（电机与电器专业论文）tflsrm牵引力直接控制.pdf

北京交通大学硕士学位论文a b s f f a c t a b s t r a c t t h et r a n s v e r s ef l u xl i n e a rs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( t f l s r 岣i san e wk i n do f l i n e a rm o t o r , w h i c hh a sb e e nr e s e a r c h e dr e c e n ty e a r s i th a st h ea d v a n t a g e so fl i n e a r m o t o r , t r a n s v e r s ef l u xm o t o ra n ds w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r , a n di t sf l u xi sv e r t i c a lt o i t sm o t i o nd i r e c t i o n w h i l ei t sm a g n e t i cc i r c u i ti sd e c o u p l e df r o me l e c t r i cc i r c u i t 1 1 h e t f l s r mc a nb ed e s i g n e df l e x i b l ya c c o r d i n gt ot h ed e m a n d , a n dh a sb l o c k i n g c h a r a c t e r t h e r e f o r e ，t h el i n e a rm o t o rv e h i c l em a d eo f1 h _ s r mi sf i r m ，c r e d i b l e ， c h e a pa n de a s yt om a i n t e n a n c e ，f u r t h e r m o r e ，i tc a l le x e r tt h ea d v a n t a g e so fl i n e a r m o t o rv e h i c l ei nu r b a no r b i t a lt r a f f i c n e d e v e l o p m e n to ft h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r h dp o s i t i o nd e t e c t i o n t e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a da r ei n t r o d u c e da tt h eb e g i n n i n go ft h ep a p e r , w h i c h m a d ead o c u m e n t a t i o no v e r v i e wo nd i r e c td e t e c t i o na n di n d i r e c td e t e c t i o nt e c h n o l o g y t h e nb a s e do nt h ei n t r u d e so ft h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft f l s r m ，t h ea n a l y s i so f t h el e a s o nf o rl a r g et h r u s tf o r c er i p p l ei sm a d e , a n dt h em e t h o d sa th o l l ea n da b r o a d f o rt h em i n i m i z a t i o no ft h r u s tf o r c er i p p l ea r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d i nt h i sp a p e r ，t h et h e o r yo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o lw h i c hh a sb e e nm a t u r eu s e di n t h ef i e l do fa cm o t o ri su s e di nt f l s r m m e a n w h i l e ，b a c kp r o p a g a t i o nn e u r a l n e t w o r k ( b p n n ) i su s e di nt h i sp a p e rt od e t e c tp o s i t i o no ft f l s r m s y s t e mo fd i r e c t t h r u s tf o r c ec o n t r o lf o r1 r i qs r mb a s e do nt h ep o s i t i o nd e t e c t i o nu s i n gn e u r a ln e t w o r k i sf o u n d s i m u l a t i o nb a s e do nm a t l a b s i m u l i n kh a v eb e e nt a k e nt op r o v e dt h e f e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e l yo ft h es y s t e m t h r u s tf o r c er i p p l ea n dt h eu s eo fp o s i t i o ns e n s o ra l et w om a j o rf a c t o r sw h i c h l i m i tt h eu s eo ft f l s r m w h i l et h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st of i n dat h e o r e t i c s o l u t i o nt ot h e mb yu s i n gd i r e c tt o r q u ec o n t r o lt h e o r ya n dn e u r a ln e t w o r k k e y w o r d s ：t f l 5 r m d i r e c tt r a c t i o nf o r c ec o n t r o l , p o s i t i o ns e n s o r l e s sd e t e c t i o n , n e u r a ln e t w o r k c l a s sn 0 ： i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：既强彳； 导师签名： 签字日期：砧年：月 f 哆日 签字f 1 期：卵年乏月刎日 北京交通大学硕士学位论文独刨性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师葛宝明教授的悉心指导下完成的，从论文的选 题、系统方案的设计、实验现象的分析及论文的审阅等方面都凝聚着导师的心血， 导师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢 三年来葛宝明老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，同实验室的同学对我的研究工作给予了热情 帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外在读研期间得到了家人的充分理解和支持，使我能够在学校专心完成我 的学业，在此表示深情谢意。 1 1 选题背景 1 绪论 直线电机技术较为成熟，在世界上许多城市得到了广泛应用。目前已经运营 的线路有加拿大多伦多s c a r b o r o u g h 线、日本大阪地铁7 号线( 又名鹤见绿地线j 、 东京地铁1 2 号线( 又称大江户线) 、马来西亚吉隆坡p l r r r a 2 线、日本神户地 铁海岸线、美国纽约的j f k ( 肯尼迪) 国际机场线等。日本福冈市营地铁3 号线 即将投入运营，准备建设的还有日本横滨市营地铁4 号线、大阪市营地铁8 号线、 仙台市营地铁东西线等【1 1 。在我国，直线电机系统还处于起步阶段，广州地铁四、 五号线已经采用了直线感应电机驱动系统。直线电机车辆系统仍为钢轮、钢轨系 统，车辆的支撑和导向是依靠车轮与轨道完成的，无论是成本、能耗还是维修的 复杂度都较磁悬浮列车小的多，而其性能却远比旋转电机地铁( 或轻轨) 优越。 可以预见，直线电机车辆系统在城市轨道交通中将会得到长足的发展。 直线电机作为一种技术比较成熟的新型城轨交通模式，在驱动车辆方面比旋 转电机有独特的优点，表现在以下几个方面”： 1 直线电机车辆取消了旋转电机及传动装置，电机直接产生直线推力，无 转换耗能问题，结构简单，车辆自重也大大降低，运行可靠。车轮只起滚动与支 撑作用，可采用小轮径( 5 8 0 - 6 1 0 m m ) ，从而大大降低了车体高度，对于地铁应 用而言，可减少隧道断面尺寸( 特别在高度方向) ，进而大幅度降低土建成本。 由于不采用传动装鼍，直线电机车辆没有旋转声和齿轮发出的噪声，并使此部分 保养维修量减少，通过弯道时轮轨间的摩擦碾压声也大大减小，同时减轻了轮轨 的磨损。 2 旋转电机驱动的列车靠轮轨间的粘着获得牵引力，而轮轨粘着系数随速 度提高而下降。尤其严重的是，速度越高，越需要强大的牵引力来克服急剧上升 的空气阻力，所以其列车速度一般不应超过4 0 0 k m h 。直线电机车辆的牵引力( 制 动力) 与轮轨粘着条件无关，有很大的爬坡能力( 6 0 0 o o 胡0 ) ，并可适应小半径 线路，便于城市轨道交通线路的选线和车站的设置。 3 轮轨间不传递牵引力( 制动力) ，车轮不需防空转及防滑控制，同时减少 磨损及维修工程量；散热效果好，可采用自然冷却。 4 对磁悬浮列车只能采用直线电机驱动；通过改变电压与频率控制磁场变 化，可靠控制列车加、减速( 加速度为1 0 3 1 2 5 m s 2 ) ，机械制动维修工作量少、 嗓声低。 随着国民经济的稳定发展，城市化的进程越来越快，城市交通量与运载能力 北京交通大学硕士学位论文 之间的矛盾日显突出，而且直接制约了城市经济的发展。解决城市交通问题的重 要途径之一就是大力发展公共交通，尤其是轨道交通以其运量大，运营速度快、 准点性好等优点而倍受青睬。世界各国纷纷开始采用立体化的快速轨道交通系统 以解决日益恶化的城市交通问题，并且逐步形成了目前以地铁为主体，多种轨道 交通类型并存的现代城市轨道交通发展格局。从中央到地方都一致认为，发展城 市轨道交通是解决我国大城市交通堵塞的主要途径。在学习国外先进经验的基础 上，根据各城市的具体实际，我国的城市轨道交通的发展规模也越来越大。大力 发展轨道交通，对于提升城市结构，解决城市发展中面临的经济与社会矛盾。实 现可持续发展战略，具有特别重要的意义【”。 目前在轨道交通中已经得到应用的直线电机包括直线感应电动机( l i n e a r i n d u c t i o nm o t o r ，即u m ) 和直线同步电动机( l s m ) ，直线开关磁阻电机( l s r m ) 仍处于研究阶段”1 。 1 1 1 直线感应电机 直线感应电动机技术相对最为成熟，因其结构简单，单边激励，成本较小而 应用范围最广。目前广州地铁的四、五号线采用的也是直线感应电机驱动系统。 最常见的是平板型单侧定子结构，将定子部分( 初级) 装载车体之上，以轨道本 身作为转子( 次级) l 6 1 。 直线感应电机具有以下优缺点： 1 具有较大的起动力矩而不需要附加的起动设备，并可实现大范围的加速 和减速。 2 具有较大的气隙( 一般比普通的感应电动机的气隙约大1 0 倍) ，推力随 着气隙的增大而减小，功率因数和效率都比较低，一般的功率因数在o 5 0 6 左 右，效率也只有5 0 一6 0 ，日本h s s t 低速磁悬浮列车的直线感应电机功率因 数与效率均仅为6 4 。 3 直线感应电动机具有端部效应，其端部效应包括纵向效应和横向效应， 特别在高速区域其端部效应特别明显，并起到减少推力的作用。 4 由于存在向车体的引流问题，所以不适宜应用在高速磁悬浮系统。 1 1 2 直线同步电机 同步运行方式所具有的优点，逐渐引起了国内外学者对直线同步电机的重 视。同步直线电动机具有这样的一些特点： 1 采用直流励磁绕组，具有较高的功率因数，使得激磁损耗大大减少，特 2 绪论 别是超导磁体的应用使这一特点更为突出。 2 直线电机的牵引力和法向力可由同一系统提供，而且对电动机气隙的要 求不像直线感应电动机那样的严格，可运行在较大的气隙状态下，因而对轨道的 要求不是很高。 3 对于常规的同步直线电动机，三相交流绕组铺设在地面上使得轨道价格 较高，但是降低了运行车辆的重量。 4 需要一个完整的控制系统使得同步直线电动机在所有的速度下都能够保 持同步运行。 5 同步直线电动机系统的效率相比直线感应电动机系统要高，一般可以达 到9 0 以上。 1 1 3 直线开关磁阻电机 直线开关磁阻电动机与旋转开关磁阻电动机是相对应的，可以实现高精度、 快响应、高效率以及高输出的性能指标。直线开关磁阻电机是单边激磁，次级上 没有激磁绕组，因而具有结构简单，建筑费用较低的特点，可以通过合适的控制 策略来提供满意的电机性能。 直线开关磁阻电机系统能够产生牵引力，也能产生法向力，这两个力是互相 垂直的。直线开关磁阻电机的牵引力与旋转开关磁阻电机由于凸极效应而产生转 矩的原理类似，它的功率因数较低，效率比直线感应电动机要高，但比直线同步 电动机要低。就目前而言，直线感应电动机和同步直线电动机推进系统是正在进 入实用阶段的磁悬浮列车所普遍采用的推进系统，而直线开关磁阻电动机推进系 统由于其自身的优点，也逐渐受到各国专家的重视。 从磁通方向与电机运动方向的关系上来分，直线开关磁阻电机可以有径向磁 场直线开关磁阻电机( r n 5 r m ) 和横向磁场直线开关磁阻电机( 1 hs r m ) 两 大类。 径向磁场开关磁阻电机 r f l s r m 的结构如图1 1 所示”1 ，相当于将传统的旋转s r m 沿圆周方向展 开，在初级上绕有线圈，次级无绕组。根据磁通沿磁导最大的路径闭合的原理以 及右手螺旋定则可以得出，电机的初级在牵引力的作用下沿水平方向运动，且电 机磁通方向与电机运动方向一致，因此称为径向磁场直线开关磁阻电机。 3 北京交通大学硕士学位论文 几几几几几几几几n 几几几几次极 图1 1 r f l s r m 的结构 f i g u r e1 1s t r u c t u r eo fr f l s r m 横向磁场开关磁阻电机 t f l s r m 是一种新型电机，它的磁通方向与电机运动方向垂直，实现了磁 路与电路结构上的解耦“，可以通过电机极数和相数的增加提高牵引力，增强了 设计的灵活性。由t f l s r m 构成的直线电机车辆不但坚固、可靠，成本低廉， 维护简单，而且能充分发挥直线电机车辆在城市轨道交通中的优势。 综上所述，在驱动车辆的直线电机方面，尽管u m 发展多年，在技术上相 对成熟，目前已被多数国家在磁悬浮、地铁与轻轨车辆中采用，但是其功率因数 与效率低的问题至今难以解决。虽然l s r m 的研究刚刚兴起，但它特有的结构 与性能，使其在城市轨道交通车辆的应用中很具前景。目前，虽然对于t f l s r m 的研究尚处于起步阶段，但是t f l s r m 的出现突破了传统电机设计思想，开辟 了一个新的领域。从已有的结论来看，t f l s r m 已显示了较好的前景，同时还 有许多领域有待探索。所以，无论从学术或实际应用的角度对t f l s r m 进行研 究都有很大意义【3 】。 1 2 直接转矩控制技术 直接转矩控制( d t c ) 方法已经成功地应用于异步电机控制领域。它体现 出控制策略简单实用，动态响应快，调速精度高等特点，可以有效地控制电机 转矩。直接转矩控制一经提出就以其控制结构简单，控制思想概念明确新颖， 优良的动静态性能受到了普遍的关注，各国学者对此作了大量的工作，取得了 很多研究成果1 9 1 。 直接转矩控制方法的基本思路就是把电机和逆变器看作一个整体，采用空 间电压矢量分析方法在定予坐标系上进行磁链、转矩计算。通过选择逆变器不 4 同的开关状态直接对转矩进行控制。不同于矢量控制的是，它不是通过控制电 流、磁链等量间接控制转矩，而是直接以转矩作为被控量进行控制，省掉了矢 量旋转变化等复杂的变换和计算。它仅需要一组滞环控制器和一个速度p i 调节 器，动态性能优良。直接转矩控制在计算过程中只需要定子电阻，它对电机参 数的依赖比矢量控制小得多，其控制性能受参数变化影响也比较小【1 0 】。 聊r c 在交流电机上的应用已经很成熟。然而，最初的d 1 陀应用在采用三相 平衡正弦波激励的交流电机中。开关磁阻电机高度非线性，为脉冲供电，不是正 弦波供电方式，且电机各相之问单独供电，各相之间的激励关系与交流电机差异 很大，因此曾经认为d t c 不适用于开关磁阻电机的控制。但是缘于直接转矩控 制法的诸多优点，很多学者通过大量的研究，已经成功地将其应用于开关磁阻电 机控制中。开关磁阻电机直接转矩控制的研究主要在国外，国内目前只有华中科 技大学的詹琼华老师做过相关方面较为系统的研究。而且，各文献都介绍了应用 于控制旋转式开关磁阻电机，目前尚未见有应用于直线开关磁阳电机的报道。具 体地，见诸于文献的开关磁阻电机直接转矩控制方法有以下几种： 1 2 1 改变绕组结构的方法 文献【1 1 卜【1 3 】等介绍的直接转矩控制法提出连接两个定子极的“短路磁链 模式”的概念，为了获得这种磁链模式，提出了一种新的绕组结构。这种方法 通过连续依次的改变各相绕组中电流的比例从而产生一个旋转的磁链，与交流 电机类似。这种方法的缺点是需要一种新的绕组结构，但是改变绕组结构既昂 贵又不方便。而且即便文献中所提出的方法能够应用于一般的开关磁阻电机中， 也需要采用双极电流驱动。这样的话将会使电机每相中使用的开关管加倍，使 控制信号也加倍，这就必然使驱动系统中所需的硬件和软件的结构更加复杂， 同时大大增加了成本。 1 2 2 基于转矩特性的方法 文献【1 4 】，【1 8 1 等中介绍的方法则不要改变电机绕组结构，且适用于任何结 构的开关磁阻电机，因而对其的研究比较广泛，现在开关磁阻电机直接转矩控 制的研究主要遵循这一思想。该方法基于电机的转矩特性，通过控制初级磁链 的幅值和初级磁链的速率变化来控制电机的转矩。它同样需要获得一个旋转的 磁链，因而需要将三相磁链变换到两相坐标系中，以便计算出磁链矢量的幅值 和角度。转矩和磁链通过滞环来控制，系统通过电机的转矩和磁链矢量的相关 信息来选择最佳的电压矢量，从而将电机转矩控制在期望的范围内。 5 北京交通大学硕士学位论文 1 2 3 基于滑模控制的方法 文献1 1 9 1 介绍了一种运用滑膜控制的直接转矩控制法。由于开关磁阻电机 磁化特性是高度非线性，而转矩是电流和转子位置的非线性函数，因此给给定 的参考转矩寻求等效的参考电流是行不通的。这就要求控制器对模型的精确性 具有很强的鲁棒性，而这正是滑模控制法( s m c ) 的优点所在。文中通过一个 等价的梯形电感模型来获得一个等价的控制，而为了获得鲁棒性，在等价控制 中增加了开关磁阻电机的饱和开关控制，控制器使电机转矩不断在一个接近零 的窄带中跟踪误差，从而减小转矩的脉动。 1 2 4 基于模糊逻辑控制的方法 文献1 2 0 1 介绍了采用变结构模糊逻辑的直接转矩控制方法。在这个方法中， 常规直接转矩控制中所采用的磁链和转矩滞环控制以及开关表被一个模糊控制 器所取代，这个模糊控制器的作用是计算合成p w m 波所需的单电压脉冲。产 生的转矩用来控制定子磁链矢量的加速或减速，这样模糊控制器就会产生一个 所需的定子磁链矢量角度变化，将这个变化的角度加到原来的角度上，用以计 算出新的磁链矢量。下个控制周期中所需的电压矢量将通过定子电压方程计算 出来，最后各相所需的相电压通过p w m 控制器来统一处理。 转矩的反馈是直接转矩控制的一个重要环节，因此实时准确的估算出转矩 的值是保证系统可靠运行的关键。由于转矩与角度、电流的关系是不可解析的， 已发表的文献基本上都采用查表的方法来实现转矩的实时反馈。可以建立转矩 与角度、电流的关系表t ( 8 ，i ) ，或者转矩与磁链、电流的关系表丁( i ，西，还可 以建立转矩与角度和磁链的关系表r ( 0 ，妒) 。查表法能够将电机的非线性特性完 全的包含在查找表里，但是这种转矩反馈的最大缺点就是查找表的建立比较繁 琐，而且根据这个查找表设计的控制器只适合一台电机使用，实用性差。 基于直接转矩法在电机转矩控制中的诸多优点，如果我们把这种先进瞻控 制模式移植到t f l s r m 中，则可以解决t f l s r m 中很难解决的牵引力脉两问 题。 1 3t f l s r m 牵引力脉动产生原因及鼹决方法 t f l s r m 具有双凸极结构。同时由于t f l s r m 磁路的饱和，各相产生牵引 力的非线性特性、各相电流在零和额定值之间的开关切换并非瞬间完成等原因， 6 绪论 使得即使依顺序给t f l s r m 相绕组用矩形波供电，其瞬时牵引力亦非恒定，这 严重影响了电机的运行性能。特别是在换相阶段这种牵引力脉动尤为明显。在高 速情况下，由于t f l s k m 运动的惯性滤波效果，虽然电机的瞬时牵引力不平稳， 但是对电机速度性能的不良影响被抑制，此时更注重的是平均牵引力。但是在低 速情况下，这种牵引力脉动的影响比较明显。 牵引力脉动最严重的区域在换相期间，某相开关管关断，电流下降，此相产 生的牵弓l 力也随之下降，下一相的开关管此时不一定导通，可能即使导通也是处 在电流建立阶段，产生较小的牵引力，这种情况在t f l s r m 的运行过程中是必 然会发生的。 非换相阶段的牵引力脉动主要是由于对相绕组的激励不当造成的。在电感的 上升区，牵引力的大小与电流的大小有关系，在磁通未饱和的时候是近似成2 次 方的关系，在饱和情况下近似成1 次方关系。在传统的控制方法中，往往只是限 制电流的上限，只要电流不超过范围即可。在低速斩波情况下，强调的是绕组电 流尽可能的大，从而获得最大牵引力，这样牵引力的输出就会随着相电感的自然 特性波动。在开通关断位置控制的条件下，因为绕组内的电流是一个单脉冲，只 有导通位置和关断位置这两个可控参数，牵引力也无法有效控制。所以用传统的 控制方法会给牵引力带来很大的波动，但是在这一区域内如果能够适当地控制绕 组电流，则可望消除牵引力的脉动问题。 对于开关磁阻电机而言，抑制转矩( 或牵引力) 脉动主要有两种方案。一种是 优化电机的电磁设计，合理设置定、转子的结构与参数来减小转矩( 或牵引力) 脉动1 2 1 1 。另一种是采用合适的控制策略，通过对电机的各种控制参数进行最佳组 合，实现转矩( 或牵引力) 脉动的最小化【蠲。以下主要从电机控制方法的角度进行 探讨。 直线开关磁阻电机是与旋转开关磁阻电机是相对应的，因而适用于旋转开关 磁阻电机转矩脉动抑制的方法也同样适用于直线开关磁阻电机牵引力脉动的抑 制。图1 2 为开关磁阻电机调速系统转矩脉动最小化的一般控制框图。调速控制 系统的内环使用从外环控制或速度控制模块得到的参考转矩输入来调节电机的 电磁力。参考转矩以及位置反馈信号决定开关磁阻电机给定相电流的大小。参考 转矩与转子位置之间的映射可以通过在控制模块内的转矩脉动最小化算法来实 现。在一些方法中，换相控制器或换相调度器被用来确定与转子位置相应的不同 相的开关器件的导通和关断。通过滞环电流控制器或固定频率的脉宽调制( p w m ) 控制器来调节给定的电流。 7 北京交通大学硕士学位论文 图1 2s r m 转矩最小化控制原理图 f i g u r e1 2s c h e m a t i co ft o r q u em i n i m i z a t i o nf o rs r m 1 转矩函数分配法 抑制转矩脉动的一种方便的控制方法是调节每一相产生的转矩，使总转矩接 近由位置或速度控制环所产生的参考值。总转矩在不同相之间的分配受开关磁阻 电机的f f 一0 特性曲线的限制。一个变化范围宽的电流调节器是必须的，它被 用来调节相电流或相磁通，同时也可以保持期望的相转矩。在s r m 中对应转子 位置的转矩分布是任意的，这一点正是开发抑制转矩脉动控制器的困难之处。许 多开发抑制转矩脉动控制器的努力都投入到设计转矩分配函数上，转矩分配函数 将定义每一相转矩要求。这种方法根据提前定义好的转矩分配函数控制换相期间 的转矩变化率而不是电流变化率。 较早使用转矩分配函数抑制转矩脉动的方法是在文献1 2 3 】中通过定义指数 递增和指数递减转矩分配函数来实现，论文中称其为m 函数。从参考值得到的 相转矩为： ) s i t 乇肌p ) ( 1 1 ) 掣 x 肌p o k ) - 1 ( 1 - 2 ) 茬恒定转速下，微分流形理论被用于参考系变换以得到满足转矩脉动最小化 的相电压参考值。这种方法的局限在于假设了磁场线性化和恒速运行，并且控制 器的电压要求对于功率变换器的电源形成了限制。转矩分配函数在文献1 2 4 1 电机 磁场结构的设计中出现。这些抑制转矩脉动的方法也产生了许多成功的控制技 术。 2 线性化和解藕技术 文献【2 5 】【2 6 】中，出现综合电机模型线性化、负载特性以及开关磁阻电机各 相间解藕的控制要求的先进控制系统，电机的非线性特性通过确定的电机模型反 映出来。非线性状态反馈控制器提供了期望的状态解藕，只要认为状态变量( 位 置、速度以及电流) 是确定的。换相控制器分配给不同相适当任务：转矩和电机 运动由被分配的相进行控制，同时控制其他相的定子电流动态特性以使其不产生 8 绪论 负转矩。被分配相的控制律用于抵消电机和负载的非线性，以使整个系统线性化 换相器的换相时间被设计成固定时间间隔，迫使关断相以最快的斜率下降。这种 固定的换相时间导致在低速情况下产生很大的相电流峰值。 文献 2 7 1 介绍了带有平衡换相器的线性解耦技术，这里拥有最大转矩安培比 率的相构成总转矩的主体。换相角集中在临界转子位置角彰，与该角度相邻的两 褶在相同的电流情况下产生相同的转矩。矿可以从s r 电机的t f 一口特性曲线 中求出。在任一瞬时，仅有一相拥有最大转矩安培比率。这一相被分配为转矩 最大相。在彰位置这一相停止成为最大相，此时换相过程发生，下一相成为产生 转矩的主体。其他相电流在换相期间是上升、下降或不导通。平衡换相器识别和 分配所有相的响应，因此解藕各相的控制作用。在各相之间的转矩使用精确的开 关磁阻电机模型确保了低的转矩波动。在除了最大相以外各相电流导通时尽可能 小，确保非常低的铜耗。平衡换相器不仅达到了转矩脉动最小化的目标，而且还 实现了驱动效率最大化( 使得各相中的欧姆损耗最小) 的目标。 线性化解藕技术利用在换相期间电流变化率恒定，而不是象前面描述的在 t s f 技术中控制转矩变化率，即将导通的相与关断相都在换相过程中有恒定的电 流变化率。这种方法的缺点是指定产生转矩相的电流由于延迟换向，仅仅在换相 之前增加。通过一次解算一相使转矩脉动最小化，这需要对磁链进行高次导数求 解，总是引起电压饱和。限制了运行速度的上限，这种技术要求在电机精确的数 学模型能够得到的情况下可以得到没有脉动的转矩。化简过程中的大量计算是一 个缺点，使得这种数字式实时方法只适用于低速情况下的应用。 3 宽速变化范围控制技术 在文献 2 8 1 提出了一种基于磁通的电机模型，采用级联控制器结构，该结 构包含了前馈非线性转矩补偿器和磁通控制器。该文中描述的控制器主要应用于 机器人的轨迹跟踪上。两种优化算法决定了两套磁通曲线，这样不仅使得转矩脉 动最小，而且使得欧姆损耗和供电电压最小。但是在高速应用情况下，并不要求 供电电压最小，这样避免了电压饱和使得相电压要求不超过供电电压基于开关磁 阻电机的模型给出了依赖转子位置项和依赖磁通项的解藕关系。在此模型中的相 电流可以表示为： i r ( x ) + r ( a ) x x( 1 - 3 ) 式中，f o 为磁路中铁芯部分的非线性影响，矗侈) 为标准的气隙磁阻。值 得注意的是这个模型是从多齿转子极得到的，并不适用所有类型的s r m 电机。 宽速变化范围的转矩脉动最小化控制技术应用在两相同时产生正转矩的情 况下。这种换相算法取决于实时转速，是一种实时算法，它不依赖于提前计算的 数据。在设计脉动最小化算法时，避免功率变换器的电压饱和，并且最大限度地 9 北京交通大学硕士学位论文 利用s r m 产生的转矩能力。 4 基于模糊逻辑控制的控制器 文献 2 9 j 介绍了自适应模糊逻辑控制器设计策略，这种控制器在s r 电机基 速以上也可使转矩变化平滑。转矩在每一相的最大正转矩产生区域产生。这样就 增加了转矩密度，同时避免电流产生大的峰值。模糊逻辑控制器对于转子位置信 息的误差也有一定的鲁棒性。模糊逻辑控制策略框图如图1 3 所示。 图1 3s r m 的自适应模糊转矩控制 f i g u r e1 3s e l f - a d a p t i v ef u z z yt o r q u ec o n t r o lf o rs r m 自适应模糊控制器如图1 4 所示：在这个控制器中使用转子位置作为输入， 而输出是相电流。在该控制器中，输入变量0 的隶属函数p ，在中心处有一最大值， 当日远离中心时，它的隶属函数值下降到零。这样一个对称函数印；p ) 可以通过 中心幅度函数加， ) 和在它的输入变量0 的有效宽度函数仃；p ) 来定义。输出变量 单值的权值通过最小二乘算法来进行修改。这个控制器采用在闭环系统中转矩估 计器中得到的估计转矩来确定自适应模糊控制器的隶属函数分布。各相的超前角 通过不断修改模糊隶属函数的换相区间来确定。为了使导通区域最大，通过以一 个非常小的负转矩来结束导通，从而得到优化的换相角。图1 5 显示转子位置起 始隶属函数分布。这个隶属集合p 是电动运行下的非导通区域。如果在非导通区 一个大于参考负转矩的负转矩被检测出，那么通过将隶属集合p 向左扩展到正转 矩产生区域而将换相角增加。如果一相刚好在对齐位置之前去磁，那么没有负转 矩产生，隶属集合p 向右缩减，因此减少了导通周期。 各相的超前角通过检测在导通起始时电流幅度的变化率来进行调节。使用滞 环比较器来修改这个角度。对于较大变化率时模糊集合向右移动到不对齐位置附 近，对于较小变化率则向左移动。换相和超前角自适应策略使得各相在最大的电 动转矩区导通，避免了负转矩产生区域。这种控制策略也可以根据转子位置信息 的任何误差将模糊集合转移到适当的电动区域，从而使得控制方法对转子位置误 差有一定的鲁棒性。 l o 绪论 图1 4 自适应模糊控制结构图 f i g u r e1 4s t r u c t u r eo fs e l fa d a p t i v ef u z z yc o n t r o l p 徊) 1 1 l 北京交通大学硕士学位论文 1 4 旋转s r m 位置检测技术 换相位置的检测是保证开关磁阻电机正常运行的关键。旋转s r m 的位置检 测可以采用位置直接检测技术和位置间接检测技术。位置直接检测技术即用位置 传感器检测定转子的相对位置，然后位置信号反馈至逻辑控制电路，确定对应相 绕组的通断。常见的检测方案有光电式、电磁式( 霍尔式) 、磁敏式等。但是 采用直接位置传感器增加了电机机械结构的复杂性，给生产和维护带来不便；附 加的传感器和相应的信号处理设备增加了电机驱动系统的成本；光敏管易产生机 械损伤，无疑降低了驱动系统的运行可靠性。鉴于直接位置检测技术的诸多弊端， 探索新型的换相位置检测方案以提高电机驱动系统性能的必要性大大增加，因此 促进了问接检测技术的产生和发展。 ， 国内外学者对无位置传感器的换相位置间接检测技术进行了大量的研究，提 出了很多检测方案。这些检测方法具有如下特点：机械结构简单，不存在 机械误差，电机成本较低：可靠性高，受环境因素影响小；换相位置的检测 是通过电机电气参数与转子位置的函数关系来实现的：由于函数关系的复杂性 和计算延时误差等因素，间接检测方案的精度要低于直接检测方案。常见的换相 位置间接检测方案可大致分为以下几类”1 ： 1 4 1 电流波形检测法 此方法是最早提出的无位置传感器检测方案，由英国剑桥大学的a c a m l e y 和砧在1 9 8 5 年提出。开关磁阻电机相电流的变化率取决于增量电感，而增量电 感又由转子位置决定，根据这一规律就可以解算出转子的位置。这一方法原理简 单，无需外加电路，但是实时电感的计算时1 日 较长，而且计算容易受到干扰，还 存在一定的延时。 在此基础上，a c a r n l e y 等人提出了改进方案，也称脉冲电流注入法。利用不 通电的空闲相，在很短时间内注入低幅高频信号，从而产生所需的电磁信息以得 到相应位置信号。该方法以及由此演变而来的电感简化算法、电流定位法1 ，实 现较为简单，但是注入的脉冲信号可能产生制动转矩，影响电机的效率，涡流也 会影响检测精度，而且此法的硬件电路比较复杂。 1 4 2 磁链法 磁链法最初提出时的思想是，由于开关磁阻电机特殊的凸极结构，不同的转 子位置对应这不同的磁链一电流曲线。如果能测得不同转子位置下对应的磁链一 电流曲线簇，就可以建立一个电流、磁链、位置的三维关系表放在内存中，只要 计算出每一时刻的磁链值，查表就可以得出当前的实际位置，因而又被称为查数 据表法。 磁链法及由此衍生的简化磁链法删等检测方法，原理简单，但是需要较为 准确的电磁特性曲线，且需要大量的内存存储数据表格，算法非常复杂，计算量 也很大。 1 4 3 附加测试线圈法 关于附加测试线圈法的提出，参见文献”。该方法需要在定子绕组上附加 额外的测试线圈，定子绕组采用顺串接法，测试线圈可采用顺串或者反串接法。 通过检测测试线圈上的电感变化规律，采用一定的解调技术鳃算出转子位置信 息，如相位解调技术、幅值解调技术等。 这种方法便于实现，且适用于任何类型的电机，但是需要额外的硬件电路， 增加了成本和复杂性，同时对硬件电路精确性和软件控制的精度要求均比较高。 1 4 4 状态模型观测法h 冽 这一方法由l i l 咖s d a j n 等人提出，针对电机相电感、电流与转子位置间的函 数关系引入状态观测器进行位置估计。在电机参数已知的情形下，根据电机的电 磁特性和机械特性建立精确的模型，通过选择合适的状态变量( 转速、位置、磁 链等) 和系统的输入输出量( 相电压、相电流等) ，建立关于电机本身固有物理 参数的状态观测器模型。位置信息作为待估计的状态参数，可以通过检测电机的 相电压和相电流得到其估计值。 这种方法比较灵活，可以与各种现代控制手段结合起来应用，无需附加硬件 电路，也无需考虑诊断脉冲带来的负面效应。但是，此法非常依赖于电机模型的 精确程度，对处理器的实时计算能力要求较高，算法也很复杂。 1 4 5 人工智能法 随着人工智能的运动控制技术在世界范围内的广泛研究，基于模糊逻辑及 北京交通大学硕士学位论文 神经网络的s r m 位置检测方法得到了极大的发展。神经网络位置估计的重点是 建立根据s r m 电磁特性的神经网络模型，经训练后，就可以定义从输入磁链和 电流到输出转子位置角的映射函数。神经网络( a n 理论上能够逼近任意的非 线性有理函数，是简单的非线性函数的多次复合，无需建立任何数学模型和人 工干预，具有自学习、自组织和自适应等功能和特点。而且还能够比其他的逼 近方法更加容易建立模型，给非线性控制领域问题的解决提供了有力的工具， 能够建立起一个较为准确的关于磁链、电流和转子位置角之间相互关系的网络 结构，使其成为s r m 无位置传感器转子位置检测的理想工具。人工智能的方 法应用于开关磁阻电机无位置传感器的研究是现在的热门课题，不论是国内还 是国外，将神经网络应用于开关磁阻电机的转子位置估计的研究相对来说都较 为丰富。文献【4 4 】。1 4 7 等都是从这个角度进行研究的。 1 5t f l s r m 位置检测技术 与传统的开关磁阻电机一样，位置的检测是保证t f l s r m 电机正常运行的 关键。目前，见诸文献的t f l s r m 位置检测技术有： 1 5 1 直接检测技术 文献【3 】介绍的直接位置检测技术中，位置检测单元采用的是光电式位置检 测器，向处理器端口正确提供位置信息，位置检测器示意图如图1 6 所示。 光电传 图1 6 位置检测器示意图 f i g u r e1 6s c h e m a t i cp l a no f p o s i t i o nd e t e c t o r 位置信号传感器是由光电传感元件( 初级固定部分) 和齿条( 次级固定部分) 构成。在系统中，电机初级的每相各用一只光电传感元件，它由安装底座、红外 发光二极管和红外光电三极管组成。在发光二极管和光电三极管之问有一个槽， 当槽中无遮挡物时，光线能够照射到光电三极管上，光电三极管饱和导通；而当 光线被遮挡时，光电三极管截止。通过适当的外接电路就可以把光电三极管电平 高低的变化转化为初级的位置信号。齿条固定在次级，其齿、槽等宽且数目与次 级极数相等，齿的前沿与直线电机次级极中心线对齐，后沿与次级凹槽中心线对 1 4 绪论 齐。 直线电机的初级运动时，齿条的齿、槽从光电传感器的槽中顺序穿过，当它 的齿进入槽中时便遮挡住发光二极管的光线，使光电三极管处于截止状态，其集 电极输出高电平1 给处理器；当齿条的槽通过光电传感器槽时，发光二极管的光 线能够照射到光电三极管，使之饱和导通，集电极输出低电平0 给处理器。所以 电机运动对，每只传感器都可以经整形获得方波信号。 这种方法存在以下两个主要缺点：在工程应用中，附加在次极上的齿条需 沿轨道铺设，使得整个系统的复杂性增加。为了确保换相位置检测的准确性， 对次级附加机械部件工艺要求较高，工程造价大大提高。 1 5 2 基于凸极结构的换相位置检测方法 针对直接检测方法存在的缺点，文献【3 】提出了_ 种基于凸极结构的换相位 置检测方法。l s r m 具有双凸极的特殊结构，这就决定了其各相电感值随初级， 次级间的相对位置而变化。当初级齿与次级齿正对齐位置时电感值最大，当初级 齿与次级槽对齐位置时电感值最小，在这两个位置之间电感连续变化，如图1 7 示。因此若在电机初级边安装检测器，检测到次级边齿、槽的位置，得到与各相 电感上升、下降区的对应关系，结合在某一相的电感上升区给该相通电，则产生 电动牵引力，在电感下降区通电则会产生制动力的原则，即可决定当前导通相及 换相位置，从而控制电机的运行。因此，基于凸极结构的换相位置监测方法只需 在t f l s r m 初级侧附加位置检测器，来完成换相位置的检测，而次级侧无需外 加任何器件。 该方法的位置检测示意图如下； k 2k 1 ii厂 ul l j 匿圈气 图1 7 位置检测器示意图 f i g u r e1 7s c h e m a t i cp l a no f p o s i t i o nd e t e , c t o r 将位置检测器安装在初级侧，沿次级所在轨道方向与初级平行放置，垂直于 硒u 繁f 北京交通大学硕士学位论文 轨道平面，其端部检测面与次级凸极平面间距离保持在检测器可行的检测范围 内。在电机运行过程中，当次级的凸极与检测器正对时，检测器输出为高电平， 即将信号“1 ”传递给控制器；当次级凹槽与检测器正对时，检测器输出为低电 平，将信号“0 ”传递给控制器。控制器根据在相电感上升区通电产生电动力， 在下降区通电产生制动力的原则，将检测器输出的高低电平，采用一定的算法， 变换为相应的换相位置参考信号，实时控制电机运行。 1 5 3 磁链波形法 磁链波形法是一种间接位置检测方法。电机的横向牵引力与各相电感之间有 密切的对应关系，因此可以通过检测各相电感上升和下降区域决定当前导通相及 换相位置，从而控制电机的运行。为此，文献【4 8 1 提出在t f l s r m 初级边附加检 测磁极，磁极上附有激磁绕组和检测磁链的检测绕组，用以完成换相位置的检测。 激磁绕组与检测绕组均绕在检测磁极上，给激磁绕组通以激磁电流，检测绕组无 外加激励。这一检测方法的关键在于要保持检测线圈的恒定小值电流，利用磁链 和电感的线性关系测定换相位置。 该方法无需在直线电机次级边加任何装置，而只需在初级边附加一套具有独 立磁路的三相检测绕组。由于直线电机的气隙较大，在激磁绕组电流很小时各相 检测绕组电感只是位置的函数。所以，在恒定的激磁电流情况下，各检测绕组磁 链与其电感成正比，通过求取各磁链的递增变化区与递减变化区，即可方便地获 得各相换相位置参考点。 状态观测器是通过检测到的直线电机终端相电流和相电压值估计出换相位 置和运行速度，包括一个t f i s r m 状态空间模型。 1 5 4 滑模观测器法 滑模状态观测器法的基本原理是：针对实际电机建立一个状态模型，模 型的状态空间方程与电机实体的特性接近，状态模型的输入值也与电机实体相 同，二者输出值的差作用于观测器最后的估计值，使得估计值无限接近于实际值。 文献 s q 作者根据前人的研究基础，提出基于滑模状态观测器的位置检测方法， 该方法根据t f l s r m 电机本体的状态