基于并联牵引的悬臂法及牵引控制

基于并联牵引的悬臂法及牵引控制

0悬浮牵引控制机理近年来，通过单株线性传感器网络系统（城轨磁浮列车和轮轨列车网络系统）驱动电磁源在低速中得到了广泛应用。单边直线感应电机运行过程中,除产生牵引力外,在初级和次级间还有法向力存在。对于常用的复合次级单边直线感应电机,其法向力包含2个分量:一个是初级铁心和次级铁轭之间的吸引力,另一个是初级电流和次级感应电流之间的排斥力。法向力的大小随着电机气隙、转差频率等运行条件的变化而变化,可能表现为吸引力,也可能表现为排斥力。对于具有专用悬浮电磁铁的磁浮列车系统,法向力的存在对于悬浮系统是一种扰动;对于直线电机牵引、轮轨支撑的地铁系统,法向力的存在将增加系统运行阻力,因此均需要在控制中加以抑制。对此,一些学者提出可以利用单边直线感应电机的法向力和牵引力同时为磁浮车辆提供悬浮和驱动力,进而可以省去传统磁浮列车中的悬浮电磁铁。文献利用无次级铁轭单边直线感应电机初次级间的斥力作为悬浮力,实现了ME01的稳定运行。文献则控制复合次级单边直线感应电机的法向引力作为悬浮装置的悬浮力,但其控制方法仍为传统的转差频率标量控制,动态响应较慢。文献利用2台悬浮牵引兼用单边直线感应电机实现了磁浮模型车辆的稳定运行。本文分析了单边直线感应电机法向力及牵引力与电机初、次级磁链及其夹角的关系,在此基础上提出一种新的悬浮牵引兼用单边直线感应电机解耦控制方法。该方法通过选择变频器的开关矢量,进而改变磁链的瞬态幅值及夹角,实现单边直线感应电机法向力和牵引力的解耦控制。通过对作者实验室悬浮牵引兼用单边直线感应电机(singlesidedlinearinductionmotor,SLIM)悬浮实验车系统的实验分析,表明所提控制策略能控制车辆稳定悬浮以及悬浮状态下的牵引运行,动静态性能良好。1变压器电压矢量的选择图1是一个复合次级单边直线感应电机的结构示意图,初级由硅钢片叠压成的铁心与绕组组成,次级由铝层或铜层与铁轭复合而成。由于电机次级由整块薄铝板或铜板构成,因此次级漏感很小,可忽略不计。单边直线感应电机的法向力Fn包含2个分量,一个是由主磁通产生的初、次级铁心间的引力Fna,当电机运行转差频率较低时,Fna是法向力的主要组成部分,其大小与气隙磁链平方成正比:式中:kna为与电机设计参数相关的常数;ϕm为电机的气隙磁链。另一个分量是由初、次级电流相互作用产生的斥力Fnr。与初级电流相关联的初级磁链包含法向和切向2个分量,其分别与次级涡流相互作用产生2个方向的洛伦茨力。其中,法向方向(y方向)的洛仑兹力即为初、次级间法向力的斥力分量,即式中:Is、Ir分别为电机初、次级电流;γ为初、次级电流之间的相位角。当电机运行转差频率较低时,Fnr可近似表示为式中:knr为与电机参数相关的常数;ϕs、ϕr分别为电机的初、次级磁链;δ为初次级磁链间的夹角。由式(1)、(3)得出单边直线感应电机的法向力为式中Lls为电机初级漏感。与式(2)相对应的切向方向(x方向)的洛仑兹力即为电机的牵引力:式中:τ为电机极距;Lm、Lr分别为电机互感及次级自感。由式(4)、(5)可知,法向力和牵引力均为与初级、次级磁链及其夹角相关的函数。通过选择相应的逆变器电压矢量改变电机的磁链幅值及初次级间的夹角,即可实现法向力和牵引力的解耦控制。图2(a)为两电平电压源逆变器的结构简图,其所能提供的8个电压矢量及其扇区划分如图2(b)所示,其中u0、u7为零电压矢量。在两相静止坐标系下,电机初级磁链与逆变器电压矢量的关系为当忽略初级电阻压降时,初级磁链由电压矢量按时间积分得到,通过选择不同的电压矢量,可以方便地改变初级磁链的大小和空间位置,从而控制法向力和牵引力。如图2(b)所示,假定某一时刻电机初级磁链矢量处于θ1扇区且为逆时针旋转,如果此时逆变器所施加电压矢量为u2,则会使初级磁链增加,由式(4)、(5)可知,法向力和牵引力同时增大。如果所选择的电压矢量为u0,由于初级电阻压降的存在,初级磁链将缓慢减小,则法向力和牵引力同时减小。同样,电压矢量u3的选择会使磁链夹角增大而初级磁链幅值基本保持不变,则导致法向力减小而牵引力增加。电压矢量u1的选择会使初级磁链幅值增加而磁链夹角减小,此时法向力增加而牵引力减小。由此可见,根据初级磁链所在空间位置及所需的法向力及牵引力选择相应的电压矢量,可以实现法向力及牵引力的解耦控制。2悬浮控制过程图3是悬浮牵引兼用直线感应电机模型车。2台结构、参数完全相同的直线感应电机分别安装在车体前后两端,非悬浮状态时,由前后4只轴承支撑。另设4支导向轴承抑制车辆横向偏移。系统没有设置悬浮电磁铁,直线感应电机既起悬浮作用,又起牵引作用。2台电机分别由2台电压源逆变器单独控制,这样可以有效抑制可能由单台电机法向力沿运动方向分布不均匀所造成的俯仰运动。图4所示为磁浮实验车辆的系统控制结构框图。车辆的悬浮控制分为气隙高度环和磁链环2部分。悬浮系统是典型的非线性系统,对于具有专用悬浮电磁铁的悬浮控制,文献[10-13]提出了一些有效方法,本试验装置的悬浮间隙变化不大,因此气隙长度环控制采用在平衡点展开的近似线性PID控制,气隙高度环的输出即为电机初级磁链给定值ϕs*。控制规律如下:式中:∆z=z*-z,z*与z分别为电机悬浮气隙目标值与反馈值;ϕ0为电机稳定悬浮气隙高度为z*时的初级磁链参考值,两者之比为常数k;Kpz、Kiz、Kdz分别为控制器的比例、积分、微分常数。如图4所示,车辆的牵引控制同样采取速度和牵引力的双环控制,速度环的输出为电机牵引力给定值tF*:式中:∆v=v*-v,v*与v分别为车辆速度目标值与反馈值;Kpv、Kiv、Kdv分别为速度控制器的比例、积分、微分常数。由上述分析可知,电机的磁链准确观测对悬浮系统的稳定性至关重要,由于电机需要从静止起浮并且考虑到起浮及运行过程中气隙变化所导致的参数变化,传统的电压型及电流型磁链观测器均不能直接应用。考虑到实验中直线感应电机的牵引力与法向力相比极小,励磁电流所占初级电流的比例较大,因此磁链可直接由初级电流计算得到。牵引力观测中,在式(9)的基础上,利用低通滤波器及其补偿环节代替了纯积分环节,从而提高了观测精度:磁通和牵引力观测器的结构图如图5所示,ωc为低通滤波器的截止频率;s为频域算子。由于实验中所用电机运行速度较低且极数较多(7极),因此未考虑动静态边缘效应对观测器的影响。估算得到的磁链、电磁推力分别与其给定值作比较,然后通过滞环比较器得到开关信号。滞环比较器的端口关系如下:由开关信号∆F、∆ϕ及磁链位置信号θn即可通过查询电压矢量开关表1选择所需电压矢量。3电机气隙的仿真实验为验证本文所提控制方案与算法的有效性,在实验室悬浮牵引兼用单边直线感应电机磁浮试验车上进行实验。逆变单元为两电平结构,主控制芯片采用TI公司TMS320F2812DSP。单边直线感应电机的部分参数为:相数m=3,极数2P=7,长度L=409mm,极距为510mm,次级铝板厚d2=2mm。图6(a)~(c)分别给出了2台电机的气隙z给定值与实际值、车辆速度n给定值与实际值的实验波形。在实验过程中,车辆经历了静止起浮、正向加速、匀速前进、减速停车、反向加速、匀速后退、反向停车和降落8个阶段。图中时间轴以悬浮起始点为0点,车辆在0~3s内,从6.4mm初始气隙在垂直方向以恒定加速度起浮到4mm;在4~7s内,从静止匀加速到0.15m/s;之后以0.15m/s运行3s。在10~13s内,匀减速至过0点静止;在13~16s内,车辆以恒定加速度反向加速到-0.15m/s;在16~19s内以-0.15m/s匀速运行;之后,在19~22s内,车辆匀减速至停车。最后,车辆以垂直方向的恒定加速度降落。由图6(b)、(c)可以看出,2台电机的实际气隙能够较好的跟随指令输入,在车辆加减速运行过程中,气隙没有明显的波动,气隙的控制精度约为±0.2mm。前后2台电机气隙变化一致,电机的俯仰运动得到有效抑制。由图6(a)可知,尽管车辆的运行速度极低,车辆实际运行速度在大部分时间内都能很好地跟踪给定值,只在局部出现小的波动。系统悬浮、牵引控制精度均得到了验证。4基于空间电压矢量选择的约束措施在现有单边直线感应电机驱动的中低速(城轨)磁浮列车及轮轨列车交通系统中,电机的法向力往往作为影响列车运行效率的副作用力被限制。本文在分析单边直线感应电机牵引力与法向力关系的