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初级永磁直线电机逆变器补偿无电流控制

控制工程 2022年第5期29卷 804-812页

作者：余强国冯亚南王培良申情湖州学院理工学院浙江湖州313000 湖州师范学院工学院浙江湖州313000

为消除初级永磁直线电机无电流传感器控制中的电流跟踪误差,提出一种逆变器非线性补偿的新型无电流传感器控制策略。首先,根据实测电流和估测电流存在唯一对应关系,将正常动子视为参考动子,控制两台动子的估测电流保持相同,进而保证了... 详细信息

为消除初级永磁直线电机无电流传感器控制中的电流跟踪误差,提出一种逆变器非线性补偿的新型无电流传感器控制策略。首先,根据实测电流和估测电流存在唯一对应关系,将正常动子视为参考动子,控制两台动子的估测电流保持相同,进而保证了实测电流的一致性;然后,在估测电流的计算中采用逆变器非线性补偿策略,削弱了估测电流和实测电流唯一对应关系中的误差项;最后,采用仿真实验测试所提容错控制的性能,结果表明,相比于现有控制策略,所提容错控制策略在稳态性能与瞬态性能上均更优,具有更广的工程应用前景。

关键词：初级永磁直线电机容错控制电流传感器无电流传感器控制逆变器非线性补偿

绕组周向分布圆筒型初级永磁直线电机结构及静态特性分析

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中国电机工程学报 2017年第21期37卷 6181-6189页

作者：董顶峰黄文新卜飞飞王齐姜文林晓刚南京航空航天大学自动化学院江苏省南京市211106

提出一种绕组周向分布圆筒型初级永磁直线电机(tubular primary permanent magnet linear machine,TPPMLM)。与传统圆筒型初级永磁直线电机相比,该电机采用集中式绕组,每相绕组周向分布,初级铁心齿部及轭部由矽钢片一次叠压而成,初级制... 详细信息

提出一种绕组周向分布圆筒型初级永磁直线电机(tubular primary permanent magnet linear machine,TPPMLM)。与传统圆筒型初级永磁直线电机相比,该电机采用集中式绕组,每相绕组周向分布,初级铁心齿部及轭部由矽钢片一次叠压而成,初级制造工艺简单。同时,永磁体位于初级,次级仅由导磁铁心组成,可降低长距离驱动系统成本。该文阐述该电机的结构特点,给出工作原理,并分别利用磁路法及等效二维有限元法建立单元电机等效磁路模型及仿真模型,对静态特性分析,包括磁场、反电动势、定位力及电磁推力等。三维有限元模型及样机实验结果分别验证等效二维有限元模型的有效性及拓扑结构设计方法的正确性,同时,反电动势测试结果表明该拓扑不存在纵向端部效应导致的各相反电动势不对称问题。

关键词：初级永磁直线电机圆筒型直线电机绕组周向分布磁路法等效二维有限元法

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初级永磁直线电机自适应反步控制研究

初级永磁直线电机自适应反步控制研究

作者：王一名沈阳工程学院

学位级别：硕士

近年来,初级永磁直线电机(Primary Permanent Magnet Linear Motor,PPMLM)以其结构简单、制造维护成本低以及推力大的优点成为轨道交通领域的研究热点。本文以初级永磁直线电机为研究对象,搭建考虑边端效应的初级永磁直线电机数学模型... 详细信息

近年来,初级永磁直线电机(Primary Permanent Magnet Linear Motor,PPMLM)以其结构简单、制造维护成本低以及推力大的优点成为轨道交通领域的研究热点。本文以初级永磁直线电机为研究对象,搭建考虑边端效应的初级永磁直线电机数学模型。并且以直接推力控制作为基础控制策略,在此基础上使用自适应反步控制对电机的位移及速度进行控制。论文的主要研究工作包括以下三个部分:(1)针对于初级永磁直线电机数学模型中存在高阶非线性以及参数时变的特点,设计自适应反步控制器。确保系统在运行过程中发生参数时变的情况下对电机的速度与位移进行有效的控制,并通过仿真实验进行了验证,通过自适应反步控制器可以令电机实际位移有效的趋近于期望位移。(2)由于反步控制过程中产生的虚拟控制系数对控制器性能有着直接影响,而且传统自适应反步控制中的虚拟控制系数通常采取试凑法,有着一定的盲目性。因此,本文中采用混合粒子群协同优化算法,结合遗传粒子群算法与自组织粒子群算法的优点,采用改进的粒子群算法对反步控制中的虚拟控制系数进行整定,从而提高控制器控制精度。经过仿真实验进行了验证,优化后的控制器的控制性能明显优于未优化之前。(3)为了防止反步控制中出现的微分展开现象对控制系统造成影响,在反步控制中加入命令滤波器,并引入滤波补偿信号对由滤波器引起的滤波误差进行补偿。对于系统中可能出现的未建模负载扰动,使用神经网络反步控制对其进行补偿。提出了自适应RBF神经网络命令滤波器反步控制(Adaptive Neural Network Command Filter Backstepping Control,ANNCFBC),并且通过仿真实验进行验证,控制器可以更快的趋近到期望位移。并且对于系统中的未建模负载扰动有良好的抑制作用,使控制器具有更好的稳定性与鲁棒性。

关键词：初级永磁直线电机自适应反步控制粒子群算法命令滤波器神经网络

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初级永磁直线电机模型预测控制方法研究

初级永磁直线电机模型预测控制方法研究

作者：卢志祥东南大学

学位级别：硕士

高可靠电机驱动系统对轨道交通和工业生产至关重要。然而,由于电机运行工况复杂,驱动系统常常面临传感器失灵、功率器件故障等硬件问题。因此,研究电机驱动系统的容错控制算法具有重大意义。本课题针对初级永磁直线电机驱动系统中可能... 详细信息

高可靠电机驱动系统对轨道交通和工业生产至关重要。然而,由于电机运行工况复杂,驱动系统常常面临传感器失灵、功率器件故障等硬件问题。因此,研究电机驱动系统的容错控制算法具有重大意义。本课题针对初级永磁直线电机驱动系统中可能出现的硬件故障,研究模型预测控制算法（FCS-MPCC）在各种驱动系统故障下的性能影响以及相应的容错控制。主要包括电压传感器容错控制、电流传感器容错控制以及功率器件故障容错控制。具体如下。（1）电压传感器故障模式下的模型预测控制。本课题针对电压传感器故障提出一种容错控制方案:利用直流母线电压额定值代替测量值。分别研究了电压误差为正和电压误差为负时的第1优、第2优和第3优矢量选择情况,给出了不同电压误差时这三种矢量的具体分布。理论分析表明,尽管存在较大的电压测量误差,其对FCS-MPCC的影响较小。实验结果表明,在驱动系统存在较大电压误差的条件下（实验中为33.3%额定值）,FCS-MPCC仍运行良好。（2）电流传感器故障模式下的模型预测控制。本课题针对相电流传感器故障提出了一种基于单直流母线电流传感器的双矢量定位模型预测控制策略（Dual Vector-MPC,DV-MPC）。通过直接测量以及延时测量直流母线电流进行相电流的重构。定义了沦陷次数的概念以评估相电流的重构精度。设计了双矢量定位策略,能够同时选出电机的第1优和第2优矢量。为了同时保证相电流的重构精度和电机的良好运行,提出了第2优矢量替换原则,以避免长时间只更新同一相电流。实验结果表明,相比于传统的FCS-MPC控制算法,所提的DV-MPC算法拥有更优的稳态性能、电机启动性能以及电流响应性能。（3）功率器件故障模式下的模型预测控制。针对双动子驱动系统的功率器件故障,利用容错桥将原系统切换为五桥臂双动子驱动拓扑。为了降低MPC运算量,本课题提出了一种基于双层定位的五桥臂双动子驱动系统模型预测控制策略（Dual Level Model Predictive Control,DL-MPC）。首先根据快速矢量定位选择出两台动子的最优矢量;然后在系统层内,对选择的最优矢量分三种情况讨论。与现有的遍历式FCS-MPCC相比,DL-MPC从理论上被验证与其拥有完全一致的矢量选择,即两种算法是完全等价的。但是DL-MPC利用双层定位的思想避免了大量重复的电流预测和成本函数计算,其算法时间复杂度仅为FCS-MPCC的22%。（4）搭建初级永磁直线电机驱动系统实验平台。本课题以dSPACE DS1103控制平台为核心,设计了初级永磁直线电机驱动系统软件和硬件设施,并实验验证了所提容错控制策略可行性。

关键词：初级永磁直线电机模型预测控制电压传感器故障电流传感器故障功率器件故障容错控制 dSPACE

基于数据驱动的初级永磁直线电机直接推力控制

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基于数据驱动的初级永磁直线电机直接推力控制

作者：姚舜禹沈阳工程学院

学位级别：硕士

初级永磁直线电机(Primary Permanent Magnet Linear Motor,PPMLM)具有推力大、可靠性高、转弯半径小以及成本低等突出优势,在城市轨道交通和直线伺服控制系统领域具有广阔的应用潜力。由于初级永磁直线电机运行过程中会存在参数时变、... 详细信息

初级永磁直线电机(Primary Permanent Magnet Linear Motor,PPMLM)具有推力大、可靠性高、转弯半径小以及成本低等突出优势,在城市轨道交通和直线伺服控制系统领域具有广阔的应用潜力。由于初级永磁直线电机运行过程中会存在参数时变、负载扰动以及端部效应等非线性扰动,影响直线驱动控制系统的性能。因此,研究PPMLM控制系统的优化策略,具有重要的理论与工程实践意义。本文以PPMLM为研究对象,以数据驱动控制中无模型自适应控制算法和自适应动态规划算法为基础,完成PPMLM控制系统速度环优化算法的设计,实现数据驱动的初级永磁直线电机直接推力控制,降低非线性扰动对控制系统性能的影响,提高系统控制精度,解决直接推力控制系统推力波动较大的问题。研究内容如下:(1)在分析了PPMLM的结构与工作原理的基础上,介绍了不同坐标系下的PPMLM数学模型,并建立PPMLM直接推力控制系统,进而分析了影响PPMLM控制性能的非线性因素,为后文设计PPMLM直接推力控制系统的优化策略提供了基础。(2)针对PPMLM存在推力波动较大,控制性能较差且易受非线性扰动影响的问题,提出使用基于紧格式的无模型自适应控制算法对PPMLM直接推力控制系统速度环进行优化,该算法改善了速度曲线的跟踪效果,减小了推力波动并抑制了非线性扰动。(3)为了进一步削弱PPMLM的推力波动、提高控制精度并减少非线性扰动的影响,使用无模型自适应控制与预测控制相结合的控制算法,通过对伪偏导数进行预测以提高控制精度并减少推力波动,进而结合改进的扩展状态观测器作为前馈补偿减少系统中非线性扰动的影响。为解决所提出的算法中,预测矩阵维度较大导致计算量大的问题,提出改进的动态线性化模型,应用高阶伪偏导数估计算法并结合迭代学习控制作为前馈补偿进一步提高速度曲线的收敛速度和控制精度。再次考虑到系统的前馈补偿存在观测和补偿误差的问题,提出一种考虑扰动改进的无模型自适应控制算法并通过极限学习机估计算法内部的扰动项,在考虑了观测和补偿误差的同时进一步提高了系统的控制性能。(4)为克服无模型自适应控制算法及其改进算法可调参数过多的问题,提出自适应动态规划算法优化PPMLM直接推力控制系统的速度环,选择基于离散策略迭代算法的执行依赖启发式动态规划并设计自适应学习率和鲁棒补偿项进一步提升系统的控制性能。论文的研究结论为改善PPMLM直接推力控制系统的控制性能提供了参考价值。

关键词：初级永磁直线电机直接推力控制无模型自适应控制扩展状态观测器迭代学习控制极限学习机自适应动态规划

城市轨道交通初级永磁直线电机及其控制方法研究

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城市轨道交通初级永磁直线电机及其控制方法研究

作者：冯亚南东南大学

学位级别：硕士

随着环境污染和交通拥堵问题的日益加深,具有运输量大、速度快、绿色环保等优势的城市轨道交通越来越受到政府和人民的青睐。由于永磁体和电枢绕组都安装在动子上,在城市轨道交通这样的长距离运输系统中,初级永磁直线电机自然而然地引... 详细信息

随着环境污染和交通拥堵问题的日益加深,具有运输量大、速度快、绿色环保等优势的城市轨道交通越来越受到政府和人民的青睐。由于永磁体和电枢绕组都安装在动子上,在城市轨道交通这样的长距离运输系统中,初级永磁直线电机自然而然地引起了国内外学者的关注。而城市轨道交通牵引系统是多台初级永磁直线电机牵引系统,这必将导致电流传感器的应用数目大大增多,随之而来的是故障率的明显加大。要保证城市轨道交通牵引系统的稳定性和安全性,城市轨道交通列车牵引系统的电流传感器容错控制举足轻重。本课题开展针对城市轨道交通初级永磁直线电机牵引系统的研究,主要的研究内容有下面几部分:1)阐述课题研究的背景与意义,说明国内外城市轨道交通的发展现状,论述述城市轨道交通直线电机牵引系统的现阶段发展状况。2)针对初级永磁直线电机进行了电磁设计与建模。首先,进行了有限元分析,计算了永磁磁链、反电动势、动态电感、损耗、法向力与定位力、静态电磁推力等特性。其次,建立初级永磁直线电机的功率方程并推导了电机的尺寸方程。最后,推导了初级永磁直线电机dq坐标系下的数学模型,为后面的控制方法的提出和实验证明提供了理论支撑。3)针对单直流母线电流传感器提出了一种新型直接推力控制策略。一相电流由直接测量得到;根据有限延迟测量原则,得到第二相电流;根据三相电流之和为零得到第三相电流。为了避免测量电流长时间沦陷在某一相,一旦沦陷时间达到极限时间,则根据单目标优化原则重新选择电压矢量。新型直接推力控制不仅具有鲁棒性好的特点,而且能保持和标准直接推力控制几乎一样的稳态和瞬态性能。4)针对单相电流传感器提出了一种容错控制策略。首先,根据dq轴参考电流和残存的相电流得到估测dq轴电流,并且从理论上证明了估测的正确性。其次,第一次在单相电流传感器容错控制中用到了电压解耦,很大程度上提高了电流的动态响应。和现有的容错控制相比,本课题所提的单相电流传感器容错控制具有更好的鲁棒性和瞬态性能。5)针对无电流传感器提出了一种电流滞环控制策略。鉴于dq轴测量电流和估测电流具有一一对应关系,在估测的交直轴电流相同的情况下,故障动子和正常动子可以具有相同的dq轴测量电流。所提无电流传感器控制充分利用多动子牵引系统的特性,通过其他正常动子的牵引逆变器确定故障动子牵引逆变器的交直轴电流参考值,进而实现无电流传感器控制。6围绕dSPACE DS1103控制器为中心,搭建城市轨道交通初级永磁直线电机牵引系统实验平台。

关键词：城市轨道交通牵引系统初级永磁直线电机电流传感器容错控制 dSPACE

非对称初级永磁直线电机牵引系统容错控制研究

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非对称初级永磁直线电机牵引系统容错控制研究

作者：石岩东南大学

学位级别：硕士

与普通的永磁同步直线电机相比,初级永磁直线电机将永磁体和绕组置于初级,而次级既无绕组也无永磁体,在继承了永磁同步直线电机功率密度高、体积小、效率高、重量轻等特点的同时,还具有机械结构简单、便于定期维护等特点。随着城市人口... 详细信息

与普通的永磁同步直线电机相比,初级永磁直线电机将永磁体和绕组置于初级,而次级既无绕组也无永磁体,在继承了永磁同步直线电机功率密度高、体积小、效率高、重量轻等特点的同时,还具有机械结构简单、便于定期维护等特点。随着城市人口的显著增加和城市规模的迅速扩大,城市轨道交通对于缓解城市公共交通压力的重要意义不言而喻。基于这一背景,初级永磁直线电机以其不依赖于轮轨黏着驱动的优势,特别适合应用于隧道施工难度大、坡度大和易受雨雪天气影响的轨道交通线路中。论文构建了结合初级永磁直线电机和T型三电平逆变器的大功率牵引系统,并以此为研究对象,分别在系统正常状态和故障状态进行详细的理论分析和实验验证。为了便于对受控对象进行理论分析,论文首先建立了初级永磁直线电机在自然静止坐标系和dq旋转坐标系下的数学模型。随后论文提出了一种以五桥臂三电平逆变器控制两台初级永磁直线电机的新型牵引系统,该系统中两台初级永磁电机各有一相连接至共用桥臂。针对由五桥臂三电平拓扑构成的双电机牵引系统,将主从控制和矢量控制相结合,实现牵引系统q轴电流的等额分配。由于共用桥臂的存在,提出了线电压调制策略,利用线电压不变这一准则对各相给定参考电压进行补偿,解决共用桥臂上两相给定电压不一致的矛盾,实现两台电机的独立控制。此外,为了保持三电平拓扑直流母线中点电位平衡,论文在滞环控制的基础上,通过实时检测各相电流,完成中点电位的平衡控制。为了提高非对称初级永磁直线电机牵引系统的可靠性,论文针对两种不同的开关管开路故障,提出了相应的PWM调制策略和中点电位平衡控制策略。此外,论文还针对初级永磁直线电机一相开路故障,提出了一套完整的容错运行模式。提出的容错运行模式包括单电机运行模式、铜耗最小运行模式以及推力最大运行模式,并分析了牵引系统在不同工况下对应的运行模式。论文提出的开关管故障和一相开路故障容错控制策略均能够保持发生故障后系统稳定运行,且直流母线中点电位能够维持平衡。论文最后搭建了基于DSP的非对称初级永磁直线电机牵引系统硬件实验平台,软件则采用基于模型的设计方法,将图形化的容错控制模型自动生成相关代码,结合手工编写的底层驱动代码,实现控制算法的高效、快速开发。论文通过实验验证了理论分析和提出策略的正确性。

关键词：初级永磁直线电机牵引系统城市轨道交通三电平拓扑中点电位平衡容错控制基于模型的设计

故障条件下永磁直线电机伺服系统高品质运行控制研究

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故障条件下永磁直线电机伺服系统高品质运行控制研究

作者：曾昕卢东南大学

学位级别：硕士

随着精密制造业和军工行业的发展,伺服系统的可靠性显得日益重要。相较于旋转电机加滚轴丝杆模式的传统直线伺服系统,初级永磁直线电机伺服系统一方面采用直驱式传动结构,直接将电能转化为机械能,另一方面将永磁体和绕组全部放置于初级... 详细信息

随着精密制造业和军工行业的发展,伺服系统的可靠性显得日益重要。相较于旋转电机加滚轴丝杆模式的传统直线伺服系统,初级永磁直线电机伺服系统一方面采用直驱式传动结构,直接将电能转化为机械能,另一方面将永磁体和绕组全部放置于初级,在继承了永磁直线电机体积小、功率密度高等特点的同时,还具有结构简单、维护方便等特点。然而,由于电机运行工况的复杂性,伺服系统中的传感器存在发生故障的可能性,因此,研究故障条件下永磁直线电机伺服系统高品质运行控制具有重大意义。本课题针对初级永磁直线电机伺服系统中可能出现的电流传感器故障和位置传感器故障,开展了故障条件下的高品质运行控制研究,主要研究内容有以下几部分:(1)介绍选题背景和意义,叙述伺服系统和永磁直线电机的起源和发展,阐述电机伺服系统中电流传感器和位置传感器故障容错控制的研究现状。(2)介绍初级永磁直线电机的拓扑结构,自然坐标系下、两相静止坐标系下和同步旋转坐标系下的数学模型,以及常用的矢量控制策略。(3)电流传感器故障下永磁直线电机高品质运行控制。首先介绍一种传统容错控制方法。其中,电流内环采用滞环电流控制,在滞环比较器中,健康相电流的参考值和测量值不变,故障相电流的参考值不变,测量值由通过数学模型计算得到的估计值所代替,该方法动态性能良好,但鲁棒性差,稳态性能受电机参数变化影响较大。在此基础上,提出一种移相容错控制方法,突破了模型类控制方法鲁棒性差的技术瓶颈。在滞环比较器中,健康相电流的参考值和测量值不变,而故障相电流的测量值由通过数学模型计算得到的估计值所代替,参考值由健康相电流的估计值的移相值所代替,该方法鲁棒性高,稳态性能优越,不再受电机参数变化的影响,但动态性能较差。最后,结合传统容错控制方法和移相容错控制方法的优点提出一种融合算法,该算法通过设定合适的阈值实现系统在两种容错控制方法之间灵活切换,动态时切换到传统容错控制方法,稳态时切换到移相容错控制方法。(4)位置传感器故障下永磁直线电机高品质运行控制。提出一种基于滑模观测器法的位置传感器容错算法,相较于传统的滑模观测器法,该算法采用了新趋近律,一方面采用双曲正切函数代替传统的符号函数,将不连续函数化为连续函数,另一方面在指数趋近律的基础上引入状态变量,当状态变量逐渐趋于零时,带宽也逐渐趋于零。新趋近律的使用减小系统抖振的同时也加快了趋近运动阶段的趋近速度。(5)搭建初级永磁直线电机伺服系统实验平台。以d SPACE DS1103控制器为核心,设计了实验平台的软硬件设施,硬件部分主要分为电机本体部分和控制电路部分,软件部分主要是基于DS1103控制器和Control Desk软件的电机伺服系统设计流程。

关键词：初级永磁直线电机伺服系统电流传感器故障位置传感器故障容错控制高品质 dSPACE

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一种初级永磁型直线电动机的推力特性

电机与控制学报 2011年第9期15卷 6-11页

作者：黄磊余海涛胡敏强赵晶东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心江苏南京210096

针对应用于电磁弹射中直线感应电机推力密度和功率因数均较低的问题,提出一种应用于电磁弹射的初级永磁直线电机。给出了电机的结构和工作原理,采用二维有限元方法对电机的静态特性进行分析,给出了电机的磁链、反电动势和电感特性。在... 详细信息

针对应用于电磁弹射中直线感应电机推力密度和功率因数均较低的问题,提出一种应用于电磁弹射的初级永磁直线电机。给出了电机的结构和工作原理,采用二维有限元方法对电机的静态特性进行分析,给出了电机的磁链、反电动势和电感特性。在静态特性基础之上,通过能量法对电机推力特性进行推导。采用瞬态二维有限元方法对推力特性和电磁弹射的加速过程进行仿真分析,通过试验验证有限元仿真的正确性。仿真和试验结果表明,该电机具有小的定位力、较小的推力波动和简单的控制策略,在电磁弹射系统应用中具有很好的前景。

关键词：初级永磁直线电机有限元方法推力特性电磁弹射