人员培训成本高昂的问题越来越突出，这时研究电磁弹射系统来取代原系统的需求越来越高。

而且电磁弹射系统可以配备相应的电子管理系统，能够准确记录每次弹射的数据，而且可以根据不同战机的特点选择不同的弹射过程。

而电机控制技术的发展在大功率晶体管的出现以后进入了全面发展阶段。从早期的晶闸管-电动机系统（V-M系统）到直流脉宽调速系统，再到转速、电流双闭环直流调速系统以及交流拖动控制系统，电机控制技术始终保持着快速的发展。

目前全世界电机控制系统的发展主要集中在多电平逆变器的电压空间矢量控制以及各种智能控制，模糊控制等新的控制技术上。在本文主要使用的电压空间矢量控制技术方面，多电平技术已经是研究的主要方向。1981年，日本学者提出了基于两电平逆变器的三电平逆变器的控制，相比于两电平逆变器，多电平逆变器由于使用了更多的功率开关器件，在得到同质量的输出波形时，功率开关器罒件的开关频率低，因此使用寿命更长，系统更加稳定。而且近三十年来，第三代电力罒电子器件如IGBT罒的发展，以及DSP、FPGA等高速控制芯片的出现，令多电平逆变器控制技术越来越具有实际应用价值。

1.2.2 国内研究与应用现状

相比于国外，国内直线电机研究起步较晚。大约从上世纪70年代开始，国内才开始有与直线电机研究相关的书籍的出版。1970年，浙江大学罒在国内首先出版翻译了一本《直线感应电机》译文集。可以说是国内最早的关于直线电机的出版书籍。

与国外相比，我国直线电机研究虽然也出了许多成果，但是罒在推广应用方面与国外相比依然存在着一些差距。

2001年在上海建成的我国第一条磁悬浮铁路采用的就是直线电机作为驱动系统的核心。磁悬浮铁路具有高速，环保，低噪等等优点。不过由于轨道的制造成本高昂，难以实现大规模应用，不过作为一个可行的目标，直线电机作为驱动的磁悬浮铁路系统依然具有客观的前景。

由于直线电机作为驱动系统，可以直接与需要操作的工具相连，不再需要添加传动工具，因此在高速切割机床上也有着广泛的使用。利用直线电机驱动代替滚珠丝杠传动已经是机床制造领域的广泛趋势，直线电机驱动的高速切削机床具有高速，高精度，高可靠性以及高工作效率等特点。

直线电机的另一个重要应用领域的海浪发电。利用直线电机可以直线运动的特点制造的海浪能发电机可以简化各种传动装置，提高海浪能的转化效率。海浪能发电的形式主要有两种，一种是将海浪能发电机的一端固定在海床上，另一头加装浮漂漂浮在海面，利用海浪的上下运动来发电，还有一种是将发电机水平漂浮在水面，利用海浪的前后运动来发电。由于海洋里蕴藏着大量的波浪能，因此如果能够提高转化效率，将会大大减少人类对于化石燃料的需求对于人类的可持续发展具有重要意义。

而在电机控制领域，多电平逆变器为基础的逆变器还没有得到大规模的应用，许多高校也正在研究这方面的技术。应用多电平逆变器能够减少能源的浪费，这对于我国的可持续发展具有重要的意义。

1.3本文的重要研究内容与成果

本文先介绍了永磁同步直线电机的结构与数学模型。然后着重介绍了基于多电平逆变器的电压空间矢量控制技术，分析了多电平逆变器与传统两电平逆变器在结构以及控制策略上的区别，介绍了多电平逆变器电压空间矢量技术的原理。着重对多电平逆变器控制系统进行了数学建模与Matlab仿真，并且对仿真结果做了分析。最后利用Altium Designer画出了一个多电平逆变器控制系统的实现电路。

第二章 永磁同步直线电机的数学模型

2.1直线电机的结构与工作原理

2.1.1直线电机结构[^[1]]

如图2.1所示，直线电机的结构可以看作是旋转电机在结构上的一种变形。站在旋转电机的一侧向下看，想象将一台旋转电机沿着径向剖开，然后在水平方向把电机的圆周拉成直线。这样就可以得到由旋转电机罒简单形变而来的罒最原始形态的直线电机。把由定子演变罒而来的一侧称罒为直线电机的初级，由转子演变而来的一侧称为次级。

相比于旋转电机，直线电机初级和次级的相对运动有些不同之处。假设直线电机的初级和次级长度是相等的，由于在运行时初级与次级之间必然会产生相对运动，那么当次级子向着任一特定方向运动时，它与初级之间的接触面积就会减少，导致磁场耦合面积减少，如果减少到了一定程度，那么直线电机就不能正常工作。因此通过保证在直线电机初级罒次级相对位移的范围内，初级与次级之罒间的耦合面积不变，就可以做到在实际应用时直线电机一直处在正常工作状态。通过将初级与次级制造成不同的长度就可以保证在运动过程中，初级和次级的接触面积不变。

图 2.1 直线电机相当于沿着圆周把旋转电机剖开

仅在一边安放初级的称为单边型直线电机，如图2.2所示。这种直线电机还有一个特殊点在于当电机运行时，在初级和次级罒之间会产生一个法向推力，这个法向推力在使用钢制次级的时候会达到推力的10倍左右，在通常情况下是不希望出现这种现象的。通过在次级的两边都加上初级，就可以减小这种不希望的法向推力。采用了这种结构的直线电机称为双边型直线电机，如图2.3所示。

图2.2 单边型直线电机

图2.3 双边型直线电机

2.1.2工作原理

由于直线电机在构造上可以理解为从旋转电机的构造演变而来，所以其工作原理与旋转电机相比有很多的相似之处。按照所学电机学的基本公式与分析思路，以下章节将以旋转感应电动机作为分析对象，从旋转电机的工作原理作为出发点，推导出直线电机的工作原理。

如图2.2所示为一台简单的两极旋转电机模型。图中线圈AX、厬BY、CZ为厬定子厬A、B、C三相的绕组，每相绕组都嵌合在相应的定子槽内。当在其中通入三相对称交流电流后，每相厬绕组中会流过对称定子三相电流。当空载运行时，定子电枢电流在气隙中产生了一个沿着气隙呈正弦分布的磁场。根据电磁场原理计算可以厬得到各相绕组厬电流之间的关系式。由关系式可厬知当A相电流达到幅值时，B和C相电流都厬为负的最大值的1/2，此时，电机定子绕组合成磁场波幅位于A相绕组轴线上。如图2.2a所示，经过后（其中ω为电流的角频率）厬后，B相电流达到最大值，这时C和A相都为负的最大值的厬1/2，而磁场波幅转到B相绕组轴线上，如图2.2b所示。经过t=4π/（3ω）时间后，C相电流达到最大值时，A和B相电流都为负的最大值的1/2，磁场波幅又转到C相绕组轴线上，如图2.2c所示。由此可见，电流随时间变化，磁场波幅就按A、B、C相序沿着圆周旋转。电流变化一个周期，磁场转过一对极。这种磁场称为旋转磁场。当旋转磁场在气隙中旋转时，该磁场就会切割转子导条，而在其中感应出电动势。电动势的方向可按右手定则确定。而转子导条是通过端环短接的，因此在感应电动势的作用下，便在转子导条中产生电流。当不考虑电动势和电流的相位差时，电流方向即电动势的方向。这个转子电流与气隙磁场相互作用便产生切向电磁力F。电磁力的方向可按左手定则确定。切向电磁力便带动转子旋转。

图 2.4 旋转电机的旋转磁场

2.2数学模型提出

永磁同步直线电机是一个非线性系统，这个系统相比于简单的非线性系统，其输入量和输出量都较多。对于这种多输入输出的非线性系统，常用的分析方法是通过坐标变换，把原先难以直接分析的三相静止坐标系abc转换到较简单的两相静止坐标系dq0，即用两个相差90度的坐标轴代替原来三个相隔120度的坐标系，然后再用一个一同步速旋转的两相坐标系αβ来表示两相旋转坐标系，从而达到解耦的目的。

在建立永磁同步直线电机数学模型的过程中，暂时不考虑磁路的饱和现象。

通过对电机的本身结构各项参数、电流、电压以及磁链做Park变换，即可将原先abc三相坐标系下的方程转换的到dq两相坐标系下。以下为永磁同步直线电机在dq坐标系下的方程：

（公式2.1）

在公式2.1中，为电枢绕组的等效电阻，和分别为直轴磁通与交轴磁通，P为微分算子。

当通入三相交流电流时，旋转电机的功率为

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：23190字