（电机与电器专业论文）直线感应电动机驱动控制的研究.pdf

东南大学学位论文 a b s t r a c t t h el i n e a rm o t o ri sak i n do fe q u i p m e n tf o rc o n v e r t i n ge l e c t r i c a le n e r g yi n t ol i n e a r m o v e m e n tw i t h o u ta n yi n b e t w e e nt r a n s f e r r i n gm a c h i n e n 坨l i n e a ri n d u c t i o nm o t o ri sa k i n do fl i n e a rm o t o r sw h i c hi su s e db r o a d l ya tp r e s e n t d u et ot h ep a r t i c u l a r i t yo ft h e m o t o r ss t r u c t u r e ，i ti sm o r ec o m p l e xt oc o n t r o li ta c c u r a t e l yt h a nc o n t r o lar o t a r y i n d u c t i o nm o t o r i no r d e rt om a k ei t ss p e e da n dp o s i t i o na c c u r a t e l yc o n t r o l l e d ，d i r e c t t h r u s tc o n t r o lf o rt h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o rh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r dw h i c hi sb a s e do n t h ei d e ao fd i r e c tt o r q u ec o n t r o lf o rt h er o t a r ym o t o r t h ee n de f f e c t si n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o ri s a n a l y z e d i nt h eq u i e s c e n tt w op h a s ec o o r d i n a t e ，ad y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e lo fa i i n e a ri n d u c t i o nm o t o rw h i c hi ss i m i l a rt ot h em o d e lo far o t a r yi n d u c t i o nm o t o ri s e s t a b l i s h e dw i t ht h ee n de f f e c t si n f l u e n c et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h eb a s a lt h e o r i e s o fd i r e c tt h r u s tc o n t r 0 1f o rt h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o ra r ei n t r o d u c e d a n dt h e nt h e s i m u l a t i o nm o d e lo fd i r e c tt h r u s tc o n w o ls y s t e mf o rt h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o ri s e s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o no ft h ed i r e c tt h r u s tc o n t r o ls y s t e mi sc a r r i e do n 1 1 1 er e s u l t s o f t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e ：t h ed i r e c tt h r u s tc o n t r o lm e t h o dr e s p o n dw h o s ea r i t h m e t i ci s s i m p l e ，a n dr e s p o n s eo fs p e e di sr a p i d ，i sav i a b l ec o n t r o ls t r a t e g yf o r t h el i n e a r i n d u c t i o nm o t o r b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fi t s e l gc o m p a r e dw i t hd i r e c tt o r q u e c o n t r o lf o rr o t a r yi n d u c t i o nm o t o r , t h ep e r f o r m a n c eo fd i r e c tt h r u s tc o n t r o ls y s t e mf o r t h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o ri ss l i g h t l yb a d r a i s i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mi st ob e t r e a t e di nf u r t h e rs t u d ya n dt h er e s e a r c h am o d e lo ft h em a g l e vt r a i nw h i c hu s e sal i n e a ri n d u c t i o nm o t o ra si t sd r i v ei s i n t r o d u c e di nt h el a s tc h a p t e r 1 1 1 ea u t h o rd e s i g n sad r i v i n gi ns e g m e n t ss y s t e mf o rt h e m o d e lo ft h em a g l e vt r a i n ，u s i n gm i t s u b i s h if x 2 n 一3 2 m rp l ca st h em a i nc o n t r o l l e r ， w h i c hc a r lf u l f i l lt h ec o n t r o lr e q u e s t so ft h em o d e lt r a i n 1 1 1 es y s t e md e s i g n e di se a s yt o b em a i n t a i n e da n di t sa n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yi ss t r o n g k e y w o r d s ：l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ，e n de f f e c t ，d i r e c tt h r u s tc o n t r o l ，m a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o n ，p l c ，d r i v ei ns e g m e n t s 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或者其它教育机 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表示并表示了谢意。 签名：歪蕴茸 日期：诬如a1 且 学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸制论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许 论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或者部分内容。论文的公 布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：勘导师签名：i ! 生匿 日期 幽。扩一，一7 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 直线电机在工业、交通、国防及民用等领域得到了越来越广泛的应用。近1 0 余年来，由 于交通运输的飞速发展，许多发达国家都在大力研究用直线电机作为火车推进的动力，并于 磁悬浮技术相结合，发展一种所谓的磁悬浮列车。与传统推进方式不同，磁悬浮列车取消了 车轮和车轴，具有高速舒适安全等许多突出的优点，是解决现代地面交通运输问题的一种很 有前途的方案。 直线感应电动机的驱动控制技术是采用直线感应电机作为驱动力的低速磁悬浮列车的关 键技术之一，因此，直线感应电动机驱动控制技术的研究，对低速磁悬浮列车的发展具有重 要意义，对于推动我国磁悬浮列车技术的实用化和其他轨道交通工具进一步发展具有重大的 现实意义。 1 2 直线感应电动机控制的研究现状 1 2 1 直线感应电动机控制的研究方法 直线感应电动机应用系统的负载直接与电机的动子相连，负载的变化和外部扰动直接影 响电机控制的性能，因此，直线感应电动机的控制需要用高精度的控制系统。自动控制技术 与微计算机技术的发展为直线感应电动机的控制提供了条件。其核心控制部件可以采用p l c 、 单片机、p c 机、d s p 芯片等，外围的输出通道可采朋继电器、晶闸管和固态继电器等。 实现对直线感应电动机的控制，首先要考虑边端效应对直线感应电动机性能的影响。文 献口i i w 【4 i 论述了边端效应对直线感应电动机性能的影响，作了定量分析，并给出等效方案；文 献p 1 1 6 1 7 i 在考虑边端效应影响的前提下，采用矢量控制技术实现了对直线感应电动机的控制。 直线感应电动机控制的研究基本上可以分为两方面：一是采用矢量技术、p i d 控制技术 嘲1 9 1 1 ”1 1 ”i 等已有的成熟的控制技术；二是研究适用于直线感应电动机的控制理论和控制技术。 现阶段学者对直线感应电动机控制的研究采用第一种研究方法的居多。 直线感应电动机的控制主要是对速度和推力的控制。表卜1 是直线感应电动机和旋转感应 电动机速度参数的对照表。由表中可以看出：直线感应电动机与旋转感应电动机的参数相类 似，因此，可以采用与旋转感应电动机相类似的控制方法，同时考虑到直线感应电动机的特 点，比如考虑动态边端效应的影响、长次级导体分段接头处电流断开的影响等，对其控制方 法加以修正和改善，以满足直线感应电动机的控制要求。 表卜1 直线感应电动机和旋转感应电动机速度参数对照表 旋转感应电动机直线感麻电动机 f 目步速度 2 6 0 f p 弋2 2 f r 运行速度 月。( 1 一咖：v = ( 1 一s ) 弋 滑差率 j 。( n s n ) n ss 2 ( 弋一v ) 忆 文献”研究了次级电流不连续的问题。短初级双边扁平型直线感应电动机，长次级导体 东南大学硕士学位论文 由很多导体片拼接起来，在接头处导体电流不连续，主要影响次级电阻，电磁力产生波动。 当速度较低时，影响较大。文献中修正了次级电阻，并通过矢量控制对这种影响进行补偿。 文献“考虑动态纵向边端效应对互感和损耗的影响，对旋转感应电动机的等效电路进行修 正，建立了直线感应电动机的矢量控制系统模型，并对这种影响进行了补偿。 现阶段对直线感应电动机控制采用较多的是p i d 闭环控制和矢量控制。 1 2 2 直线感应电动机的p i d 闭环控制 p i d 控制是一种简单而实用的控制方法，是目前 ：程技术人员广泛使用的一种控制技术。 通常在直线感应电动机p i d 闭环控制中，检测直线感应电动机的位移或者速度，与理想值相比 较，计算偏差e ，然后根据e 的数值采取p i d 控制策略。p i d 闭环控制的框图如图1 - 1 所示： 图1 - 1p i e ) 闭环控制的框图 文献“”中在直线感应电动机进给系统中采用了p 位置控制和p p i 速度控制。但是，直线感 应电动机存在边端效应，模型为复杂的非线性模型，单纯的p i d 控制往往达不到好的控制效果。 故一些学者尝试将p i d 控制和现代控制方法相结合，以提高控制系统的自适应性、鲁榨性和智 能化。文献“对直线电动机驱动带式高速包刷分拣系统采用p i d 控制和模糊控制两种情况进行 了比较，指出在控制精度要求更高情况下，采用模糊控制将会更适合。 p i d 转速闭环控制是最简单、最常用、最容易实现的一种控制方法，基本上能够解决电机 的平滑调速问题，但是它基于系统的稳态值控制电机，所以稳定性、起动和低速时及转矩动 态相应等方面的性能都不尽如人意。 1 2 3 直线感应电动机的矢量控制 直线感席电动机的矢量控制原理上与旋转感应电动机相同，但是由于直线感应电动机结 构的特殊性，其内部耦合关系更为复杂，因此直线感应电动机的矢量控制难度更大，尚处于 探索阶段。 矢量控制较为常用的是转差频率矢量控制和直接转子磁场矢揖控制。转差频率矢量控制 仅考虑磁通的稳态方程，采用开环磁通控制。且不需要进行繁琐的坐标变换，运算和控制较 简单，在基频f 得到较多的应用。文献中，日本学者y a s u m a s ao g i n o 采用转差频率矢量控制 方法对直线感应电动机进行控制，实现了推力3 5 k g ，速度0 5 m s 下的超低速电机速度控制。 直接转子磁场矢量控制将磁通和转矩完全解耦，分别对励磁电流和转矩电流进行控制。文献” 在考虑动态纵向边端效应影响的基础上，基于旋转感应电动机等效电路观点，建立了按磁场 定向的直线感应电动机矢量控制系统模型，并进行了仿真。 直线感麻电动机由于结构的特殊性，对其控制与普通旋转感应电动机是不一样的，尤其 当该种电机用于牵引时，必须综合考虑牵引力和法向作用力。现阶段考虑法向力影响情况下 的牵引控制的研究尚处于空白状态。 2 第一章绪论 国内对于直线感应电动机控制的研究滞后于国外。目前仍处于应用领域的探索、设计制 造及特性分析阶段，少数学者做了p i d 控制方法的研究，而直线感应电动机的矢量控制、速度 观测、参数辨识等方面的研究还较少。随着直线电机的应用日益广泛，如磁悬浮列车、地铁、 电梯和直线发射方面的应用，对直线电机控制的研究越来越重要。 1 3 论文主要研究内容 本文分析了边端效应对直线感应电动机参数和性能的影响，在两相静止坐标系下，建立 了直线感应电动机动态数学模璋 。在m a l la b s i m u l i n k 环境下，建立直线感应电动机直接 推力控制系统的仿真模型，并对其各种工作状态进行动态仿真，o 然后对仿真结果加以分析。 最后介绍了采用直线感应电动机作为驱动的磁悬浮列车模型，然后用p l c 设计了一套驱动控制 系统，实现了磁悬浮列车模型的的分段驱动。 第一章绪论：介绍直线感应电动机控制的研究现状及本文的主要研究内容。 第二章直线感应电动机的数学模型：简要介绍了直线电机的原理及分类：说明直线感 应电动机边端效应产生的原因分类及其影响；定量分析了纵向边端效应对直线感应电动机性 能的影响，并给出了考虑边端效应影响的直线感应电动机的等效电路；最后在两相静止坐标 系f 建立了直线感应电动机的动态数学模型。 第三章直线感应电动机直接推力控制：直接转矩控制技术是一种新型的具有高性能的 交流变频调速技术。本章详细介绍了直接转矩控制的原理。直线感应电动机与旋转感应电动 机的基本原理是相同的，因此旋转感应电动机的控制方法也可以应用到直线感应电动机。直 线感应电动机直接推力控制就是直接转矩控制应用予直线感应电动机并根据其特点作相应改 变的一种控制方法，本章给出了直接推力控制的系统框图，并对其组成部分作了介绍。 第四章直线感应电动机直接推力控制系统的仿真：介绍了m a t l a b 软件和s i m u l i n k 仿真二：具，然后建立了直线感应电动机直接推力控制系统的仿真模型。对具体的电机进行仿 真，并对仿真结果进行分析。仿真结果表明：直线感应电动机直接推力控制系统具有良好的 动态性能和较强的抗干扰能力。 第五章磁悬浮列车模型分段驱动系统的设计：介绍了采用长初级直线感应电动机作为 驱动的磁悬浮列车模型，然后以三菱f x 2 n 一3 2 m rp l c 为主控制器，设计了一套磁悬浮列车模 型分段驱动控制系统，解决了磁悬浮列车模型的启动、分段供电、自动换向、自动运行和限 位停车等问题。 论文最后是全文工作的总结。 3 东南大学硕士学位论文 第二章直线感应电动机的数学模型 2 1 直线电机的原理和分类 2 1 1 直线电机的原理 直线电机是2 0 世纪下半叶电工领域中出现的具有新原理新理论的新技术。直线电机主要 是直线电动机，它是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需任何中间转换机构的传动 装置。 直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变。它可以看作是先将一台旋转电机 沿其径向剖开，然后再将电机的圆周展开成直线，这样就得到了由旋转电机演变而来的最原始 的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级或原边，由转子演变而来的一侧称为次级或副 边“，演变方式如图2 1 所示。 韧圾 图2 - 1 直线电机演变方式示意图 在图2 1 所示的直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，会产生气隙磁场。当不 考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机的磁 场相似，即可以看成沿直线方向呈正弦形分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按a ，b ，c 相序沿直线移动。这个原理与旋转电机相似，二者的差异是，这个磁场是平移的，而不是旋 转的，因此称为行波磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速 度是一样的，即为v 。，称为同步速度。 v = 2 f r ( 2 1 ) 式中： f 极距： 厂电源频率。 假设次级为栅形次级，次级导条在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流。而所有 导条的电流和气隙磁场相互作用产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果初级是同定 不动的，那么次级就顺着行波磁场运动的方向做直线运动。若次级移动的速度用v 表示，转差 率用j 表示，则有： 4 蜀 第二章直线感应电动机的数学模型 j ：二_( 2 2 ) 匕 ，= ( 1 一j ) 匕 ( 2 3 ) 在电动机运行状态下，j 在0 与1 2 _ 间。上述就是直线电机的基本工作原理。 我们知道，旋转电机通过对换任意两相的电源线，可以实现反向旋转。这是因为三相绕 组的相序相反了，旋转磁场的转向也随之相反，使转子转向跟着反过来。同样，直线电机对 换任意两相的电源线后，运动方向也会反过来，根据这一原理，可以使直线电机做往复直线 运动。 由旋转电机演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的。直线电机工作时，初级 和次级之间的相对运动会导致初级和次级之间相互耦合的部分会越来越少。为了保证直线电 机在行程范围内正常工作，实际应用时可以将直线电机的初级与次级做成不同的长度，既可 以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。 2 1 2 直线电动机的分类 从原理上讲，每种旋转电机都有与之相对虑的直线电机，然而从使用角度来看，直线电 动机得到了更广泛的应用。直线电动机包括交流直线感应电动机( l i n e a ri n d u c t i o nm o t o n l i m ) 、交流直线同步e e 动机( l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r s - - l s m ) 、直线直流电动机( l i n e ”d c m o t o r s - - l d m ) , l l 直线步进( 脉冲) 电动机( l i n e a rs t e p p e 邮l s e ) m o t o r s - - l p m ) 、混合式直线电动 机( l i n e a r h y b r i d m o t o r s - - l h m ) 等。图2 - 2 列出了直线电动机按原理的详细分类。 直 线 电 动 机 交流直线感应 电动h l ( l i m l 交流直线同步 电动o l ( l s m l 直线直流电动 口l ( l d m ) 直线步进电动 k d l ( l p m ) 电磁式( e m ll s m 永磁式( p m ) l s m 可变阻抗式v r ) l s m 混合式( h b ) l s m 超导式( s c ) l s m 电磁式l d m 永磁式l d m 无刷式l d m v r 型l p m p m 型l p m 型 动机( l h m ) 图2 - 2 直线电动机的分类 2 1 3 直线感应电动机的分类 直线感应电动机的基本原理，与旋转感应电动机相同。与旋转感应电动机一样，直线感 应电动机也可以分为三相、两相和单相。 东南大学硕+ 学位论文 直线感应电动机从结构上可以分为扁平型、圆筒型、盘型、弧型等。图2 - 3 为直线感应 电动机按结构的分类。 图2 - 3 直线感应电动机的分类 扁平型直线感应电动机的次级可以是整块均匀的金属材料，可以做得较长，所以牵引直 线感应电动机多采用短初级长次级的结构，将初级装在车上，用轨道作为次级。 扁平型直线感应电动机具有以f 的特点： ( 1 ) 直线感应电动机与旋转感应电动机的根本区别在于直线感应电动机有边端效应，边 端效应包括纵向边端效应和横向边端效应。边端效应的存在会减小推力，在高速区尤其明显。 ( 2 ) 直线感应电动机具有较大的气隙，是一般旋转感应电动机气隙的1 0 倍，低速区由于 大气隙需要较大的励磁电流，使得功率因数和效率较低。 ( 3 ) 具有较大的起动力矩，起动不需要其它辅助启动设备。 本文所研究的直接推力控制系统的控制对象就是扁平型单边直线感应电动机。 2 2 直线感应电动机的边端效应 直线感应电动机的基本原理与旋转感应电动机相类似，但由于其绕组及初级铁芯在两端 断开以及初级和次级宽度不相等等因素的存在，使得直线感应电机存在着与一般旋转感应电 动机不同的特点，即存在各类边端效应。对直线感应电动机进行直接推力控制，就要考虑边 端效应的影响，建立精确的动态数学模型。 2 2 1 直线感应电动机边端效应的分类 直线感应电动机的边端效应分为横向边端效应和纵向边端效应，纵向边端效应又分为静 态纵向边端效应和动态纵向边端效应。 ( 1 ) 横向边端效应 6 第二章直线感应电动机的数学模型 直线感应电动机初级和次级的宽度都是有限的，在有限宽的情况下。次级电流以及次级 板对气隙磁场均会产生影响，从而影响直线电机的性能和要求指标，我们把这种影响称为直 线电机的横向边端效应， 次级电流有纵向分量，和横向分量，：。纵向分量，。是产生横向边端效应的主要来源。由 电磁场分析可知吼横向边端效应的主要影响可以近似认为仅使次级电阻率有所增加。也就是 说，可认为直线感应电动机没有横向边端效应，而只是它的次级电阻率增大了一些。在定量 计算时，只要把次级电阻率乘以一个恰当的修正系数k ，就可以了。修正系数墨可以近似用 公式【2 0 i 表示： 墨2 面彘面一 心4 堕( 1 + t a n 堕t a l l 竺) 2 r 、2 rf 。 ( 2 4 ) 式中： c 次级导体片单边伸出初级铁心的宽度； l 初级铁心厚度； f 直线电机极距。 横向边端效应的改善可以通过初级和次级宽度的调整，一般次级宽度大于初级的宽度为 好。 ( 2 ) 静态纵向边端效应 直线感应电动机的铁心不像旋转感应电动机的铁心那样具有闭合圆环形状，而是长直的， 两端开断的。由于铁心开断所引起的备相绕组互感不相等以及脉振磁场、反向磁场存在的现 象，我们称其为直线感应电动机的静态纵向边端效应2 ”。 ( 3 ) 纵向动态边端效应 纵向边端效应是影响直线感应电动机性能的主要因素，它是由于初级和次级之间相对移 动而产生的。对于一个短初级移动，无限k 次级固定的直线感应电动机，当初级进入一个新 的次级区域以后，新的次级区域会有一个磁场穿过，而当初级离开该次级区域磁场会消失。 磁场的变化会在初级进入和离开的次级区域里产生涡流，这个涡流会产生一个减弱本区域磁 场变化的磁场。这种现象就称为纵向动态边端效应【“。 横向边端效应和静态纵向边端效应可以用电机本体设计和修正电磁气隙等方法改善，且 影响不大。动态纵向边缘效应所产生的附加电流将使直线电机的损耗增加，功率冈数降低， 推力减小，特别在高速运行的直线电机中更为明显。本文主要研究动态纵向边端效应对直线 感应电机参数和性能的影响。 2 2 2 直线感应电动机动态纵向边端效应的影响 图2 4 是直线感应电动机动态纵向边端效应的示意图。 7 东南大学硕士学位论文 图2 - 4 直线感应电动机动态纵向边端效应示意图 如图2 4 所示，初级和次级相对运动，当初级进入一个新的次级区域以后，新的次级区域 会有一个磁场穿过，而当初级离开该次级区域磁场会消失。磁场的变化会在初级进入和离开 的次级区域里产生出与励磁电流方向相反的涡流，涡流将引起励磁电流的减小，使整个气隙 磁场减弱。 在次级的进入端，次级涡流迅速上升，速度由漏磁时间常数乃决定。由于乃比整个次级 时间常数小很多，可忽略不计。可以认为在零时刻，次级涡流达到了初级励磁电流l ，相 位相反。涡流随着i 衰减。在次级离开时，端部的次级涡流迅速增火到l ，弗以漏磁时间常 数巧衰减a 漏磁时间常数： 乃= 0 r , ( 2 5 ) 次级时间常数z ： = ( 厶+ 0 ) b ( 2 6 ) ( 2 5 ) 和( 2 6 ) 式中： 厶初级和次级之间的互感； o 折算到初级侧的次级漏电感； 尼折算到初级的次级等效电阻。 进而分析气隙磁密的分布。因为进入端涡流随着乃衰减，所以涡流t 的平均值为： 乞= 争f e 。饵斫 ( 2 7 ) ( 2 ，7 ) 式中，t = d v 。其中，d 是直线感应电动机的长度，v 是直线感应电动机的运行 速度。 若把初级长度以v t 为基准标么化。则 q ：导：要：丝 ( 2 8 ) 一 v 0v 0( 0 + 0 ) ” q 是表示电机长度的无单位量，在电机参数一定时，其大小决定于速度，速度为零，q 无 穷大。 所以上式可变为： 8 第二章直线感应电动机的数学模型 l = 拇诳厶学 组。， 因此，等效励磁电流为： k 小l = 厶( - 一等) ( 2 1 0 ) 次级涡流之的去磁作用可以用一个去磁电感来表示，这个去磁电感与励磁电感并联，流过 电流，其大小表示成： l k 小厶( 专一) 组 把并联的励磁电感和去磁电感合并，则总励磁电感为 ( 一警 总励磁电感流过的励磁电流为： i m = i 。+ i 。 恪，日囊爿 因此，涡流的去磁作用可以等效为励磁电感变化为： ( ，一警) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 6 ) 涡流的去磁作用电感等效过程如图2 - 5 所示。 下面讨论动态纵向边端效应引起的涡流损耗。损耗分为两部分：一部分为进入端的损耗 一部分为离开端的损耗。 进入端的次级涡流有效值为： 。= 盼产出卜( 等) j 进入端的涡流损耗： 吐v 2 r r = 啦r 箐 离开区域涡流产生的磁场是为了阻止气隙磁场的减弱 9 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 所以可以通过气隙能量离开电机 东南大学硕+ 学位论文 气隙时对时间的变化率，来评价离开时的损耗。气隙中总的涡流为( 1 一e - q ) 须在的时间内消失以保证气隙磁场的稳定条件。所以，离开端的涡流损耗为： = w 瓦= 掣b 警 “ 瓦2 l 4 ” 2 q 总的边端效应引起的涡流损耗为： 这些电流必 ( 2 1 9 ) = + = l 2 耳等 ( 2 2 0 ) 因此，可以引入一个阻值为r ，( 1 一e - q ) q 的电阻来等效动态纵向边端效应所引起的损 耗。 令厂( q ) = ( 1 一e - q ) q ，直线感应电动机的稳态特性近似计算方法基本可以沿用旋转电 机的等效电路，但直线感应电动机的特殊结构引起了边端效应的产生。考虑边端效应的直线 感应电动机等效电路将边端效应对电机的影响引入到电路中去。下面进行考虑边端效应的直 线感应电动机等效电路的推导。 对直线感应电动机的计算只考虑动态纵向边端效应的影响。对动态纵向边端效应的补偿 主要是通过修正励磁电感和引入补偿电阻修正能量损耗来实现的。由上一节的分析可知， 修正后的电感 l m = l m ( 1 一厂( q ) ) ( 2 2 1 ) 补偿后的电阻： r = r r f ( q ) ( 2 2 2 ) 考虑动态纵向边端效应影响的直线感应电机的t 型等效电路如图2 - 6 所示。 图2 - 6 直线感应电动机的t 型等效电路 2 3 直线感应电动机的数学模型 在直线感虑电动机中，定子三相绕组之间存在电磁耦合，再加上磁路饱和以及温升对电 动机参数的影响等非线性冈素，要建立直线感应电动机的精确模型是非常困难的，必须进行 合理的简化。本文作了如下的假设： ( 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差1 2 0 0 电角度，所产生的磁动势沿气隙 周围按正弦规律分布。 1 0 第二章直线感应电动机的数学模型 ( 2 ) 忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的。 f 3 ) 忽略铁心损耗。 ( 4 ) 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 ( 5 ) 不考虑横向边端效应的影响。 虽然做出了上述假设，但在三相坐标系a b c 下建立的直线感应电动机的动态数学模型的 系数矩阵的非线性和耦合性还是比较强，要分析和求解这些非线性方程是十分困难的。在实 际应用中，一般对三相坐标系a b c 下的方程进行简化，简化的基本方法就是坐标变换1 2 4 i 。本 文分析两相静止叩坐标系下的直线感应电动机的动态数学模型。 三相坐标系a b c 到两相静止筇坐标系的变换矩阵瞄1 为： 一 压u 3 2 2 、j 1一!一1 22 o 笪一鱼 22 ( 2 2 3 ) 在两相静j 卜坐标系n 够下，建立直线感应电动机的动态数学模型如下： ( 1 ) 电压方程 i u s 。= r 。+ b ，( q ) ( k + k ) + p “s p2 足如+ b 厂( q ) ( 如+ o ) + p ( 2 2 4 ) 0 = g r t + b 厂( q ) ( 0 + 0 ) - i - p g 。+ c 1 ) 驴e r a 10 = g r i , p + 耳厂( q ) ( i , p - i - l 。r p ) + p 驴7 巾一国弘7 巾 式中： u 电压； f - 电流： v 磁链； s 口，j 、r o t 、，下标，分别表示初级的固日轴分量和次级的哟臼轴分量： r 。、r ，初级电阻和次级电阻； p 微分算子； c o 直线感应电动机的等效机械角速度。 ( 2 ) 磁链方程 = ( t 一厶( q ) ) o + 厶 1 一厂( q ) k = ( t k 厂( q ) ) 如+ l 1 一厂( q ) 0 。= ( 一k 厂( q ) ) k + 厶 1 一，( q ) = ( 4 一厶厂( q ) ) 如+ k 1 一厂( q ) 如 式中： 三初级电感： l 次级电感； k 励磁电感。 ( 3 ) 电流状态方程 令毛= 厂( q ) ，也= l 一厂( q ) 将( 2 2 5 ) 式代入( 2 2 4 ) 式得到电流的状态方程 ( 2 2 5 ) 东南大学硕士学位论文 i 焉屯躺r + 与肆x 一气) , w k ：t i与( 耳+ 耳) 一 毋( 一毛) 一；一吨如r 与岛以r + 焉r x z , 一与4 也( 一 ) i 岛幔+ 与卑) 一南耳也一焉) 啦( 一南)酏厶 一僻+ 南8 x t , 一毛) i 也( 一)向以+ 耳) 一也耳( 一uo x i + 一r x z , 一厶) b = k 一毛厶 o 一如厶 0 0 l r k l l m o 一屯厶 k ：l = ( 一南l m ) ( e 一岛厶) 一( 如厶) 2 ( 4 ) 电机推力和机械运动方程 电磁推力方程 e = rp o l o 一厂( q ) ) ( 如k 一0 如) 式中： 只磁极对数。 机械运动方程 e 一舅一妄讲 式中： f 负载阻力； 聊运动部分的质量。 等效机械角速度 2 石v h 2 4 本章小结 ( 2 2 6 ) a 以一 ) 屯限+ 耳) 一 耳饵一 厶) - , w + 一 x c , 一) 如厶矗一( r - + 耳x 一 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 本章首先介绍了直线电机的基本原理及其分类，然后介绍了直线感应电动机边端效应的 产生及分类：详细分析纵向动态边端效应对电机参数和性能的影响，并给出了考虑纵向动态 边端效应影响的直线感应电动机的t 型等效电路；最后在两相静止坐标系下建立了考虑纵向 动态边端效应影响的直线感应电动机的动态数学模型。 1 2 第三章直线感应电动机直接推力控制 第三章直线感应电动机直接推力控制 3 1 直接转矩控制技术概述 3 1 1 直接转矩控制技术的发展概述 首先是变压变频调速系统( v v v f ) ，后来出现了矢量控制( f o c ) 和直接转矩控制( d 1 ) 调速系统。由于v v v f 系统只是维持电动机内的磁链恒定，并没有解决磁链和电流强耦合的 问题，其调速范围窄，调速性能也不佳。矢量控制是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法。 通过两次坐标变换，实现感应电动机转速和磁链控制的完全解耦口6 1 。但实际上由于转子磁链 很难准确观测，系统特性受电机参数的影响较大，且计算也比较复杂。1 9 8 5 年，德国的 m d e p e n b r o c k 教授和日本的i t a k a h a s h i 教授先后提出直接转矩控制理论。直接转矩控制在定 子坐标系下，避开旋转坐标变换，直接控制定子磁链和转矩，采用转矩和磁链的b a n g - b a n g 控 制，简化了控制系统结构，动态响应快，对参数鲁棒性好，因而得到广泛深入的研究和应用。 3 1 2 直接转矩控制的基本原理和特点 直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算和控制交流电动机 的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节( b a n g - b a n g 控制) 产生p 删信号，直接 对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能”。 从控制转矩角度看，只关心电流和磁链的乘积，并不介意磁链本身的大小和变化。但是， 磁链大小与电机的运行性能有密切关系，与电机的电压、电流、效率、温升、转速、功率因 数有关。所以从电机合理运行角度出发，仍希望电机在运行中保持磁链幅值恒定不变。因此 还需要对磁链进行必要的控制。与控制转矩一样，设置磁链调节器构成磁链闭环控制系统， 以实现磁链幅值为恒定的目的。 直接转矩控制系统的主要特点有： ( 1 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制各物理 量，使问题变的简单明了。 ( 2 ) 直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道了定子电阻就可以把它观 测出来。而久量控制的磁场定向所用的是转子磁链轴，观测转子磁链需要知道电动机转子电 阻和电感。直接转矩控制技术大大减少了矢晕控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。 ( 3 ) 转矩丰磁链都采川直接反馈的双位式砰一砰控制，从而避开将定子电流分解成转矩 和励磁分量，省去旋转坐标变换、简化了控制器的结构。 3 1 3 直接转矩控制技术发展展望 随着现代科学技术的不断发展。直接转矩控制技术必将有所突破。现代控制理论和智能 控制理论应用于直接转矩控制技术，为改进直接转矩控制系统提供了坚实的理论依据；同时 高性能的数字处理器( d s p ) 的出现，为改进直接转矩控制系统提供了强大的物质基础。尤其 是目前数字化潮流势不可挡，各行各业都向数字化靠拢。如智能i p m 整合了d s p 控制器，将 电机控制的大部分电路集成到标准封装的模块中，集成了i g b t 模块，i g b t 驱动电路、电压 东南大学硕士学位论文 电流反馈、保护模块和d s p 控制模块，使得控制结构愈发简单，控制性能与控制精度、响应 速度均得到提高。特别是d s p 芯片在直接转矩控制系统中的应用为解决低速区的问题提供了 可能，因为只要实现了对定子电阻的准确辨识，就能从根本上消除定子电流和磁链畸变，问 题也就迎刃而解。而全数字化的实现，将使采样精度更高，误差率更小，更易于实现最优控 制。因此利用现代控制理论、人工智能和神经网络理论，将之应用于直接转矩控制技术的研 究，从软件着手改进系统将是这种新技术的发展方向。d s p 器件的进一步发展也为直接转矩 控制技术难题的突破提供了可能。随着控制性能的不断提高，直接转矩控制在传动领域会有 更广阔的应用前景。 3 2 直接转矩控制的原理及系统构成 直接转矩控制的基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒 定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电动机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的 瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电动机输出的目的。 3 2 1 电磁转矩控制原理 感应电动机的电磁转矩可以由矢量方程1 表示为： t = 所虬x i s = p , ( g 。i p 一) 式中： 虬定子磁链空间矢量； 定子电流空间矢量。 两者都是以定子三相轴系表示的矢量。 同样，在定子三相轴系中，定子磁链和转子磁链空间矢量可表示为： v s = l s i 。+ l 。i r g , = l s + l r i r 由( 3 3 ) 式可得： f ，：士( ”一匕) 将( 3 4 ) 式代入( 3 2 ) 式，得 = 等一去 式中：t 为定子瞬态电感，且厶= t l 2 l , 。 将( 3 5 ) 式代入( 3 1 ) 式可得： 。2 虬2 以差等忱j | ”陋n ( 岛一所) 2 以丢专i | i | s l n 露 式中： 1 4 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 第三章直线感应电动机直接推力控制 岛定子磁链对a 轴的空间电角度； 研转子磁链对a 轴的空间电角度： 瓦负载角，屯= 只一所。 ( 3 6 ) 式表明：电磁转矩取决于定子磁链矢量和转子磁链矢量的矢量积，即取决于定子 磁链矢量和转子磁链矢量的幅值和它们之间的空间电角度。如果i 虬i 、i ”l 保持不变，则由 ( 3 6 ) 式可得 象= 见去川i 哦 ， 通常，在稳态情况下，露的值很小，由( 3 7 ) 式可知，露对电磁转矩的调节和控制作 用是明显的。 转子磁链矢量和定子磁链矢量相比，变化速度相对要慢一些。可以做如下证明： 由( 3 2 ) 式和( 3 3 ) 式可得 = 壶( 一每虬) ( 3 8 ) 式中：盯= 1 一l 2 t 。 转子电压矢量方程为 o - 耳f ，+ 警一，q ( 3 ” 将( 3 8 ) 式代入( 3 9 ) 式，可得 等+ ( 吉吲q 肌= 等虬 ( 3 i o ) 式表明：在定子磁链矢量的作用下，转子磁链矢量的动态相应具有一阶滞后性。 当定子磁链矢量发生变化时，转子磁链矢量的变化总是要滞后定子磁链矢量的变化。 在动态控制中，只要控制的相应时间比转子时间常数快的多，那么在这短暂的过程中就 可以认为转子磁链欠簧是不变的，进而只要保持定子磁链的幅值不变，通过改变露就可以 迅速的改变和控制电磁转矩，这就是感应电动机直接转矩控制的实质。 3 2 2 逆变器开关状态与定子电压空间矢量 图3 - 1 是电压型逆变器的示意图。为了使电机对称工作，必须三相同时供电：即在任意 时刻一定有处于不同桥臂下的三个器件同时导通，而相应桥臂的另三个器件则处于关断状态。 从逆变器的拓扑结构来看，功率器件共有8 种工作状态，即v 6 、v 1 、v 2 导通v 1 、v 2 、v 3 导通，v 2 、v 3 、v 4 导通，v 3 、v 4 、v 5 导通，v 4 、v 5 、v 6 导通，v 5 、v 6 、v l 导通，v 2 、v 4 、v 6 导通，v l 、v 3 、v 5 导通等8 种工作状态。如果把上桥臂器件导通用“l ”表示，下桥臂器件导 通用0 表示，并按照a b c 相序排列，则上述8 种j ：作状态可以相应的表示为：1 0 0 ，l l o ， 0 1 0 ，0 1 1 ，0 0 1 ，1 0 1 ，0 0 0 和1 l l 这八组数字。 1 5 东南大学硕+ 学位论文 图3 - 1 三相电压型逆变器 虬 “ 址 与上述八种工作状态相对应的电压矢量分别为：非零矢量“，1 0 0 0 ) ，u s 2 ( 1 l o ) ，u s 3 ( o l f f ) ， u s 4 l ( 0 1 1 ) ，u s 5 ( 0 0 1 ) ，心6 0 0 l i ) 和零矢量虬7 ( o o o ) ，虬s ( 1 1 1 ) 六个非零矢量相互之间相差 6 0 0 。它们之间的关系如图3 - 2 所示。 ( 0 1 1 ) ( 0 1 0 ) 虬2 0 1 0 ) ? 分