阅读说明：本技术 一种基于占空比调制的磁通切换型永磁直线电机直接推力控制方法 (Direct thrust control method of flux switching type permanent magnet linear motor based on duty ratio modulation ) 是由 曹瑞武 蒋宁 王凯 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于占空比调制的磁通切换型永磁直线电机直接推力控制方法,包括以下步骤：通过设计的磁链观测器对电机的定子磁链进行估算,并计算出定子磁链位置角；通过磁链、推力的估算值和给定值之间的差值计算占空比,并选择有效的电压矢量；通过逆变器实现一个周期内同时采用非零矢量和零矢量,从而更稳定地控制电机运行。相比于传统的直接推力控制,可以在保持结构简单和动态性能不变的基础上,降低对电机参数的依赖性,有效减小电机的推力和磁链波动,提高系统的稳定性和鲁棒性。(The invention discloses a direct thrust control method of a flux switching type permanent magnet linear motor based on duty ratio modulation, which comprises the following steps of: estimating the stator flux linkage of the motor through a designed flux linkage observer, and calculating a stator flux linkage position angle; calculating a duty ratio through a flux linkage, a difference value between an estimated value of the thrust and a given value, and selecting an effective voltage vector; the inverter is used for realizing that a non-zero vector and a zero vector are simultaneously adopted in one period, so that the motor is controlled to operate more stably. Compared with the traditional direct thrust control, the method has the advantages that on the basis of keeping the structure simple and the dynamic performance unchanged, the dependence on motor parameters is reduced, the thrust and flux linkage fluctuation of the motor are effectively reduced, and the stability and the robustness of the system are improved.)

一种基于占空比调制的磁通切换型永磁直线电机直接推力控 制方法

技术领域

本发明涉及一种基于占空比调制的磁通切换型永磁直线电机直接推力控制(DTFC)方法，适用于位置传感器成本高的轨道交通等长行程驱动系统领域。

背景技术

目前，直线感应电机已被用于广州地铁、首都国际机场等城市轨道交通系统，但存在效率低、成本高的问题。磁通切换型永磁直线电机(LFSPM)的永磁体和电枢绕组均置于初级短动子上，而次级长定子仅由导磁材料组成。相比于直线感应电机、永磁同步直线电机而言，LFSPM电机同时具备低成本、高效率和高推力密度的优点，在轨道交通驱动系统领域具有非减广阔的应用前景。高性能的磁通切换型永磁直线电机控制需要准确的位置和速度信息，但昂贵的光栅尺等位置传感器会使得整个驱动系统的成本增加、可靠性降低。因此采用直接推力控制可以省去位置环，从而避免位置传感器的安装，仅需安装低成本的轨道交通用速度传感器即可。

直接转矩控制(DTC)是继矢量控制之后发展起来的控制策略，具有动态响应快、结构简单及无需位置信号等优点，主要应用于感应电机和永磁同步电机。后来将这种控制策略应用在直线电机上，逐渐演化为直接推力控制(DTFC)。

传统的DTFC中，电压矢量一般由两个迟滞比较器和一个电压矢量开关表选取，一个周期只能作用单一的电压矢量，存在推力、磁链波动大和逆变器开关频率不固定等问题。为了改善电机推力波动大的问题，有学者采用多电平逆变器来增加可选的电压矢量数量，从而降低推力波动，但会导致系统硬件成本增加、复杂性增加。另外，有学者通过引入零矢量来抑制推力波动，但效果不明显。国内外学者通过引入模型预测控制选取下一周期的最佳电压矢量，从而有效降低推力波动，但这一方法大大增加了系统的复杂性，而且很难应用在实际工程中，不符合直接推力控制结构简单的特点。

由于LFSPM电机具有电感小、磁链小和定子极距小的特点，采用传统DTFC控制会产生相当明显的推力和磁链波动。针对这一问题，本发明提出了一种基于占空比调制的磁通切换型永磁直线电机直接推力控制方法，在保持传统DTFC结构简单和动态性能的基础上，降低对电机参数的依赖性，同时有效减小电机的电磁推力和磁链波动，提高系统的稳定性和鲁棒性。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明的目的是提供一种适用于磁通切换永磁直线电机的直接推力控制策略，从而解决采用传统DTFC控制策略出现的磁链、推力波动大的问题。

本发明中采用的解决方案是：在传统DTFC基础上，引入占空比调制在一个周期内采用非零矢量和零矢量同时作用，从而调整有效电压矢量的作用幅值；同时采用新型磁链观测器提高磁链估算精度。通过仿真和实验，本发明在保持传统DTFC结构简单的特点上，能够有效减小电机的推力和磁链波动。

基于占空比调制的磁通切换型永磁直线电机直接推力控制方法包括以下步骤：

步骤1：检测磁通切换型永磁直线电机的三相电流i_a、i_b、i_c，并经过3s/2s(Clarke)变换得到两相静止坐标系下的电流i_α和i_β，检测母线电压及逆变器开关状态S_a、S_b、S_c，再经过3s/2s(Clarke)变换得到两相静止坐标系下的电压u_α和u_β；

步骤2：根据光栅尺获得LFSPM电机的实际速度V，并与给定速度V_ref通过PI控制器得到参考的推力F_ref；

步骤3：根据步骤1中得到的电流信号i_α、i_β和电压信号u_α、u_β，利用磁链观测器进行磁链估算，再通过ψ_α、ψ_β进行反正切计算得到定子磁链位置角θ_s；在两相静止坐标系下，通过ψ_α、ψ_β和i_α、i_β计算得到估算的电机推力F，具体表达式为：

式中τ_s为电机定子极距；

步骤4：根据估算的磁链值、给定推力与估算推力的差值计算占空比d；磁链、推力的差值以及定子磁链位置角θ_s再通过滞环调节器输出选择信号给电压矢量开关表选择电压矢量u_k；

步骤5：根据步骤4得到的占空比d和电压矢量u_k得到调制信号输出给逆变器，从而实现对电机推力、磁链的准确控制。

本发明具有以下有益效果：

1)通过简单的占空比计算方法，使得一个周期内不再采用单一的电压矢量，有效减小了电机的推力波动，降低了对电机参数的依赖性。

2)采用新型的磁链观测器估算电机磁链，结合了电压型和电流型磁链观测器的优点，提高了磁链估算的准确性，并进一步降低了电机的推力波动。

3)本发明同样适用于其他直线永磁电机。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为基于占空比调制的磁通切换型永磁直线电机直接推力控制框图；

图2为磁通切换型永磁直线电机截面图；

图3为F₀＜F_ref时的占空比计算原理图；

图4为F₀＞F_ref时的占空比计算原理图；

图5为磁链观测器结构框图；

图6为DTFC加载仿真对比波形图；其中图6(a)为传统DTFC；

图6(b)为基于占空比调制的DTFC；

图7为空载情况下本发明的DTFC速度动态响应的实验波形图；

图8为空载情况下本发明的DTFC磁链的实验波形图；

图9为加载50N情况下本发明的DTFC的实验波形图。

具体实施方式

本发明提供一种基于占空比调制的磁通切换型永磁直线电机直接推力控制方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是基于占空比调制的磁通切换永磁直线电机直接推力控制方案，具体的控制框图如图1所示。给定速度V_ref与实际速度V之间的差值经过PI控制器得到给定推力F_ref，估算的磁链、推力与给定值的差值用于计算占空比d，再通过滞环调节器输出选择信号给开关表选择有效电压矢量u_k，最后输出给逆变器，从而对电机的磁链、推力实现准确的控制。

图2为磁通切换永磁直线电机的截面图。由图可知，电机的初级短动子由电枢绕组和永磁体组成，而次级长定子的结构非常简单，仅由导磁铁芯组成，具有可靠性、成本低的优点。因此相比于直线感应电机、永磁同步直线电机而言，LFSPM电机同时具备低成本、高效率和高推力密度的优点，在轨道交通驱动系统领域具有非常广阔的应用前景。

具体实施方案包括以下步骤：

步骤1：通过A/D采样获得磁通切换型永磁直线电机的三相电流i_a、i_b、i_c，并经过3s/2s(Clarke)变换得到两相静止坐标系下的电流i_α和i_β：

由电压采样单元得到母线电压U_dc和逆变器的开关状态S_a、S_b、S_c，经过3s/2s(Clarke)变换得到两相静止坐标系下系下的电压u_α和u_β：

步骤2：利用光栅尺得到LFSPM电机的位移S，并对位移求导得到电机的实际速度V，与给定速度V_ref的差值通过PI控制器得到给定的电磁推力F_ref。

步骤3：通过此前得到的i_α、i_β和u_α、u_β，由设计的磁链观测器估算得到两相静止坐标系下的磁链值ψ_α、ψ_β，观测器的传递函数为：

式中，D代表线性补偿器，即磁链观测器中的PI控制器；R为电机定子电阻。

估算的两相静止坐标系下的电流i_α和i_β即为：

代入上式，估算的磁链方程可以推导为：

重新排列上式，即为：

由上式可以看出，估算的磁链与实际值在理论上相等，也就是说理论上可以无误差地估算出电机的磁链值。

通过由观测器得到的磁链分量ψ_α、ψ_β，进行三角反正切运算可以得到定子磁链位置角，具体表达式为：

在两相静止坐标系下，利用ψ_α、ψ_β和i_α、i_β计算出估算的电机电磁推力，具体的表达式为：

式中τ_s为电机定子极距。

步骤4：通过估算得到的推力、磁链估算值和给定值之间的差值，计算得到占空比大小d，具体表达式为：

式中，d_F和d_ψ分别是推力和磁链的占空比大小，F_ref和ψ_ref分别是第(k-1)个周期的电磁推力和磁链的参考值，F₀和ψ₀分别是第(k-1)个周期的电磁推力和磁链的初始值，对其去绝对值是为了保证占空比大于零。

当F₀＜F_ref时，由图3可以看出，若仅使用单一电压矢量，则电机的推力曲线为ABD；而引入零矢量同时作用后，则推力曲线变为ACF，其中曲线ABE是仅考虑推力占空比的情况。由相似原理，可以得到：

若仅考虑推力占空比，则电机的实际推力则始终小于参考值，不符合控制需求。因此，需要考虑磁链的占空比；同时为了保证总占空比始终小于1，磁链的占空比表达式为：

当F₀＞F_ref时，由图4可以看出，若引入零矢量，则推力曲线为ABCD。但当F₀和F_ref之间的差值较小时，这样也会产生较大的推力波动。因此这种情况下可在一个周期内仅采用零矢量作用，推力曲线就会变成AE，可以看出推力波动明显减小。

采用这种方法计算占空比，仅需电磁推力和定子磁链的差值，降低了对电机参数的依赖性，同时又保持了结构简单的特点。

磁链和推力的差值、定子磁链位置角θ_s再通过滞环调节器输出选择信号给电压矢量开关表选择有效电压矢量u_k，开关表如表1所示。其中Δψ代表磁链的状态，Δψ＝1表示定子磁链幅值小于给定值，而Δψ＝-1表示定子磁链幅值大于给定值；ΔF代表电磁推力的状态，ΔF＝1表示电磁推力小于给定值，而ΔF＝-1表示电磁推力大于给定值。

表1

步骤5：将得到的占空比和有效电压矢量输出给逆变器，从而在一个周期内同时作用非零电压矢量和零电压矢量，实现对电机推力、磁链的准确控制。

为了说明本发明的基于占空比调制的直接推力控制方法，可以在保证结构简单和动态性能不变的基础上，有效减小电机的电磁推力波动，现将其与传统的DTFC进行仿真对比分析。

仿真所用LFSPM电机参数如下：直轴电感L_d＝2.69mH；交轴电感L_q＝2.69mH；定子电阻R＝0.46Ω；定子极距τ_s＝0.012m；永磁磁链ψ_f＝0.02158wb；电机初级质量M＝5kg。仿真中采样周期为100μs，PI控制器中k_p取值12，k_i取值1。

图6为传统DTFC和占空比调制的DTFC加载仿真对比波形图，电机加载50N起动，以0.5m/s的速度稳态运行。可以看出，占空比调制的DTFC运行下电机的速度误差保持在0.002m/s以内，而传统DTFC的速度误差约为0.006m/s，同时电机的相电流约为8A。从推力曲线可以看出，占空比调制的DTFC的推力波动远远小于传统的DTFC，根据仿真结果计算得到占空比调制的DTFC的平均推力波动为7.14N，峰值约为20N；而传统DTFC的平均推力波动为15.93N，峰值约为50N。另外，磁链脉动比传统的DTFC有明显的减小。故占空比调制的DTFC可以有效降低电机的推力和磁链波动，提高系统的控制性能。

图7为空载情况下本发明的DTFC速度动态响应的实验波形图，给定速度为1m/s，空载起动。图8为相应的磁链波形图。可以看出电机在稳态运行时的速度误差保持在0.002m/s以内，而估算的磁链也能很好地跟踪上给定的磁链。因此，磁链观测器具有很好的估算性能。

图9为加载50N情况下本发明的DTFC的实验波形图，电机加载50N起动，给定速度为0.5m/s。电机以0.5m/s的速度稳态运行时，稳态速度误差保持在0.01m/s以内。由于负载为50N，所以给定推力和估算推力均在50N附近波动，而估算值和给定值之间的差值限制在20N以内，相比于传统DTFC的推力波动有明显减小。另外，估算的磁链也能很好地跟踪上给定的磁链，故磁链观测器在带载情况下也有较好的估算性能。

从上述内容可以得知，本发明提出的基于占空比调制的直接推力控制方法，相比于传统的DTFC，可以在保持结构简单和动态性能不变的基础上，降低对电机参数的依赖性，有效减小电机的电磁推力和磁链波动，提高系统的稳定性和鲁棒性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。