本發(fā)明涉及三相直線永磁電機(jī)控制技術(shù)，具體是一種用于三相直線永磁電機(jī)的基于抗飽和(anti-windup)pi控制器和占空比調(diào)制的直接推力控制(dtfc)方法，適用于城市軌道交通等對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定性和安全性要求高的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市人口也在急速增加，交通堵塞問(wèn)題日益嚴(yán)重。軌道交通作為新型交通工具受到了越來(lái)越多的關(guān)注。直線電機(jī)牽引系統(tǒng)與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、爬坡能力強(qiáng)、噪聲小、環(huán)境污染低等顯著的優(yōu)勢(shì)。目前，直線感應(yīng)電機(jī)已被用于首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)、廣州地鐵等城市軌道交通系統(tǒng)，但存在效率低、成本高的問(wèn)題。如圖2所示，直線游標(biāo)永磁(lvpm)電機(jī)是一種新型的初級(jí)永磁型直線電機(jī)，其次級(jí)導(dǎo)軌僅由導(dǎo)磁材料構(gòu)成，能大大降低施工成本，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效率、高推力密度等優(yōu)勢(shì)，非常適合長(zhǎng)行程和大推力的軌道交通領(lǐng)域。直接轉(zhuǎn)矩控制(dtc)是繼矢量控制之后發(fā)展起來(lái)的新一代高性能控制策略，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)以及無(wú)需轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和復(fù)雜的坐標(biāo)變換等優(yōu)點(diǎn)，后來(lái)將其運(yùn)用在直線電機(jī)上，逐漸演化為直接推力控制(dtfc)。傳統(tǒng)dtfc中，速度環(huán)節(jié)一般采用傳統(tǒng)pi控制器來(lái)調(diào)節(jié)，控制器的輸出為電機(jī)參考推力給定值。由于受逆變器的容量、電機(jī)最大輸出推力有限等因素的影響，速度控制器的輸出必須受到限幅。當(dāng)速度發(fā)生大的突變時(shí)，控制器輸出會(huì)受到飽和限制，此時(shí)電機(jī)只能輸出預(yù)設(shè)的最大推力，這就會(huì)造成積分飽和(windup)現(xiàn)象，起系統(tǒng)超調(diào)量大、穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)。傳統(tǒng)dtfc對(duì)磁鏈和推力的控制采用滯環(huán)調(diào)節(jié)器，類似于bang-bang控制，一個(gè)周期只能作用單一的電壓矢量，存在磁鏈和推力脈動(dòng)大和逆變器開(kāi)關(guān)頻率不固定等問(wèn)題。針對(duì)上述傳統(tǒng)dtfc存在的弊端，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。為了改善傳統(tǒng)pi控制器的不足，有學(xué)者通過(guò)設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的方法可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，但這些方法參數(shù)變化多，計(jì)算復(fù)雜，調(diào)節(jié)困難，不易于工程應(yīng)用。一些學(xué)者設(shè)計(jì)抗飽和pi控制器來(lái)消除積分飽和現(xiàn)象，抗飽和控制器主要分為條件積分法和反計(jì)算法。反計(jì)算法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工程上應(yīng)用最多，但反饋增益需反復(fù)調(diào)整，工程應(yīng)用中難以滿足定量設(shè)計(jì)的性能要求。為了改善傳統(tǒng)dtfc推力脈動(dòng)大的問(wèn)題，有學(xué)者引入多電平逆變器來(lái)增加可選電壓空間矢量的數(shù)目，從而達(dá)到較小推力脈動(dòng)的目的，但此方法導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件數(shù)量增加，使得系統(tǒng)硬件成本上升，且增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。國(guó)內(nèi)有學(xué)者通過(guò)引入零電壓矢量來(lái)抑制推力脈動(dòng)，但只能在一定程度抑制推力脈動(dòng)。還有學(xué)者通過(guò)將扇區(qū)細(xì)分，來(lái)抑制推力脈動(dòng)，但其仍然是一種開(kāi)關(guān)頻率不固定的控制。國(guó)外學(xué)者通過(guò)引入線性調(diào)節(jié)器可有效抑制推力脈動(dòng)，但其算法復(fù)雜，且難于工程應(yīng)用，與直接推力運(yùn)算簡(jiǎn)單的初衷是相悖的。針對(duì)傳統(tǒng)直接推力控制系統(tǒng)速度環(huán)節(jié)存在的非線性飽和和推力脈動(dòng)大，以及現(xiàn)有直接推力控制算法復(fù)雜等問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于抗飽和pi控制器和占空比調(diào)制的新型直線永磁電機(jī)直接推力方法，在保持傳統(tǒng)dtfc結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和動(dòng)態(tài)性能不變的基礎(chǔ)上，能有效抑制積分飽和現(xiàn)象，減小系統(tǒng)的超調(diào)量，并能有效減小推力脈動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種適用于直線永磁電機(jī)的直接推力控制策略，用以解決直線永磁電機(jī)系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)dtfc存在的非線性飽和和磁鏈、推力脈動(dòng)大的問(wèn)題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：在傳統(tǒng)dtfc的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入抗飽和pi控制和占空比調(diào)制技術(shù)，取代傳統(tǒng)pi控制器，同時(shí)通過(guò)占空比計(jì)算來(lái)調(diào)整一個(gè)周期內(nèi)有效電壓矢量作用幅值，通過(guò)pwm調(diào)制使開(kāi)關(guān)頻率固定并發(fā)出對(duì)稱的pwm波。根據(jù)多次仿真，本發(fā)明在保持傳統(tǒng)dtfc結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和良好動(dòng)態(tài)性能的基礎(chǔ)上，能有效減小系統(tǒng)的超調(diào)量，并能有效減小系統(tǒng)的推力脈動(dòng)。一種基于抗飽和pi控制器和占空比調(diào)制的直線永磁電機(jī)直接推力控制方法，包括如下步驟：第一步，三相定子電流ia、ib、ic由電流霍爾傳感器采集后，經(jīng)克拉克3r/2s坐標(biāo)變換后得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量iα、iβ；由電壓采集單元得到的母線電壓udc和逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)sa、sb、sc，分別計(jì)算得到三相定子相電壓ua、ub、uc并經(jīng)克拉克3r/2s變換后得到兩相靜止坐標(biāo)下的uα和uβ；第二步，利用磁柵尺獲得三相直線永磁電機(jī)位移s，并由此計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際速度v，與給定速度v*作差經(jīng)過(guò)抗飽和pi控制器得到給定參考推力fe*；第三步，通過(guò)第一步得到的iα、iβ以及uα和uβ，利用“電壓法”進(jìn)行磁鏈估算，再通過(guò)磁鏈分量ψα、ψβ進(jìn)行三角反正切計(jì)算得到定子磁鏈位置角θs；在兩相靜止坐標(biāo)系下，利用ψα、ψβ以及iα和iβ計(jì)算出本次實(shí)時(shí)估測(cè)的電磁推力fe，具體表達(dá)式為：式中，pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)，τ為電機(jī)的極距；第四步，利用估算的磁鏈和推力與給定值的差值來(lái)計(jì)算占空比d；磁鏈和推力的差值和定子磁鏈位置角θs再通過(guò)滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出選擇信號(hào)給電壓矢量開(kāi)關(guān)表選擇有效電壓矢量us；第五步，將第四步得到的占空比d和有效電壓矢量us輸入給pwm調(diào)制模塊，發(fā)出開(kāi)關(guān)頻率固定的pwm波給逆變器，對(duì)電機(jī)的推力和磁鏈實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定、更準(zhǔn)確地控制。本發(fā)明具有以下有益效果：1)采用抗飽和pi控制器，保證系統(tǒng)出現(xiàn)飽和時(shí)能快速退出積分狀態(tài)，可以有效減小系統(tǒng)超調(diào)量，減小系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間，提升系統(tǒng)的控制性能；在負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，速度響應(yīng)受到的擾動(dòng)小，具有更好的魯棒性提升系統(tǒng)的控制性能。2)采用固定開(kāi)關(guān)頻率的占空比調(diào)制，通過(guò)簡(jiǎn)單的占空比計(jì)算方法減小對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴性，降低計(jì)算的復(fù)雜性，pwm調(diào)制可以使逆變器的發(fā)波頻率固定，有效減小系統(tǒng)的磁鏈和推力脈動(dòng)。3)本發(fā)明同樣適用于普通非初級(jí)永磁型直線永磁電機(jī)。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的基于抗飽和pi控制器和占空比調(diào)制的dtfc控制框圖；圖2為直線游標(biāo)永磁電機(jī)截面圖；圖3為抗飽和變結(jié)構(gòu)pi控制器結(jié)構(gòu)圖；圖4為傳統(tǒng)占空比dtfc電壓矢量切換圖；圖5為開(kāi)關(guān)頻率固定的占空比dtfc電壓矢量切換圖；圖6為傳統(tǒng)pi和抗飽和pi速度響應(yīng)仿真對(duì)比波形圖；圖7為負(fù)載突變時(shí)傳統(tǒng)pi和抗飽和pi速度響應(yīng)仿真對(duì)比波形圖；圖8為dtfc仿真對(duì)比波形圖；其中，圖8(a)為傳統(tǒng)dtfc,圖8(b)為本發(fā)明的基于抗飽和pi控制器和占空比調(diào)制的dtfc；圖9為負(fù)載突變時(shí)本發(fā)明的dtfc推力動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真波形圖；圖10為負(fù)載突加時(shí)本發(fā)明的dtfc推力動(dòng)態(tài)響應(yīng)局部放大仿真波形圖；圖11為負(fù)載突減時(shí)本發(fā)明的dtfc推力動(dòng)態(tài)響應(yīng)局部放大仿真波形圖。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。本發(fā)明是基于抗飽和pi控制器和占空比調(diào)制的直線永磁電機(jī)直接推力控制方法，具體的控制框圖，如圖1所示。給定速度v*與實(shí)際速度v之差經(jīng)過(guò)抗飽和pi控制器得到給定參考推力fe*，估算的磁鏈和推力與給定值的差值用來(lái)計(jì)算占空比d，再通過(guò)滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出選擇信號(hào)給電壓矢量開(kāi)關(guān)表選擇有效電壓矢量us。再把占空比d和有效電壓矢量us輸入給pwm調(diào)制模塊，發(fā)出開(kāi)關(guān)頻率固定的pwm波給逆變器，對(duì)電機(jī)的推力和磁鏈實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更準(zhǔn)確地控制。圖2為直線游標(biāo)永磁電機(jī)的截面圖。由圖2可知，電機(jī)的初級(jí)動(dòng)子由硅鋼片疊成的永磁體、初級(jí)鐵芯和三相電樞繞組組成，永磁體通過(guò)組合陣列表嵌在初級(jí)齒上。軌道側(cè)的電機(jī)次級(jí)僅由帶有凸極的硅鋼片開(kāi)槽形成齒槽結(jié)構(gòu)，既無(wú)永磁體又無(wú)繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于電機(jī)次級(jí)僅由導(dǎo)磁性材料組成，故具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，易于維護(hù)，非常適合長(zhǎng)行程和大推力的軌道交通應(yīng)用領(lǐng)域。具體實(shí)施方案包括以下步驟：1、三相定子電流ia、ib、ic由電流霍爾傳感器采集后，經(jīng)克拉克3r/2s坐標(biāo)變換后得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量iα、iβ的表達(dá)式為由電壓采樣單元得到的母線電壓udc和逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)sa、sb、sc，分別計(jì)算得到三相定子相電壓ua、ub、uc并經(jīng)克拉克3r/2s變換后得到兩相靜止坐標(biāo)下的uα和uβ的表達(dá)式為2、利用磁柵尺獲得三相直線永磁電機(jī)位移s，并由此計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際速度v(見(jiàn)式3)，與給定速度v*作差經(jīng)過(guò)抗飽和pi控制器得到給定參考推力fe*。如圖3所示，為抗飽和pi控制器結(jié)構(gòu)圖。由圖3可知，抗飽和變結(jié)構(gòu)pi控制器通過(guò)反饋系數(shù)μ實(shí)現(xiàn)積分項(xiàng)的自適應(yīng)調(diào)整，其自適應(yīng)變化律為式中，α為積分反饋時(shí)間常數(shù)，滿足α>>b/m；ep＝(upn-ups)；抗飽和pi控制器采用條件積分法和反計(jì)算法相結(jié)合的方法，充分利用各自的特點(diǎn)，并將比例和積分項(xiàng)對(duì)飽和的影響進(jìn)行分離，充分發(fā)揮比例項(xiàng)的作用，實(shí)現(xiàn)更加精確地反饋補(bǔ)償，新型抗飽和pi控制器是在保持傳統(tǒng)pi控制器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，既可以提高系統(tǒng)的控制性能，又易于工程應(yīng)用。3、通過(guò)此前計(jì)算得到的iα、iβ以及uα和uβ，利用“電壓法”進(jìn)行磁鏈估算的表達(dá)式為式中，rs為定子電阻；ψα、ψβ分別為兩相靜止坐標(biāo)系下的磁鏈分量。通過(guò)此前計(jì)算得到的磁鏈分量ψα、ψβ進(jìn)行三角反正切計(jì)算得到定子磁鏈位置角θs的表達(dá)式為θs＝arctan(ψβ/ψα)(6)在兩相靜止坐標(biāo)系下，利用ψα、ψβ以及iα和iβ計(jì)算出本次實(shí)時(shí)估測(cè)的電磁推力fe，具體表達(dá)式為：4、利用估算的磁鏈和推力與給定值的差值來(lái)計(jì)算占空比d，具體表達(dá)式為式中，fe*(k)、ψs*(k)分別為第k周期電磁推力和定子磁鏈的參考值；fe(k)、ψs(k)分別為第k周期電磁推力和定子磁鏈的估算值；cf、cψ為正常數(shù)。由式(8)計(jì)算的占空比，僅需電磁推力和定子磁鏈的偏差值，減少了對(duì)電機(jī)自身參數(shù)的依賴性，具有簡(jiǎn)單性的特點(diǎn)。一定范圍內(nèi)cf、cψ的取值對(duì)系統(tǒng)性能不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行，只是推力脈動(dòng)有所不同，故這占空比計(jì)算方法具有更好的魯棒性。同時(shí)磁鏈和推力的差值和定子磁鏈位置角θs再通過(guò)滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出選擇信號(hào)給電壓矢量開(kāi)關(guān)表選擇有效電壓矢量us。如表1所示，為電壓矢量開(kāi)關(guān)表。其中，φ代表磁鏈的狀態(tài)，φ＝1表示定子磁鏈幅值小于給定值，此時(shí)需要增大磁鏈；φ＝0表示定子磁鏈幅值大于給定值，此時(shí)需要減小磁鏈。τ代表推力狀態(tài)，τ＝1表示推力小于給定值，需要增大磁鏈；τ＝-1表示推力大于給定值，需要減小推力。表15、將上一步得到的占空比d和有效電壓矢量us輸入給pwm調(diào)制模。如圖4所示，為傳統(tǒng)占空比dtfc矢量切換圖，由圖可知每個(gè)控制周期有非零矢量切換為零電壓矢量時(shí)只有一相橋臂開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變，開(kāi)關(guān)次數(shù)恒為一次，但是相鄰兩個(gè)控制周期之間由零電壓矢量切換到有效電壓矢量時(shí)，逆變器可能會(huì)有一相或兩相橋臂開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變，這種占空比調(diào)制方式可以在一定程度上減小開(kāi)關(guān)頻率，但開(kāi)關(guān)頻率并不固定。在空間電壓矢量脈寬調(diào)制中，每次開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，只改變其中一相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并且對(duì)零電壓矢量在時(shí)間上進(jìn)行平均分配，以使開(kāi)關(guān)頻率固定和產(chǎn)生的pwm對(duì)稱?；谶@種調(diào)制方式，在占空比dtfc中可以對(duì)每控制周期的有效電壓矢量和零電壓矢量的施加順序進(jìn)行調(diào)整，把零電壓矢量u0(000)、u7(111)在時(shí)間上進(jìn)行平均分配，分別在每個(gè)控制周期的開(kāi)始、中間和結(jié)尾輸出，從而實(shí)現(xiàn)固定的開(kāi)關(guān)頻率。如圖5所示，以u(píng)1(100)為例，采用零電壓矢量平均分配的方式來(lái)進(jìn)行pwm調(diào)制。圖5中,tx、ty表示如下：式中，ton＝d·ts。tx、ty構(gòu)成三相pwm調(diào)制的比較值表。6個(gè)非零有效電壓矢量發(fā)波的比較值通過(guò)在線查表即可獲得。如表2所示，為a、b、c三相的發(fā)波比較值與有效電壓矢量的關(guān)系表。其中，ta、tb、tc分別為a、b、c三相的發(fā)波比較值。表2u1u2u3u4u5u6tatxtxtytytytxtbtytxtxtxtytytctytytytxtxtx6、為了說(shuō)明本發(fā)明的基于抗飽和pi控制器和占空比調(diào)制的直接推力控制方法，可在保持結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和動(dòng)態(tài)性能不變的基礎(chǔ)上，有效抑制積分飽和現(xiàn)象，減小系統(tǒng)的超調(diào)量，并能有效減小推力脈動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，現(xiàn)將其與傳統(tǒng)dtfc進(jìn)行仿真對(duì)比分析。仿真中所用直線永磁電機(jī)參數(shù)如下：額定電壓un＝270v；額定電流in＝5a；直軸電感l(wèi)d＝84.9mh；交軸電感l(wèi)q＝89.3mh；極距τ＝0.0147m；極對(duì)數(shù)pn＝2；定子電阻rs＝1.25ω；永磁體磁鏈ψf＝0.12wb；電機(jī)初級(jí)質(zhì)量m＝32kg；粘滯摩擦系數(shù)b＝0.1n·s/m。仿真中電機(jī)空載起動(dòng)，采樣周期為50μs，給定參考定子磁鏈ψs*為0.2wb，cf取值為7、cψ取值為0.1。pi控制器中kp取值為30，ki取值為25，新型抗飽和pi控制器中積分反饋時(shí)間常數(shù)α取1。圖6是傳統(tǒng)pi和抗飽和pi速度響應(yīng)仿真對(duì)比波形，在0s時(shí)給定速度0.2m/s，在0.2s時(shí)速度階躍增加到0.4m/s，在0.4s時(shí)速度階躍減小到0.2m/s。當(dāng)給定速度為0.2m/s時(shí)，傳統(tǒng)pi控制器的速度響應(yīng)的超調(diào)量約為14％，調(diào)節(jié)時(shí)間約0.10s；新型抗飽和pi控制器速度響應(yīng)幾乎無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間約0.05s。在0.2s速度階躍到0.4m/s時(shí)，傳統(tǒng)pi控制器有一定的超調(diào)，而抗飽和pi控制器速度響應(yīng)幾乎無(wú)超調(diào)，故新型抗飽和pi控制器可以有效抑制飽和現(xiàn)象，減小系統(tǒng)超調(diào)量，提高系統(tǒng)的控制性能。圖7是負(fù)載突變時(shí)傳統(tǒng)pi和抗飽和pi速度響應(yīng)仿真對(duì)比波形。由圖可知，在0.2s時(shí)由空載突加120n的負(fù)載阻力，在0.4s時(shí)負(fù)載阻力從120n突減到空載。從圖中看出，新型抗飽和pi控制器的速度響應(yīng)比傳統(tǒng)pi控制器受到的負(fù)載擾動(dòng)小，具有更好的魯棒性。圖8是傳統(tǒng)dtfc和本發(fā)明的dtfc電流、磁鏈和推力仿真對(duì)比波形?？梢钥闯?，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，本發(fā)明的dtfc的定子電流正弦度較好，與傳統(tǒng)dtfc相比，定子電流的畸變和脈動(dòng)得到明顯改善。由于在占空比計(jì)算中考慮了對(duì)磁鏈的控制，本發(fā)明的dtfc的磁鏈脈動(dòng)比傳統(tǒng)dtfc有明顯的減小。傳統(tǒng)dtfc的推力脈動(dòng)約為10n；本發(fā)明的dtfc的推力脈動(dòng)約為4n。顯然，本發(fā)明的dtfc能有效減小推力脈動(dòng)，提升dtfc系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。負(fù)載突變時(shí)本發(fā)明的dtfc推力動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真波形，如圖9、圖10和圖11所示。由圖10可知，在0.5s時(shí)負(fù)載阻力由0n突加到50n響應(yīng)時(shí)間為1.2ms；由圖11可知，在0.8s時(shí)負(fù)載阻力由50n突減到0n響應(yīng)時(shí)間為1.1ms。故本發(fā)明的dtfc在改善系統(tǒng)控制性能的基礎(chǔ)上保持了傳統(tǒng)dtfc較好的動(dòng)態(tài)性能。從以上所述可以得知，本發(fā)明提出的基于抗飽和pi控制器和占空比調(diào)制的直接推力控制方法，相比與傳統(tǒng)dtfc，可在保持其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和動(dòng)態(tài)性能不變的基礎(chǔ)上，有效抑制積分飽和現(xiàn)象，減小系統(tǒng)的超調(diào)量，并能有效減小推力脈動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。應(yīng)理解上述施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。當(dāng)前第1頁(yè)12