制方式突出的优点是没有电机直轴电枢反应，不会引起永磁体的去磁现象，且可以同时
实现直线电机每安培最大推力控制，只要控制好定子电流的幅值和相位，就可以得到满
意的推力控制特性。

三  

 

、 永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台

    借助 National Instruments 公司的 LabVIEW 8.6.1、cRIO9074、cRIO9004 和
9401、9215、9264、9205 高速数、模采集卡软、硬件平台，在较短的时间内搭建了一套永磁同
步直线电机硬件在环实时仿真平台。该平台运用矢量控制算法，根据需要可以实现位置环、
速度环和电流环三环或速度环和电流环二环闭环控制，电流最高采样频率达到 20kS/s(周
期 50us)，高于科尔摩根直线电机驱动器电流采样率 16kS/s(周期 62.5us)。系统的位置和速
度输出可以快速无差地跟踪给定的位置和速度信号，精度达到几个微米级别，可以在线
调节控制器参数和直线电机负载，仿真结果与实际科尔摩根系统类似。该平台的主要功能
模块有：参数设置模块、直线电机模型仿真模块、直线电机控制器仿真模块、图形显示模块
和数据记录与分析模块。

 

参数设置模块： 用来设置直线电机参数、负载系数、粘滋磨擦系数、直流母线电压、采样频
率、初始控制器参数、三角载波频率与幅值、PWM 模块中的死区时间等。其中直线电机参数、
负载系数、粘滋磨擦系数、直流母线电压用于直线电机模型仿真模块（采样频率
100kS/s）；初始控制器参数、三角载波频率与幅值、PWM 模块中的死区时间用于直线电
机控制器仿真模块（采样频率 20kS/s）。这部分子程序是在 cRIO9074、cRIO9004 的 RT 控

 

制器中开发成功。
    直线电机模型仿真模块：采用直线电机数学模型和运动方程来模拟实际直线电机的运
行状态，把得到的直线电机各项运行数据送到直线电机控制器仿真模块。根据参数设置模
块获得的直线电机参数，进行归一化处理，得到直线电机归一化参数。采集由直线电机控
制器仿真模块发来的 6 路 PWM 信号（采用高速数字采集卡 9401），结合直流母线电压
和当前直线电机相电流正、负方向信号，计算出直线电机三相相电压，进行 Clarke-Park 变
换，得到 dq 轴电压。然后根据归一化的直线电机 dq 轴方程计算出下一步直线电机 dq 轴电
流、三相相电流、电磁推力。根据直线电机运动方程计算直线电机的加速度、速度、位移、电
角度等信号，通过高速模拟输出卡 9264，把上面计算出的两路相电流、速度、位移、电角
度共 5 路信号送到直线电机控制器仿真模块。这部分子程序是在 cRIO9004（内插 9401 和
9264）的 FPGA

 

中开发成功。

    直线电机控制器仿真模块：该模块包含位置环、速度环、电流环三环和速度环、电流环
二环闭环控制两个子程序，实现对模拟的直线电机进行速度或位置的闭环控制功能。以位
置环闭环控制为例，来说明该模块的主要功能。采用 9215 和 9205 模拟采集卡采集到直线
电机模型仿真模块发来的直线电机位置、电角速度、两路直线电机相电流和速度信号。根据
位置给定信号和采集到的位置反馈信号，求出偏差值送入位置环 PI 调节器，其输出作为
速度给定信号。以此类推，经过速度环 PI 调节器、电流环 PI 调节器（含 d、q 轴）得到 d、q
轴给定电压信号，通过 Clarke-Park 逆变换，得到三相相电压调制信号。这些信号与三角载
波信号进行比较，得到包括正、反 6 路 PWM 信号（算法考虑了死区效应，防止逆变器上、
下桥臂短路），通过 9401 高速数据采集卡输出到直线电机模型仿真模块，至此整个直线
电机位置闭环控制得以实现。这部分子程序是在 cRIO9074（内插 9401、9205 和 9215）的
FPGA 中开发成功。
图形显示模块：实时动态显示直线电机的位移、速度、三相相电流、位置角度、PWM 波形曲
线。通过 FIFO 实现直线电机模型仿真模块和直线电机控制器仿真模块的 FPGA 与 RT 控制
器进行数据实时交换。这部分子程序是在 cRIO9074、cRIO9004 的 RT

 

控制器中开发成功。

    数据记录与分析模块：存取直线电机的位移、速度、三相相电流、位置角度、PWM 波形等