一种无推力闭环的空间矢量法直线永磁电机推力控制方法

1.本发明涉及一种无推力闭环的空间矢量法直线永磁电机推力控制方法,属于直线电机领域。


背景技术：

2.随着工业应用的发展，直线电机广泛运用在工厂生产线、磁悬浮列车等高速、高精度控制装置中。在直线驱动场合，相比于旋转电机，直线电机结构简单、惯性较小、响应速度快，能直接产生直线推力，效率高且施工成本低。
3.目前直线电机高性能的控制方法一般分为矢量控制和直接推力控制，矢量控制具有良好的稳态性能，但动态性能受到电流环的影响。与矢量控制相比，直接推力控制没有电流环，具有良好的参数鲁棒性、简单的结构和快速的动态性能。然而，直接推力控制的直线永磁电机驱动系统由于采用滞环控制器，电磁推力和初级磁链磁链具有较大的脉动，进而影响稳态性能。
4.中国专利公开号cn106961231a，公开了一种基于抗饱和pi(比例积分)控制器和占空比调制的直线永磁电机直接推力控制方法，该方法通过抗饱和pi(比例积分)控制器输出给定推力，然后通过估算的磁链和推力与给定值的差值来计算占空比和选择有效电压矢量，该方法在一定程度上可以减小磁链和推力的脉动。中国专利公开号cn110601631a，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，该方法通过磁链、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，该方法可以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。
5.文献《direct thrust control of complementary and modular linear flux-switching permanent magnet motor(互补式模块化直线磁通切换永磁电机的直接推力控制)》(2017 20th international conference on electrical machines and systems中文名：2017年第20届电机与系统国际会议(icems)，2017,pp.1-4,doi:10.1109/icems.2017.8056498，l.zhang,r.cao and n.jiang)研究了基于空间电压矢量调制的直接推力控制，该方法使用pi(比例积分)控制器代替滞环控制器实现推力闭环，然后通过空间电压矢量调制实现推力和磁链的控制，该方法继承了传统直线推力控制可以快速控制推力的优点，同时有效减小直线电机的推力和磁链脉动。
6.这些直线永磁电机直接推力控制方法都是通过空间电压矢量法或者改进空间电压矢量的选择方法来改善基于滞环控制的传统直接推力控制方法的电磁推力和初级磁链脉动大的问题，但是这些控制算法中推力计算环节和推力闭环仍然存在，使得系统结构复杂性没有降低，但却增加了参数调试难度。


技术实现要素：

7.针对现有技术上存在的不足，本发明提出了一种无推力闭环的空间矢量法直线永
磁电机推力控制方法，在继承传统直接推力控制方法中无电流闭环的优点的基础上，无需推力计算模块和推力闭环，只需要获得期望初级磁链矢量，包括幅值和相位，然后通过空间矢量调制精确计算得到相应的电压矢量，作用到直线永磁电机上就可实现电磁推力的快速平稳控制，且初级磁链和推力脉动小。同时，本发明的方法简单易于实现，参数调试难度低，不需要增加硬件设施投入且软件负担低，适合进行规模化推广应用。
8.与旋转永磁电机直接转矩控制相似，直线永磁电机可以进行直接推力控制，直线永磁电机的电磁推力表达式可以写为其中，为初级磁链相对于永磁磁链的速度，是初级磁链和永磁磁链在上一个控制周期的夹角值，|ψs|是初级磁链幅值，ψ
pm
是永磁磁链的幅值，lq是初级绕组电感的q轴分量，τs是极距。考虑在0
°
～90
°
的范围内，角度和其正弦值近似成正比，那么从上述电磁推力表达式可以发现，在直线永磁电机电动状态下，保持初级磁链的幅值恒定的情况下，想要快速准确的控制电磁推力，可以通过控制初级磁链相对于永磁磁链的速度或者每个控制周期初级磁链和永磁磁链的夹角来实现。
9.本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
10.一种无推力闭环的空间矢量法直线永磁电机推力控制方法，包括如下步骤：
11.步骤1，采用光栅尺得到直线永磁电机动子位置对应的角度∠1和动子实际速度，将动子给定速度与动子实际速度做差，得到速度误差信号，将所述速度误差信号送入pi(比例积分)调节器，得到下一个控制周期期望初级磁链矢量和永磁磁链矢量之间夹角的期望值∠2；
12.步骤2，将动子实际速度先乘以速度系数x得到速度对应的电角速度ω，然后所述电角速度ω乘以控制周期ts，得到每个控制周期永磁磁链矢量位置变化对应角度∠3，其中，τs为极距；
13.步骤3，将上述步骤1中的∠1、∠2和上述步骤2中的∠3输入到初级磁链预测模块，得到在静止α-β坐标系下的期望初级磁链，即α轴期望初级磁链分量和β轴期望初级磁链分量
14.步骤4，采用电压传感器检测所述直线永磁电机在静止a-b-c坐标系下的三相初级电压，即a相ua，b相ub和c相uc；然后进行磁势不变的3s/2s坐标变换得到在静止α-β坐标系下的初级电压，即α轴初级电压分量u
α
和β轴初级电压分量u
β
；采用电流传感器检测所述直线永磁电机在静止a-b-c坐标系下的三相初级电流，即a相ia，b相ib和c相ic；然后进行磁势不变的3s/2s坐标变换得到在静止α-β坐标系下的初级电流，即α轴初级电流分量i
α
和β轴初级电流分量i
β
；
15.步骤5，将上述步骤3和步骤4中得到的所述α轴初级电压分量u
α
、β轴初级电压分量u
β
、α轴初级电流分量i
α
和β轴初级电流分量i
β
输入到初级磁链计算模块，计算得到在静止α-β坐标系下的初级磁链，即α轴初级磁链分量ψ
sα
和β轴初级磁链分量ψ
sβ
；所述初级磁链计算模块中的计算公式如下，其中u
α
和u
β
分别是α轴初级电压分量和β轴初级电压分量，i
α
和i
β
分别是α轴初级电流分量和β轴初级电流分量，rs是初级每相绕组电阻值：
[0016][0017]
步骤6，将上述步骤3中得到的α轴期望初级磁链分量与上述步骤5中得到的α轴初级磁链分量ψ
sα
做差，得到α轴初级磁链差值分量δψ
sα
；将上述步骤3中得到的β轴期望初级磁链分量与上述步骤5中得到的β轴初级磁链分量ψ
sβ
做差，得到β轴初级磁链差值分量δψ
sβ
；
[0018]
步骤7，将上述步骤6中得到的α轴初级磁链差值分量δψ
sα
和β轴初级磁链差值分量δψ
sβ
输入到空间矢量调制模块，产生三相逆变器的控制信号，即a相s1和s2，b相s3和s4，c相s5和s6；
[0019]
步骤8，上述步骤7中的三相全桥逆变器在所述控制信号的作用下得到合成空间电压矢量，所述合成空间电压矢量作用到直线永磁电机上产生所述初级磁链矢量，所述初级磁链矢量与永磁磁链相互作用，从而产生期望的电磁推力。
[0020]
上述步骤3中的具体过程如下：
[0021]
步骤31，将输入到初级磁链预测模块的上述步骤1中的∠1、∠2和上述步骤2中的∠3相加，得到期望初级磁链矢量相位角∠4；
[0022]
步骤32，将设定的期望初级磁链幅值与上述步骤31中所述期望初级磁链矢量相位角∠4的余弦值相乘，得到所述在静止α-β坐标系下的α轴期望初级磁链分量将设定的初级磁链给定值与上述步骤31中∠4的正弦值相乘，得到所述在静止α-β坐标系下的β轴期望初级磁链分量
[0023]
步骤1中所述永磁直线电机为圆筒形结构或双边结构。
[0024]
步骤1中所述直线永磁电机为初级永磁式直线电机。
[0025]
本发明根据电磁推力的表达式，设置直线永磁电机的速度环输出为初级磁链矢量和永磁磁链矢量之间夹角的期望值，通过初级磁链预测模块控制期望的初级磁链矢量，包括幅值和相位，然后基于空间矢量调制达到快速平稳的电磁推力控制。
[0026]
本发明的有益效果如下：
[0027]
本发明不但继承了传统直接推力控制方法中无电流闭环的优点，无需推力计算模块和推力闭环，只需要获得期望初级磁链矢量，然后通过空间矢量调制精确计算得到相应的电压矢量，作用到直线永磁电机上就可实现电磁推力的快速平稳控制，且初级磁链和推力脉动小。同时，本发明的方法简单易于实现，参数调试难度低，不需要增加硬件设施投入且软件负担低，适合进行规模化推广应用。
附图说明
[0028]
图1本发明无推力闭环的空间矢量法直线永磁电机推力控制方法系统框图。
[0029]
图2推力闭环控制采用pi(比例积分)控制器的空间电压矢量法直接推力控制方法系统框图。
[0030]
图3是本发明中磁链矢量和角度示意图。
[0031]
图4是本发明中三相逆变电路示意图。
[0032]
图5是本发明中电压空间矢量示意图。
[0033]
图6是在给定负载从50n突变到100n情况下本发明实施例方法下的直线永磁电机电磁推力曲线图。
[0034]
图7是在给定负载从50n突变到100n情况下图2所示控制方法下的直线永磁电机电磁推力曲线图。
[0035]
图8是稳态时本发明实施例方法下的直线永磁电机初级磁链曲线图。
[0036]
图9是稳态时图2所示控制方法下的直线永磁电机初级磁链曲线图。
具体实施方式
[0037]
以下将结合附图，对本发明创造进行详细说明。
[0038]
本发明提供一种无推力闭环的空间矢量法直线永磁电机推力控制方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，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。本发明是一种无推力闭环的空间矢量法直线永磁电机推力控制方法，具体的控制框图如图1所示。根据图1，动子给定速度v
*
与动子实际速度v做差,得到速度误差信号δv，经过pi(比例积分)控制器得到下一个控制周期期望初级磁链矢量和永磁磁链矢量之间夹角的期望值∠2，然后与动子位置角度∠1以及每个控制周期永磁磁链矢量位置变化角度∠3一起输入到初级磁链预测模块，得到在静止α-β坐标系下的期望初级磁链，然后与初级磁链计算值做差，将得到的初级磁链差值输入到空间矢量调制模块，通过空间矢量调制模块精确计算产生三相逆变器的控制信号，最后输出给三相逆变器，得到合成空间电压矢量作用到直线永磁电机上，从而对电机的初级磁链、电磁推力实现准确的控制。具体实施方案包括以下步骤：
[0039]
所述∠1，∠2和∠3，角度标识参考图3，实现步骤如下：
[0040]
(1)定义的坐标系：定义两个坐标系，包括两相静止坐标系α-β和两相同步旋转坐标系d-q；
[0041]
(2)采用光栅尺采用光栅尺得到动子位置对应的角度∠1和直线永磁电机动子实际速度v，与动子给定速度v
*
做差，得到速度误差信号δv，将速度误差信号δv送入pi调节器，得到下一个控制周期期望初级磁链矢量和永磁磁链矢量之间夹角的期望值∠2，则对应电磁推力的期望值可写为其中m为第m个控制周期，|ψs|
*
是期望初级磁链矢量幅值，ψ
pm
是永磁磁链矢量幅值，τs为极距，lq为初级绕组电感的q轴分量；
[0042]
(3)将动子实际速度v先乘以速度系数x得到速度对应的电角速度ω，然后电角速度ω乘以控制周期ts，得到每个控制周期永磁磁链矢量位置变化的角度∠3，其中，
[0043]
将所述∠1、∠2和∠3输入到磁链预测模块，所述初级磁链预测模块实现步骤如下：
[0044]
(1)将所述∠1、∠2和∠3相加，得到期望初级磁链矢量相位角∠4；
[0045]
(2)由设定的期望初级磁链幅值|ψs|
*
与∠4得到在静止α-β坐标系下的α轴期望初级磁链分量和β轴期望初级磁链分量如下：
[0046][0047][0048]
所述初级磁链计算值的实现过程如下：
[0049]
(1)采用电压传感器检测所述直线永磁电机在静止a-b-c坐标系下的三相初级电压，即a相ua，b相ub和c相uc；然后进行磁势不变的3s/2s坐标变换得到在静止α-β坐标系下α轴初级电压分量u
α
和β轴初级电压分量u
β
；
[0050]
(2)采用电流传感器检测所述直线永磁电机在静止a-b-c坐标系下的三相初级电流，即a相ia，b相ib和c相ic；然后进行磁势不变的3s/2s坐标变换得到在静止α-β坐标系下α轴初级电流分量i
α
和β轴初级电流分量i
β
；
[0051]
(3)由α轴初级电压分量u
α
、β轴初级电压分量u
β
、α轴初级电流分量i
α
和β轴初级电流分量i
β
计算得到在静止α-β坐标系下α轴初级磁链分量ψ
sα
和β轴初级磁链分量ψ
sβ
，计算公式如下：
[0052]
ψ
sα
＝∫(u
α-r
siα
)dt
[0053]
ψ
sβ
＝∫(u
β-r
siβ
)dt，
[0054]
其中u
α
和u
β
分别是α轴初级电压分量和β轴初级电压分量，i
α
和i
β
分别是α轴初级电流分量和β轴初级电流分量，rs是初级每相绕组电阻值。
[0055]
所述静止α-β坐标系下初级磁链差值实现方式如下：
[0056]
将α轴期望初级磁链分量与α轴初级磁链分量ψ
sα
做差，得到α轴初级磁链差值分量δψ
sα
；将β轴期望初级磁链分量与β轴初级磁链分量ψ
sβ
做差，得到β轴初级磁链差值分量δψ
sβ
。
[0057]
将所述α轴初级磁链差值分量δψ
sα
和β轴初级磁链差值分量δψ
sβ
输入到空间矢量调制模块，所述空间矢量调制模块，其实现步骤如下：
[0058]
(1)将α轴初级磁链差值分量δψ
sα
和β轴初级磁链差值分量δψ
sβ
分别除以控制周期ts，得到空间电压矢量α轴分量u
xα
和空间电压矢量β轴分量u
xβ
；
[0059]
(2)通过空间电压矢量α轴分量u
xα
和空间电压矢量β轴分量u
xβ
合成期望空间电压矢量u
x
，包括幅值|u
x
|和相位θ
x
：
[0060][0061][0062]
(3)参考附图4的三相逆变器电路示意图，属于a相的开关器件上管为s1下管为s2，属于b相的开关器件上管为s3下管为s4，属于c相的开关器件上管为s5下管为s6。参考附图5电压空间矢量示意图，在不同开关状态下逆变器输出三相电压可以合成8个电压矢量，其中u1～u6代表6个基本电压矢量，u7和u8代表两个零矢量并统称u0。附图5中，根据θ
x
不同的相
位，分为6个区，分别为
①
～
⑥
，对于每一个控制周期ts，合成空间电压矢量u
x
的作用量u
x
*ts在不同区可以分解成两个相邻基本非零电压矢量在一定的持续时间内的作用量：
[0063]
当在
①
区时，u
x
*ts＝u1*t1+u2*t2；
[0064]
当在
②
区时，u
x
*ts＝u2*t2+u3*t3；
[0065]
当在
③
区时，u
x
*ts＝u3*t3+u4*t4；
[0066]
当在
④
区时，u
x
*ts＝u4*t4+u5*t5；
[0067]
当在
⑤
区时，u
x
*ts＝u5*t5+u6*t6；
[0068]
当在
⑥
区时，u
x
*ts＝u6*t6+u1*t1；
[0069]
其中：t1～t6分别为基本电压矢量u1～u6的作用时间。
[0070]
(4)ts剩余的时间使用零矢量作用，得到作用量u0*t0，以附图5中标识的u
x
位置
④
区为例，t0＝t
s-t
3-t4，其中t0为零矢量作用时间。
[0071]
(5)由上述(2)、(3)和(4)，结合附图5可得两个相邻基本非零电压矢量的作用时间和一个零矢量的作用时间；
[0072]
(6)根据求得的三个矢量作用时间，即可求得三相全桥逆变器开关器件s1～s6导通和关断时间，即控制信号a相s1和s2，b相s3和s4，c相s5和s6；
[0073]
将得到的三相控制信号输出给三相逆变器，从而得到在一个控制周期内的空间电压矢量，所述空间电压矢量作用到直线永磁电机上，产生初级磁链矢量，所述初级磁链矢量与永磁磁链相互作用，从而产生期望的电磁推力，即实现对初级磁链、电机推力的快速控制。
[0074]
为了说明本发明的一种无推力闭环的空间矢量法直线永磁电机推力控制方法(参考附图1)，在动态性能不变的基础上，具有结构简单易于实现，同时有效减小直线永磁电机的电磁推力和初级磁链脉动的优点，现将其与推力闭环控制采用pi控制器的空间电压矢量法直接推力控制方法(参考附图2)进行对比分析。
[0075]
图1为本发明无推力闭环的空间矢量法直线永磁电机推力控制方法系统框图，图2为推力闭环控制采用pi控制器的空间电压矢量法直接推力控制方法系统框图。比较图1和图2可以看出，两种方法都是基于空间电压矢量调制，而本发明所采用的方法没有推力计算模块和推力闭环，结构简单易于实现，无需调试推力闭环的pi参数，有效降低参数调试难度。
[0076]
图6是在给定负载从50n突变到100n情况下本发明实施例方法下的直线永磁电机电磁推力曲线，图7是在给定负载从50n突变到100n情况下图2所示控制方法下的直线永磁电机电磁推力曲线。比较图6和图7可以看出，两种方法下的电磁推力都具有较小的脉动，且在负载突变的情况下，电磁推力都可以快速的到达突变后的负载值，说明两种方法都具有较强的推力控制能力，而本发明的方法无需推力计算模块和推力闭环，软件负担小，结构更简单易于实现。
[0077]
图8是稳态时本发明实施例方法下的直线永磁电机初级磁链曲线，图9是稳态时图2所示控制方法下的直线永磁电机初级磁链曲线。比较图8和图9可以看出，两种方法下的初级磁链都具有较小的脉动。
[0078]
综上所述，本发明的方法找到电磁推力控制的核心参数，在无需推力计算模块和推力闭环的情况下，可以实现电磁推力的快速控制，同时电磁推力和初级磁链都具有较小
的脉动。
[0079]
本发明适用的直线永磁电机包含很多形态，例如初级永磁式结构、圆筒形结构、双边结构。
[0080]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。