专利名称：直线感应电机的控制方法
技术领域：
本发明主要涉及到直线感应电机领域，特指一种直线感应电机的控制方法，但也可以用于其它电机的控制。
背景技术：
直线感应电机的基本原理及其等效电路的结构与旋转感应电机基本一致。但由于它诸多独有的特点，它的控制比旋转电机要困难得多。这主要表现在以下几个方面A边端效应的影响。特别是动态纵向边端效应，在中高速时削弱气隙磁链，从而导致电机励磁电感的减小，大大降低了直线电机的效率。且磁链削弱量很难准确预知，特别是在实时控制系统中。
B气隙尺寸的变化。在直线电机运行时，其初次级间气隙尺寸不断随机变化，从而其速度-推力的机械特性也随之变化。
C对于使用背铁作为次级(地铁或磁悬浮通常用该类型次级)的直线感应电机，其磁渗透深度随滑差频率等而变化，由于磁性材料特性的非线性，这导致电机次级参数的非线性变化，由于受诸多因素的影响，特别是在实时系统中，该等效电路参数很难准确预知。
D初次级间存在法向力。该法向力特别是单边直线感应电动机法向力峰值可达牵引力的几倍。过高的法向力危机运行安全。特别是磁悬浮其法向力有更严格要求。
基于以上特点，使旋转电机的控制方法很难直接运用在直线电机控制上。对于直线电机的控制，国内外作了很多研究。但有很多没有考虑效率因素，如矢量控制等，这适合于在微小直线电机控制。另外也有使用诸多如滑模控制，自适用控制等复杂算法，但大多停留在理论探索方面，没有进行实际运用。且一般控制复杂，不易实现。且其控制特性或多或少仍受参数变化影响。因此具有高实用性的牵引直线电机控制方法并不多见。
最有代表性的牵引直线电机实用控制方法莫过于加拿大城市交通发展公司(现已被庞巴迪收购)A.K.Wallace于1980年在IEEE磁学会刊上发表的滑差控制方法，该方法综合考虑了直线感应电机的特性而进行电流的频率和幅值控制。能有效地控制直线电机的推力和运行速度，取得较高的效率，并在加拿大的直线电机地铁系统中得到使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种控制更为简便、稳定，能够提升直线感应电机牵引系统整体性能的直线感应电机的控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为一种直线感应电机的控制方法，其特征在于根据逆变器对直线感应电机的输入电压，得到直线感应电机初级磁链的实际磁链频率和磁链幅值，然后采集直线感应电机的实时速度，通过实时速度得到直线感应电机初级磁链的频率参考量和幅值参考量，同时结合目标状态下初级磁链的形状，确定合适的初级电压空间矢量使实际磁链幅值和磁链频率分别趋于幅值参考量和频率参考量，将与初级电压空间矢量对应的控制信号传送给直流电源与直线感应电机之间的逆变器，从而改变直线感应电机的速度或推力。
本发明其中一种方案的步骤进一步为(1).采集逆变器输入端的直流电源电压值，结合前一周期微处理器对逆变器的控制信号，得到直线感应电机的输入电压ua，ub，uc，经过3/2变换得到usα，usβ，通过下列式①得到准初级磁链空间矢量ψi在直角坐标系α、β轴的分量ψiα，ψiβ，据此进一步可算得准初级磁链实际幅值ψi以及准初级磁链实际空间矢量角θψi或通过下式②得到准初级磁链实际角速度ωψi；ψiα，β＝∫usα，βdt……………………………………………………………①；ωψi=ΔθψiΔt]]>....................................................②(2).采集直线感应电机的实时电机速度信号v，由该速度信号v即可初步确定滑差角频率基本参考量，在此基础上结合实际情况进一步优化确定滑差频率参考量ωsl*，并可通过下式③、④得到准初级磁链空间矢量角参考量θψi*或通过下式④得到准初级磁链空间矢量角速度参考量ωψi*；θψi*=∫ωψi*dt]]>.....................................................③ωψi*=vπτ+ωsl*]]>.....................................................④(3).根据所需要的目标推力可直接得到准初级磁链空间矢量幅值参考量ψi*，或者根据取得的速度信号v和设定目标速度信号参考值v*之间的误差进行PI调节得到准初级磁链空间矢量幅值参考量ψi*；(4).结合直线感应电机初级磁链的目标形状，确定合适的初级电压空间矢量使准初级磁链实际空间矢量角θψi趋于准初级磁链空间矢量角参考量θψi*或者使准初级磁链实际角速度ωψi趋于准初级磁链空间矢量角速度参考量ωψi*；准初级磁链实际幅值ψi趋于准初级磁链空间矢量幅值参考量ψi*，也就得到相应的控制信号传送给直流电源与直线感应电机之间的逆变器，完成对直线感应电机的控制。
上述方案中，本发明进一步通过步骤(1)、(2)和(3)中得到的数值通过下式⑤得到的矢量角误差εθ或通过下式⑥得到角速度误差εω，对矢量角误差εθ或角速度误差εω进行滞环控制，使矢量角误差εθ或角速度误差εω等于或趋于零，即得到磁链的频率控制；同时对磁链幅值进行滞环控制，使实际磁链幅值与磁链幅值参考量间的误差为零，此即得到磁链的幅值控制，或利用θψi*和ψi*，结合直线感应电机初级磁链的目标形状，利用空间矢量调制的方法，同时达到磁链的频率控制和幅值控制。
ϵθ=θψi*-θψi]]>⑤ϵω=ωψi*-ωψi]]>⑥本发明另一种方案的步骤进一步为(1).采集逆变器输入端的直流电源电压值，结合前一周期微处理器对逆变器的控制信号，得到直线感应电机的输入电压ua，ub，uc，经过3/2变换得到usα，usβ，同样可得到输入电流值isα，isβ，通过下列式⑦得到初级磁链空间矢量ψs在直角坐标系α、β轴的分量ψsα，ψsβ，据此进一步可算得其初级磁链实际幅值ψs以及初级磁链实际空间矢量角θψs或通过下式⑧得到初级磁链实际角速度ωψs；ψsα，β＝∫(usα，β+isα，βRs)dt…………………………………………………⑦ωψs=ΔθψsΔt]]>..........................................................⑧(2).采集直线感应电机的实时电机速度信号v，由该速度信号v即可初步确定滑差角频率基本参考量，在此基础上结合实际情况进一步优化确定滑差频率参考量ψsl*，并可通过下式⑨、⑩得到初级磁链空间矢量角参考量θψs*或通过下式⑩得到初级磁链空间矢量角速度参考量ωψs*；θψs*=∫ωψs*dt]]>..................................................................⑨ωψs*=vπτ+ωsl*]]>..................................................................⑩(3).根据所需要的目标推力可直接得到初级磁链空间矢量幅值参考量ψs*，或者根据取得的速度信号v和设定目标速度信号参考值v*之间的误差进行PI调节得到初级磁链空间矢量幅值参考量ψs*；(4).结合直线感应电机初级磁链的形状，确定合适的初级电压空间矢量使初级磁链实际空间矢量角θψs等于或趋于初级磁链空间矢量角参考量θψs*或者使初级磁链实际角速度ωψs趋于初级磁链空间矢量角速度参考量ωψs*，同时使初级磁链实际幅值ψs趋于初级磁链空间矢量幅值参考量ψs*，也即得到相应的控制信号传送给直流电源与直线感应电机之间的逆变器，完成对直线感应电机的控制。
上述方案中，本发明就进一步通过步骤(1)、(2)和(3)中得到的数值通过下式得到的矢量角误差εθ或通过下式得到角速度误差εω，对矢量角误差εθ或角速度误差εω进行滞环控制，使矢量角误差εθ或角速度误差εω等于或趋于零，即得到磁链的频率控制；同时对磁链幅值也进行滞环控制，使实际磁链幅值与磁链幅值参考量间的误差为零，此即得到磁链的幅值控制，或利用θψi*和ψi*，结合直线感应电机初级磁链的目标形状，利用空间矢量调制的方法，同时达到磁链的频率控制和幅值控制。
ϵθ=θψs*-θψs]]>ϵω=ωψs*-ωψs]]>本发明进一步将直线感应电机初级磁链的磁链形状控制为圆形、六边形、十八边形磁链或其它多边形，此也即初级磁链的目标形状。
所述滑差率表现为当电机处于牵引模式时，s为正值，当法向力符合要求，s≥smax且使|s-smax|尽量小，即直线感应电机运行在机械特性的最大推力点附近；当电机处于制动模式时，s为负值，当法向力符合要求，s≤smin且使|s-smin|尽量小，即直线感应电机运行在机械特性的最大制动力点附近。
与现有技术相比，本发明的优点就在于相对电流控制，初级磁链控制要容易实现得多，且更易得到高质量的控制。这是因为初级磁链容易准确获得，与直接转矩控制一样，只需对电机电流测量值和磁链进行处理即可。磁链矢量变化方向及大小可准确预知，尤其是在高速时目标磁链为六边形或十八边形时，可使开关频率大大降低，减少开关损耗，而其谐波仍保持相对较少。这对于中高容量的直线电机牵控制尤其重要。该控制方法甚至不需进行推力计算(实际使用中该推力也不易准确实时得到)，且该控制方法结合了直线电机的特性，可使直线电机获得较高的效率和较高的牵引性能。由于其与旋转电机直接转矩控制结构上的某种相似性，保留了直接转矩控制大部分优点。如鲁棒性好，控制简单容易实现，对比以往的直线电机控制方法，有着明显的优势。
图1是本发明控制方法的流程框架示意图；图2是应用本发明控制方法的结构框架示意图；图3是本实施例中初级电压矢量与六边形目标磁链的示意图；图4是本实施例中初级电压矢量与十八边形目标磁链的示意图；图5是本发明方案一的控制流程示意图；图6是本发明方案二的控制流程示意图。
图例说明1、速度传感器 2、电压及电流传感器3、微处理器 4、逆变器5、直线感应电机 6、直流电源7、存储单元符号说明t时间 ；ωsl滑差角频率；v电机速度；τ电机初级线圈极距；Lm电机励磁电感(互感)；Sa，Sb，Sc分别为电机定子A，B，C相上晶闸管或IGBT等门极信号，为1，逆变器上桥臂导通，为0，下桥臂导通；
ωψs初级磁链角速度；ωr电机次级电角速度ωr=vπτ;]]>ψiα，β准初级磁链空间矢量的α轴或β轴值ψsα，β初级磁链空间矢量的α轴或β轴值；usα，β初级电压空间矢量的α轴或β轴值；isα，β初级电流空间矢量的α轴或β轴值；ia，ib，ic分别为电机初级(定子)A，B，C相电流；Rs电机初级电阻；Is初级电流幅值；ωs初级电流角频率；us初级电压空间矢量；ψs初级磁链空间矢量；ψr次级磁链空间矢量；ψs初级磁链空间矢量幅值；ψi准初级磁链空间矢量幅值；ψr次级磁链空间矢量幅值；θψs初级磁链空间矢量角；θψi准初级磁链空间矢量角；θψr次级磁链空间矢量角；θ初、次级磁链空间矢量夹角；εθ初级磁链(或准初级磁链)空间矢量角参考量与实际量的误差；εω初级磁链(或准初级磁链)空间矢量角速度参考量与实际量的误差；
εψ初级磁链(或准初级磁链)空间矢量幅值参考量与实际量的误差；MLsLr-Lm2；Ls初级电感；Lr次级电感；s滑差率；smax为正值，电流(或初级磁链幅值)一定时最大推力点的滑差率；smin为负值，电流(或初级磁链幅值)一定时最小推力点的滑差率，即最大制动力点的滑差率；SR电机运行信号。SR＝1，电机运行。否则电机停止；*各值的参考量；k各值第k步离散量；其中，所有次级量都已归算到初级。
具体实施例方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
参见图1和图2所示，本发明直线感应电机的控制方法，根据逆变器4对直线感应电机5的输入电压，得到直线感应电机初级磁链的实际磁链频率和磁链幅值，然后采集直线感应电机5的实时速度，通过实时速度得到直线感应电机初级磁链的频率参考量和幅值参考量，同时结合目标状态下初级磁链的形状，确定合适的初级电压空间矢量使实际磁链幅值和磁链频率分别趋于幅值参考量和频率参考量，将与初级电压空间矢量对应的控制信号传送给直流电源与直线感应电机5之间的逆变器4，从而改变直线感应电机5的速度或推力。其中，直流电源6通过逆变器4送入直线感应电机5，直线感应电机5的实时速度通过速度传感器1采集，然后传送到微处理器3中，电压及电流传感器2可以采集实时的电压值和电流值。通过微处理器3处理后得到的数据可以保存于存储单元7中。
直线感应电机初级磁链的目标形状可为圆形、六边形、十八边形磁链或其他多变形。当控制为六边形和十八边形时，逆变器4的开关频率低，高速驱动能力强，但电流和磁链的谐波稍高(参见图4和图5)。当控制为圆形磁链时，逆变器4的开关频率高，高速驱动能力差，但谐波含量低，用户可根据需要灵活选择。另外本控制策略还有鲁棒性强，控制简单易实现，控制效果好等优点。事实上，鉴于本控制方法的诸多优点，其也可用于其它电动机，尤其是参数易变的电动机如实心转子电动机的控制。同时，该控制方法可使电机工作在最大转矩(推力)状态，以充分利用电机容量。这在直接转矩控制等是无法做到的。
一般来说，通过直线感应电机5的一维、两维或三维电磁场分析，或通过试验，可获得直线感应电机5的工作特性。根据其工作特性，可初步确定直线感应电机5较高效率的运行策略。最后一般得到随速度而变化的滑差频率，即ωsl＝f(v)。该滑差频率，通过直线感应电机5的特性分析，综合考虑了高效率和抑制边端效应、避免过高法向力的这些要求，而事先确立了其与速度的一定对应关系。这样的工作点我们也可叫其最佳滑差工作点，即一定的电机速度，有相应的滑差频率相对应，从而电机速度一定，其电源频率一定。由于电机电源频率随速度平滑变化且可知，也许直线感应电机5的这种运行状况我们可称之为亚稳态。
由⑦式可知，当直线感应电机5加以一定的电压且电流已知，磁链矢量即可准确获知，从而易实现精确优化控制。并且当实现十八边形或六边形磁链控制时，其电压矢量的组合很简单，从而降低开关频率，减少开关损耗，当直流电压一定，可提高直线感应电机5的高速驱动能力。如采用六边形磁链控制，其磁链形状见图3虚线，用7个电压矢量简单组合即可实现。
正如直接转矩控制一样，只需通过测得的初级电流信号来进行处理即可实现本控制方法。初级磁链的控制，不受直线感应电机5的T型等效电路各参数变化的影响而可准确取得，具有很强的鲁棒性。另Fe=2π3τLmM(ψS‾⊗ψr‾)=2π3τLmMψsψrsinθ]]>由上式可知，通过控制矢量角θ，可以快速调节直线感应电机5推力的大小。这也是以往直接转矩、矢量控制等控制方法最基本的控制原理。当初级磁链空间矢量的幅值或角速度快速变化，因为漏磁的滞缓效果，次级磁链的幅值或角速度也只会平滑改变。因此，在某一短时间段，我们可认为次级磁链矢量幅值和角速度不变。如果滑差频率和速度一定，也即初级磁链角速度一定。很显然此时初、次级磁链矢量角θ也不会变化。而次级磁链幅值不能直接控制，因此我们可通过控制初级磁链幅值ψs来控制推力。这也就是本发明的基本控制原理。
在一短时间内，假定次级角速度ωr和次级磁链矢量角速度ωψr不变，若初级磁链矢量角速度ωψs(t)迅速变化，在t0到t1时间段，我们得到ωsl(t)＝ωψs(t)-ωrωψr＝ωsl(t0)+ωrθ(t1)=θ(t0)+∫01(ωψs(t)-ωψr)dt=θ(t0)+∫01(ωsl(t)-ωsl(t0))dt]]>显然，初、次级磁链矢量角θ(t)是滑差频率的函数，改变滑差频率即改变初、次级磁链矢量角。从这一点我们可认为传统的滑差频率控制、矢量控制、直接转矩控制同属一种控制方法，即保持磁链矢量幅值相对不变，主要通过改变磁链矢量角而调节转矩。而本发明为另一种控制方法，即保持磁链矢量角相对不变，主要通过改变磁链幅值调节转矩(推力)，进而调节速度。当然，对于传统的控制方法，磁链幅值也不是绝对不变，如在弱磁区需减小磁链幅值。但其不通过调节磁链幅值来调节电机的推力或转矩。从这一点可以看出，尽管直接转矩控制与本方法一样，也可对磁链实现圆形、六边形、十八边形或其它形状的磁链控制(这视控制对象和控制要求而定)，但本发明与直接转矩控制是有较大区别的。
其中，滑差率表现为当直线感应电机5处于牵引模式时，s为正值，当法向力符合要求，s≥smax且使|s-smax|尽量小，即直线感应电机5运行在机械特性的最大推力点附近；当直线感应电机5处于制动模式时，s为负值，当法向力符合要求，s≤smin且使|s-smin|尽量小，即直线感应电机5运行在机械特性的最大制动力点附近；具体地说，这种区别表现在当直线感应电机5运行在一定速度，前者的滑差频率不随负载而变化，此时滑差频率是不变或基本不变的，一般s≥smax且工作点在smax点附近。而对于直接转矩控制，其滑差频率随负载大小而变化。负载越大，滑差频率越大。且一般s≤smax。在控制过程中，滑差频率的滑差率具体表现为当s≥smax时，直线感应电机5处于在低速区；当|s-smax|较大时，直线感应电机5处于在中高速区；当|s-smax|接近0，直线感应电机5处于在中高速区，即直线感应电机5运行在机械特性的最大推力点附近。
对于前述仅仅由速度来决定滑差频率的方法，显然一定速度下其滑差频率是不变的。但由于直线感应电机5的气隙等在运行时围绕设定值上下变化，使得smax也会有些许变化。这使得依气隙设定值而预先确定的工作点在实际运行时不一定是最佳工作点，为此可在滑差频率计算单元中加入一在线优化程序，使前述仅按速度而取得的滑差频率根据气隙变化进行在线微调，即使在气隙值变化时直线感应电机5也能工作在最佳滑差频率点附近。这时滑差频率是变化的。由于在正常运行时气隙变化值较小，其滑差频率变化仍相对较小。且滑差频率不随负载大小而变化，而推力的调节仍主要通过磁链幅值的调节来实现。
参见图1和图2所示，本发明方案一的步骤为(1).采集逆变器4输入端的直流电源电压值，结合前一周期微处理器对逆变器4的控制信号，得到直线感应电机5的输入电压ua，ub，uc，经过3/2变换得到usα，usβ，通过下列式①得到准初级磁链空间矢量ψi在直角坐标系a、β轴的分量ψiα，ψiβ，据此进一步可算得准初级磁链实际幅值ψi以及准初级磁链实际空间矢量角θψi或通过下式②得到准初级磁链实际角速度ωψi；ψiα，β＝∫usα，βdt……………………………………………………………①；ωψi=ΔθψiΔt]]>...........................................................②(2).采集直线感应电机5的实时电机速度信号v，由该速度信号v即可初步确定滑差角频率基本参考量，在此基础上结合实际情况进一步优化确定滑差频率参考量ωsl*，并可通过下式③得到准初级磁链空间矢量角参考量θψi*或通过下式④得到准初级磁链空间矢量角速度参考量ωψi*；θψi*=∫ωψi*dt]]>............................................................③ωψi*=vπτ+ωsl*]]>............................................................④(3).根据所需要的目标推力可直接得到准初级磁链空间矢量幅值参考量ψi*，或者根据取得的速度信号v和设定目标速度信号参考值v*之间的误差进行PI调节得到准初级磁链空间矢量幅值参考量ψi*；(4).结合直线感应电机初级磁链的目标形状，确定合适的初级电压空间矢量使准初级磁链实际空间矢量角θψi趋于准初级磁链空间矢量角参考量θψi*或者使准初级磁链实际角速度ωψi趋于准初级磁链空间矢量角速度参考量ωψi*；准初级磁链实际幅值ψi趋于准初级磁链空间矢量幅值参考量ψi*，也就得到相应的控制信号传送给直流电源与直线感应电机5之间的逆变器4，完成对直线感应电机5的控制。
在步骤(4)中，通过步骤(1)、(2)和(3)中得到的数值通过下式⑤得到的矢量角误差εθ或通过下式⑥得到角速度误差εω，对矢量角误差εθ或角速度误差εω进行滞环控制，使矢量角误差εθ或角速度误差εω等于或趋于零，即得到磁链的频率控制；同时对磁链幅值也进行滞环控制，使实际磁链幅值与磁链幅值参考量间的误差为零，此即得到磁链的幅值控制，或利用θψi*和ψi*，结合直线感应电机初级磁链的目标形状，利用空间矢量调制的方法，同时达到磁链的频率控制和幅值控制。
ϵθ=θψi*-θψi]]>⑤ϵω=ωψi*-ωψi]]>⑥参见图3所示，当逆变器处4在电流控制时，即控制电流正弦变化时，此时初级磁链实际为圆形磁链，这要利用有限的几个电压矢量，对于两电平逆变器，电压矢量为u0-u7的七个电压矢量，通过组合而得到，从而开关频率较高，且限制了电机的高速驱动能力。
一般来说，尤其是对于列车来说，其直流电压并不是恒定值，而是在一定范围内波动。这时就有必要对逆变器4的输入端直流电压进行测量，以获得较好的控制效果。同时，为了对初级定子磁链进行精确控制和初级定子过流保护的需要，也需对其电流进行测量。
本发明方案二的步骤为(1).采集逆变器4输入端的直流电源电压值，结合前一周期微处理器对逆变器4的控制信号，得到直线感应电机5的输入电压ua，ub，uc，经过3/2变换得到usα，usβ，同样采集换算后得到输入电流值isa，isβ，通过下列式⑦得到初级磁链空间矢量ψs在直角坐标系α、β轴的分量ψsα，ψsβ，据此进一步可算得其初级磁链实际幅值ψs以及初级磁链实际空间矢量角θψs或通过下式⑧得到初级磁链实际角速度ωψs；ψsα，β＝∫(usα，β+isα，βRs)dt…………………………………………………⑦
ωψs=ΔθψsΔt]]>..........................................................⑧(2).采集直线感应电机5的实时电机速度信号v，由该速度信号v即可初步确定滑差角频率基本参考量，在此基础上结合实际情况进一步优化确定滑差频率参考量ωsl*，并可通过下式⑨得到初级磁链空间矢量角参考量θψs*或通过下式⑩得到初级磁链空间矢量角速度参考量ωψs*；θψs*=∫ωψs*dt]]>..........................................................⑨ωψs*=vπτ+ωsl*]]>..........................................................⑩(3).根据所需要的目标推力可直接得到初级磁链空间矢量幅值参考量ψs*，或者根据取得的速度信号v和设定目标速度信号参考值v*之间的误差进行PI调节得到初级磁链空间矢量幅值参考量ψs*；(4).结合直线感应电机初级磁链的形状，确定合适的初级电压空间矢量使初级磁链实际幅值ψs等于初级磁链空间矢量幅值参考量ψs*，同时使初级磁链实际空间矢量角θψs等于或趋于初级磁链空间矢量角参考量θψs*或者使初级磁链实际角速度ωψs等于或趋于初级磁链空间矢量角速度参考量ωψs*，也即得到相应的控制信号传送给直流电源与直线感应电机5之间的逆变器4，完成对直线感应电机5的控制。
在步骤(4)中，通过步骤(1)、(2)和(3)中得到的数值通过下式得到的矢量角误差εθ或通过下式12得到角速度误差εω，对矢量角误差εθ或角速度误差εω进行滞环控制，使矢量角误差εθ或角速度误差εω等于或趋于零，即得到磁链的频率控制；同时对磁链幅值也进行滞环控制，使实际磁链幅值与磁链幅值参考量间的误差为零，此即得到磁链的幅值控制，或利用θψi*和ψi*，结合直线感应电机初级磁链的目标形状，利用空间矢量调制的方法，同时达到磁链的频率控制和幅值控制。
ϵθ=θψs*-θψs]]>ϵω=ωψs*-ωψs]]>其中由电机速度信号v即可初步确定滑差角频率基本参考量，该滑差角频率基本参考量，是通过对直线感应电机5的特性分析得出，综合考虑了高效率和抑制边端效应、避免过高法向力的这些要求，而事先确立了其与速度的一定对应关系。此时的滑差率表现为s≥smsx，在低速区，|s-smax|较大，而在中高速区，|s-smax|接近0。即在中高速区，直线感应电机5运行在机械特性的最大推力点附近。而由公式④可得到磁链角频率基本参考量。由于直线电机的气隙等在运行时围绕设定值上下变化，使得smax也会有些许变化。为此需对前述所得角频率基本参考量进一步在线优化，使前述仅按速度而取得的滑差频率根据气隙变化进行在线微调，即使在气隙值变化，在中高速运行时电机也能工作在最佳滑差频率点附近。在一定的速度下，初级磁链频率的参考量相对恒定(但不是绝对恒定)，主要是通过磁链幅值参考量大小的调节来得到电机的推力控制。
参见图5所示，对应方案一的具体控制流程为1、控制系统启动，微处理器3上电运行进行初始化。K附值为1；2、读取SR值；3、SR不为1，则结束运行，电机停止。SR为1，则读取逆变器4开关信号Sak，Sbk，Sck，读取逆变器4的直流输入电压Udck及电机速度vk；4、根据Sak，Sbk，Sck，Udck按下式获得usαk，usβk，usk-=Udk2((-1)Sak+(-1)Sbkej2π3+(-1)Sckej4π3)=usαkjusβk;]]>5、按上式①获得磁链矢量幅值ψik及矢量角θψik；6、给定磁链幅值参考量或对速度进行PI控制获得幅值参考量ψik*；7、按速度vk算得滑差频率参考值ωslk*并进算得磁链角频率参考值ωψik*=vkπτ+ωslk*]]>和磁链空间矢量角参考值θψik*=∫ωψik*dt;]]>8、算得磁链矢量角误差和幅值误差εθk和εψk，再结合所选择的磁链形状，选择合适的定子(初级)电压矢量usk+1对矢量角误差和幅值误差进行控制，从而使εθk和εψk等于或趋于0；9、确定了usk+1，也就确定了Sak+1，Sbk+1，Sck+1，输出Sak+1，Sbk+1，Sck+1，信号对逆变器4进行控制；
10、k＝k+1，转2步，循环进行。
参见图6所示，对应方案二的具体控制流程上述方案一的流程基本相同，但方案二控制流程中第五步改为按式②获得磁链矢量幅值ψsk及矢量角θψsk，而其它步骤的初级准磁链ψi相应改为初级磁链ψs，即可完成方案二的控制。
权利要求
1.一种直线感应电机的控制方法，其特征在于根据逆变器对直线感应电机的输入电压，得到直线感应电机初级磁链的实际磁链频率和磁链幅值，然后采集直线感应电机的实时速度，通过实时速度得到直线感应电机初级磁链的频率参考量和幅值参考量，同时结合目标状态下初级磁链的形状，确定合适的初级电压空间矢量使实际磁链幅值和磁链频率分别趋于幅值参考量和频率参考量，将与初级电压空间矢量对应的控制信号传送给直流电源与直线感应电机之间的逆变器，从而调节直线感应电机的速度或推力。
2.根据权利要求1所述的直线感应电机的控制方法，其特征在于步骤为(1)、采集逆变器输入端的直流电源电压值，结合前一周期微处理器对逆变器的控制信号，得到直线感应电机的输入电压ua，ub，uc，经过3/2变换得到usα，usβ，通过下列式①得到准初级磁链空间矢量ψi在直角坐标系α、β轴的分量ψiα，ψiβ，据此进一步可算得准初级磁链实际幅值ψi以及准初级磁链实际空间矢量角θψi或通过下式②得到准初级磁链实际角速度ωψi；ψiα，β＝∫usα，βdt……………………………………………………………①；ωΨi=ΔθΨiΔt]]>…………………………………………………………②(2)、采集直线感应电机的实时电机速度信号v，由该速度信号v即可初步确定滑差角频率基本参考量，在此基础上结合实际情况进一步优化确定滑差频率参考量ωsl*，并可通过下式③、④得到准初级磁链空间矢量角参考量θψi*或通过下式④得到准初级磁链空间矢量角速度参考量ωψi*；θΨi*=∫ωΨi*dt]]>…………………………………………………………③ωΨi*=vπτ+ωsl*]]>…………………………………………………………④(3)、根据所需要的目标推力可直接得到准初级磁链空间矢量幅值参考量ψi*，或者根据取得的速度信号v和设定目标速度信号参考值v*之间的误差进行PI调节得到准初级磁链空间矢量幅值参考量ψi*；(4)、结合直线感应电机准初级磁链的目标形状，确定合适的初级电压空间矢量使准初级磁链实际空间矢量角θψi趋于准初级磁链空间矢量角参考量θψi*或者使准初级磁链实际角速度ωψi趋于准初级磁链空间矢量角速度参考量ωψi*；同时准初级磁链实际幅值ψi趋于准初级磁链空间矢量幅值参考量ψi*，也就得到相应的控制信号传送给直流电源与直线感应电机之间的逆变器，完成对直线感应电机的控制。
3.根据权利要求2所述直线感应电机的控制方法，其特征在于通过步骤(1)、(2)和(3)中得到的数值通过下式⑤得到的矢量角误差εθ或通过下式⑥得到角速度误差εω，对矢量角误差εθ或角速度误差εω进行滞环控制，使矢量角误差εθ或角速度误差εω趋于零，此也即得到磁链的频率控制；同时对磁链幅值进行滞环控制，使实际磁链幅值与磁链幅值参考量间的误差等于或趋于为零，此即得到磁链的幅值控制，或利用θψi*和ψi*，结合直线感应电机准初级磁链的目标形状，利用空间矢量调制的方法，同时达到磁链的频率控制和幅值控制。ϵθ=θψi*-θψi]]>……………………………………………………⑤ϵω=ωψi*-ωψi]]>……………………………………………………⑥
4.根据权利要求1所述直线感应电机的控制方法，其特征在于步骤为(1)、采集逆变器输入端的直流电源电压值，结合前一周期微处理器对逆变器的控制信号，得到直线感应电机的输入电压ua，ub，uc，经过3/2变换得到usα，usβ；采集ia，ib，ic中任两相初级电流，经过3/2变换得到isα，isβ。通过下列式⑦得到初级磁链空间矢量ψs在直角坐标系α、β轴的分量ψsα，ψsβ，据此进一步可算得其初级磁链实际幅值ψs以及初级磁链实际空间矢量角θψs或通过下式⑧得到初级磁链实际角速度ωψs；ψsα，β＝∫(usα，β+isα，βRs)dt…………………………………………………⑦ωψs=ΔθψsΔt]]>………………………………………………⑧(2)、采集直线感应电机的实时电机速度信号v，由该速度信号v即可初步确定滑差角频率基本参考量，在此基础上结合实际情况进一步优化确定滑差频率参考量ωsl*，并可通过下式⑨、⑩得到初级磁链空间矢量角参考量θψs*或通过下式⑩得到初级磁链空间矢量角速度参考量ωψs*；θψs*=∫ωψs*dt]]>…………………………………………⑨ωψs*=vπτ+ωsl*]]>…………………………………………⑩(3)、根据所需要的目标推力可直接得到初级磁链空间矢量幅值参考量ψs*，或者根据取得的速度信号v和设定目标速度信号参考值v*之间的误差进行PI调节得到初级磁链空间矢量幅值参考量ψs*；(4)、结合直线感应电机初级磁链的目标形状，确定合适的初级电压空间矢量使初级磁链实际空间矢量角θψs等于或趋于初级磁链空间矢量角参考量θψs*或者使初级磁链实际角速度ωψs等于或趋于初级磁链空间矢量角速度参考量ωψs*，同时使初级磁链实际幅值ψs趋于初级磁链空间矢量幅值参考量ψs*，也即得到相应的控制信号传送给直流电源与直线感应电机之间的逆变器，完成对直线感应电机的控制。
5.根据权利要求4所述直线感应电机的控制方法，其特征在于通过步骤(1)、(2)和(3)中得到的数值通过下式得到的矢量角误差εθ或通过下式得到角速度误差εω，对矢量角误差εθ或角速度误差εω进行滞环控制，使矢量角误差εθ或角速度误差εω等于或趋于零，即得到磁链的频率控制；同时对磁链幅值进行滞环控制，使实际磁链幅值与磁链幅值参考量间的误差等于或趋于为零，此即得到磁链的幅值控制，或利用θψi*和ψi*，结合直线感应电机初级磁链的目标形状，利用空间矢量调制的方法，同时达到磁链的频率控制和幅值控制。ϵθ=θψs*-θψs]]>……………………………………………ϵω=ωψs*-ωψs]]>……………………………………………
6.根据权利要求1至5中任意一项所述直线感应电机的控制方法，其特征在于所述直线感应电机定子磁链的磁链目标形状可为圆形、六边形、十八边形磁链或其他多边形。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述直线感应电机的控制方法，其特征在于所述滑差率表现为当电机处于牵引模式时，s为正值，当法向力符合要求，s≥smax且使|s-smax|尽量小，即直线感应电机运行在机械特性的最大推力点附近；当电机处于制动模式时，s为负值，当法向力符合要求，s≤smin且使|s-smin|尽量小，即直线感应电机运行在机械特性的最大制动力点附近；
8.根据权利要求6所述直线感应电机的控制方法，其特征在于所述滑差率表现为当电机处于牵引模式时，s为正值，当法向力符合要求，s≥smax且使|s-smax|尽量小，即直线感应电机运行在机械特性的最大推力点附近；当电机处于制动模式时，s为负值，当法向力符合要求，s≤smin且使|s-smin|尽量小，即直线感应电机运行在机械特性的最大制动力点附近。
全文摘要
本发明公开了一种直线感应电机的控制方法，根据逆变器对直线感应电机的输入电压，得到直线感应电机初级磁链的实际磁链幅值和磁链频率，然后通过采集直线感应电机的实时速度，得到直线感应电机定子磁链的磁链幅值参考值和磁链频率参考值，同时结合初级磁链的目标形状，确定合适的电机初级电压空间矢量使实际磁链幅值和磁链频率分别趋于磁链幅值和磁链频率的参考量，从而得到相应的控制信号传送给直流电源与直线感应电机之间的逆变器。本发明是一种控制更为简便、稳定，能够提升直线感应电机控制系统整体性能的直线感应电机的控制方法。
文档编号H02P21/00GK1972116SQ20061013675
公开日2007年5月30日 申请日期2006年11月28日 优先权日2006年11月28日
发明者郭焕, 刘可安, 王坚 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司