一种六相直线感应电机能量链切换控制系统和方法与流程

本发明属于电机控制领域，具体涉及一种六相直线感应电机能量链切换系统及其控制系统和方法。

背景技术：

直线电机是由普通旋转电机演变而来，是一种能够实现电能向直线运动的机械能直接转换的电力传动装置。由于集成了如链条、滚珠丝杠、齿轮等装置，传统旋转电机传动系统存在体积大、效率低、精度低、功率密度低等缺点。直线电机利用其本身的结构优势并结合先进的控制技术，不仅能克服上述缺点，还能通过推力控制突破加速度和速度等指标受限制的瓶颈问题，同时具备良好的动态性能。

英国的惠斯通于1840年最早提出了直线电机的设计方案，随后在1890年在美国出现了第一个直线电机专利。由于受到制造技术，材料工艺等限制，直线电机经历了之后几十年断断续续的发展，仍未获得成功。1945年美国西屋公司研制了直线感应电机推动的飞机弹射器，获得的很大的推力和速度，由于当时大功率脉冲电源技术的不成熟而没有实际运用，但随后类似的直线电机在模拟汽车碰撞和绳索破坏性力学试验等方面得到了成功的运用。1965年后，随着控制技术和材料性能的提高直线电机在绘图仪、磁头定位等实用装置上得到了成功的应用。20世纪七八十年代，德国和日本等国家突破了直线电机驱动磁悬浮列车技术，试验行程累计达到数十万公里。近年来，随着高性能磁性材料、电力电子及电力传动、精确传感器等技术的发展，直线电机在交通运输、电梯驱动等民用领域，数控机床、激光切割等工业领域，飞机弹射、航空航天等军事领域都有较广泛和成熟的运用。

与旋转电机类似，直线电机的类型分为感应直线电机、永磁直线电机、超导励磁直线电机等，按结构可分为长初级短次级和短初级长次级以及单边和双边直线电机。目前国内外基于各类直线电机控制的研究热点主要包括以下几个方面：直线电机边端效应研究，直线电机由于磁场的开断会造成电机自身参数不平衡、推力波动等现象，通过电机结构的改善及控制策略的优化可以减小边端效应对电机运行的影响；先进控制策略研究，在矢量控制和直接转矩控制的基础上，国内外学者将现代控制理论引入，以提高直线电机的控制性能；无速度传感器技术研究，为了降低系统的复杂度提高系统的可靠性，以及避免速度传感器带来的环境适应性、安装维护、故障等麻烦，通过磁链和速度观测算法实现电机的无速度传感器控制。

随着直线电机在大功率场合的运用日益广泛，需要将多能量链控制方法及多相电机理论引入到直线电机中，一方面满足大功率输出的需求，另一方面便于实现电机容错控制，提高系统的冗余度。就目前直线电机的相关研究，大多以三相单能量链为对象，对于长初级短次级感应直线电机，目前已有文献采用多定子供电的方式实现多能量链冗余控制。而对于短初级长次级直线电机，如何实现多能量链冗余控制，目前国内外鲜有文献报道。

技术实现要素：
：

为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种六相直线感应电机能量链切换控制系统和方法，高速场合故障状态适应能力强，在保证系统安全的情况下，能将故障对电机工作的影响最小化。

为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：

一种六相直线感应电机能量链切换控制系统，发电单元的第一输出端经第一整流电路向第一储能单元输送电能，发电单元的第二输出端经第二整流电路向第二储能单元输送电能，第一储能单元和第二储能单元分别通过逆变单元连接六相直线感应电机的输入端绕组线圈，逆变器的控制端连接控制单元的信号输出端。

较佳地，逆变单元包括六个逆变器，六个逆变器分别记为第一逆变器、第二逆变器、第三逆变器、第四逆变器、第五逆变器和第六逆变器。

较佳地，六个逆变器均具有两个输入端，六个逆变器的两个输入端分别连接第一储能单元和第二储能单元的输出端。

较佳地，第一逆变器的输出端连接六相直线感应电机一号绕组1^#YA1相线圈，第二逆变器的输出端连接六相直线感应电机二号绕组2^#YA2相线圈，第三逆变器的输出端连接六相直线感应电机一号绕组1^#YB1相线圈，第四逆变器的输出端连接六相直线感应电机二号绕组2^#YB2相线圈，第五逆变器的输出端连接六相直线感应电机一号绕组1^#YC1相线圈，第六逆变器的输出端连接六相直线感应电机二号绕组2^#YC2相线圈。

较佳地，控制单元包括集中控制器，和连接于集中控制器信号输出端的六个执行控制器，六个执行控制器的信号输出端分别与六个逆变器的控制端一一对应连接。

较佳地，逆变器为单项H桥电路。

较佳地，发电单元包括发电机和连接于发电机轴的原动机。

本发明还提供一种六相直线感应电机能量链切换控制方法：包括双能量链，；双能量链包括第一能量链和第二能量链，第一能量链从发电单元的第一输出端经第一整流电路向第一储能单元输送电能，第二能量链从发电单元的第二输出端经第二整流电路向第二储能单元输送电能，逆变单元接收控制单元的控制信号，控制第一储能单元和/或第二储能单元六相直线感应电机输送电能。

较佳地，系统运行模式包括：

系统检查：电机运行速度为1m/s，双能量链同时运行，电机运行包括空闲状态、加加速状态、匀加速状态、匀速状态、制动状态或回撤状态；

低速传动：传动速度VT≤1/2Vm，单个能量链交替运行，电机运行空闲状态、加加速状态、匀加速状态、匀速状态或制动状态；

低速加速：末速度VF≤1/2Vm，单个能量链交替运行，电机运行空闲状态、加加速状态、匀加速状态、制动状态或回撤状态；

高速传动：传动速度1/2Vm＜VT≤Vm，双能量链同时运行，电机运行空闲状态、加加速状态、匀加速状态、匀速状态或制动状态；

高速加速：末速度1/2Vm＜VF≤Vm，双能量链同时运行，电机运行空闲状态、加加速状态、匀加速状态、弱磁状态、制动状态或回撤状态。较佳地，控制单元控制六相直线感应电机以六种状态运行，六种状态包括：空闲状态、加加速状态、匀加速状态、匀速状态、弱磁状态、制动状态和回撤状态；

空闲状态下动子为静止状态；

加加速状态下加速度线性增加，满足如下关系：

其中Jmax为设定值，加速模式中，加加速状态转入匀加速状态的条件是：

传动模式中，加加速状态转入匀加速状态的条件是：

A(t)≥Amax

其中Amax为传动模式中设定的最大加速度；匀加速状态下动子保持加速度恒定进行加速运行；

匀速状态下加速度为零，动子运动速度保持不变，由匀加速状态转入匀速状态的条件时是：

V(t)≥Vc

其中Vc为传动模式设定的运行速度；

弱磁状态下在加速模式中，由匀加速状态转入弱磁阶段的条件是：

弱磁状态加速度满足如下关系：

制动状态下当动子行程达到人工设定值时，动子开始制动减速，进入制动阶段的条件是：

X(t)≥Xf

当V(t)＝0时，制动阶段结束。

本发明的有益效果在于：双能量链感应直线电机传动系统能够满足各个功率等级不同运用场合的需求。低速场合两条能量链交替切换运行，可降低电机绕组和逆变器的温升，同时，两条能量链互为热备份，冗余度高，可靠性高。高速场合故障状态适应能力强，在保证系统安全的情况下，能将故障对电机工作的影响最小化。能量链切换控制方法简单灵活，不同场合不同模式切换方便。基于短初级长次级双边六相直线感应电机能量链切换系统，提出一种双能量切换控制方法。通过控制单、双能量链切换运行，可使电机满足各个功率等级的需求，同时兼顾故障状态下，切除或切换能量链以保证系统的安全，提高了系统的冗余度和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例双能量链电机驱动系统示意图。

图2为本发明实施例六相直线感应电机驱动部分示意图。

图3为本发明实施例系统正常运行状态流程图(不考虑故障)。

图4为本发明实施例低速传动故障模式下能量链切换框图。

图5为本发明实施例高速传动故障模式下能量链切换框图。

图中：1-发电单元，1.1-原动机，1.2-发电机，2-第一整流电路，3-第一储能单元，4-第二整流电路，5-第二储能单元，6-逆变单元，6.1-第一逆变器，6.2-第二逆变器，6.3-第三逆变器，6.4-第四逆变器，6.5-第五逆变器，6.6-第六逆变器，7-六相直线感应电机，8-控制单元，8.1-第一执行控制器，8.2-第二执行控制器，8.3-第三执行控制器，8.4-第四执行控制器，8.5-第五执行控制器，8.6-第六执行控制器，8.7-集中控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例一

一种六相直线感应电机7能量链切换控制系统，发电单元1的第一输出端经第一整流电路2向第一储能单元3输送电能，发电单元1的第二输出端经第二整流电路4向第二储能单元5输送电能，第一储能单元3和第二储能单元5分别通过逆变单元6连接六相直线感应电机7的输入端绕组线圈，逆变器的控制端连接控制单元8的信号输出端。发电单元1包括原动机1.1和通过发电机轴连接所述原动机1.1的发电机1.2。

较佳地，逆变单元6包括六个逆变器，六个逆变器分别记为第一逆变器6.1、第二逆变器6.2、第三逆变器6.3、第四逆变器6.4、第五逆变器6.5和第六逆变器6.6。

较佳地，六个逆变器均具有两个输入端，六个逆变器的两个输入端分别连接第一储能单元3和第二储能单元5的输出端。

较佳地，第一逆变器6.1的输出端连接六相直线感应电机7一号绕组1^#YA1相线圈，第二逆变器6.2的输出端连接六相直线感应电机7二号绕组2^#YA2相线圈，第三逆变器6.3的输出端连接六相直线感应电机7一号绕组1^#YB1相线圈，第四逆变器6.4的输出端连接六相直线感应电机7二号绕组2^#YB2相线圈，第五逆变器6.5的输出端连接六相直线感应电机7一号绕组1^#YC1相线圈，第六逆变器6.6的输出端连接六相直线感应电机7二号绕组2^#YC2相线圈。

较佳地，控制单元8包括集中控制器8.7，和连接于集中控制器8.7信号输出端的六个执行控制器，六个执行控制器的信号输出端分别与六个逆变器的控制端一一对应连接。六个执行控制器分别记为第一执行控制器8.1、第二执行控制器8.2、第三执行控制器8.3、第四执行控制器8.4、第五执行控制器8.5和第六执行控制器8.6。

较佳地，逆变器为单项H桥电路。

较佳地，发电单元1包括发电机1.2和连接于发电机轴的原动机1.1。

如图1所示，本发明六相直线感应电机7能量链切换系统，该系统包括发电单元1、储能单元、逆变单元6、控制单元8以及六相直线感应电机7。其中发电单元1的实现方式在本专利说明书中不作限定，图1所提供的原动机1.1带动发电机1.2进行发电仅为工程中较为常用的方式，发电机1.2发出的交流电通过整流变换成直流电为储能单元充电。储能单元的储能方式在本专利说明书中不作限定，可以由超级电容或电池等储能器件组成，储能单元分为两个能量源，互相独立且互不影响，分别为系统的两个能量链存储能量，当对应的能量链工作时，储能单元为逆变单元6提供母线电压，可瞬时释放大量电能，满足电机的功率需求。

如图2所示，逆变单元6采用单H桥拓扑，单个逆变单元6含H桥1和H桥2，分别对应直线电机的1^#Y和2^#Y，即能量链1和能量链2，根据功率需求不同，逆变单元6还可采用IGBT并联、H桥级联、逆变器并联等方式。控制单元8包含集中控制和执行控制，逆变单元6中的执行控制1和执行控制2分别控制H桥1和H桥2。将发电控制算法、储能管理算法、电机闭环控制算法植入集中控制(上述控制算法的具体实现方式这里不予限定)，集中控制将闭环控制算法得到的电压指令发送给执行控制，执行控制经过调制后向逆变器开关管发脉冲，故障时封脉冲，执行控制采集处理输入输出模拟量并发送给集中控制，以便集中控制进行状态监控和执行闭环控制算法，单个逆变单元6集成两套执行控制，可实现双能量链独立控制。六相感应电机为短初级长次级双边结构，具体内容在此不作介绍。

实施例二

一种六相直线感应电机7能量链切换控制方法：包括双能量链，双能量链包括第一能量链和第二能量链，第一能量链从发电单元1的第一输出端经第一整流电路2向第一储能单元3输送电能，第二能量链从发电单元1的第二输出端经第二整流电路4向第二储能单元5输送电能，逆变单元6接收控制单元8的控制信号，控制第一储能单元3和/或第二储能单元5六相直线感应电机7输送电能。

系统运行模式包括：

系统检查：电机运行速度为1m/s，双能量链同时运行，电机运行包括空闲状态、加加速状态、匀加速状态、匀速状态、制动状态或回撤状态；

低速传动：传动速度VT≤1/2Vm，单个能量链交替运行，电机运行空闲状态、加加速状态、匀加速状态、匀速状态或制动状态；

低速加速：末速度VF≤1/2Vm，单个能量链交替运行，电机运行空闲状态、加加速状态、匀加速状态、制动状态或回撤状态；

高速传动：传动速度1/2Vm＜VT≤Vm，双能量链同时运行，电机运行空闲状态、加加速状态、匀加速状态、匀速状态或制动状态；

高速加速：末速度1/2Vm＜VF≤Vm，双能量链同时运行，电机运行空闲状态、加加速状态、匀加速状态、弱磁状态、制动状态或回撤状态。

较佳地，控制单元8控制六相直线感应电机7以六种状态运行，六种状态包括：空闲状态、加加速状态、匀加速状态、匀速状态、弱磁状态、制动状态和回撤状态；

空闲状态下动子为静止状态；

加加速状态下加速度线性增加，满足如下关系：

其中Jmax为设定值，加速模式中，加加速状态转入匀加速状态的条件是：

传动模式中，加加速状态转入匀加速状态的条件是：A(t)≥Amax

其中Amax为传动模式中设定的最大加速度；

匀加速状态下动子保持加速度恒定进行加速运行；

匀速状态下加速度为零，动子运动速度保持不变，由匀加速状态转入匀速状态的条件时是：

V(t)≥Vc

其中Vc为传动模式设定的运行速度；

弱磁状态下在加速模式中，由匀加速状态转入弱磁阶段的条件是：

弱磁状态加速度满足如下关系：

制动状态下当动子行程达到人工设定值时，动子开始制动减速，进入制动阶段的条件是：

X(t)≥Xf

当V(t)＝0时，制动阶段结束。

能量链切换分为系统在正常模式和故障模式下两类，如图3所示为系统正常模式下工作流程。将电机运行模式赋予指令Mode，从1到5依次为：测试模式、单Y(单能量链)传动模式、单Y(单能量链)加速模式、双Y传动模式、双Y加速模式。将电机运行状态赋予指令State，从0到6依次为：空闲、加加速、匀加速、匀速、弱磁、制动，回撤。

每次系统运行之前进行一次系统检查，即进入测试模式(Mode＝1)，测试模式设定速度为1m/s，两条能量链同时工作，电机动子从首端运行到末端再回撤至首端，回撤设定速度为1m/s，整个过程可对系统能量链回路、通讯、传感器等进行全面检查，任何环节故障或出错，动子将立即制动，此种模式可提高系统的安全性和可靠性，保证系统每次工作前处于正常状态。

当设定工作模式为低速传动模式(Mode＝2)时，动子以匀速传动方式往复运动并且设定传动速度VT≤1/2Vm，此模式采用单Y(单能量链)交替运行，如图3所示，将动子运动方向赋予状态D，能量链选择赋予状态K，K＝0时，集中控制向执行控制1发送使能信号和电压指令，执行控制1根据收到的电压指令，经过调制后通过PWM脉冲信号驱动逆变单元6的H桥1(图2)，H桥1输出驱动电机1^#Y工作，D＝0时动子正向运动，从首端经历加加速、匀加速、匀速、制动状态后传动到末端，此时D、K置1，集中控制不再使能执行控制1，转向执行控制2发送使能信号和电压指令，能量链切换到2^#Y，动子从末端经历上述相同状态后传动至首端，此时D、K置0，如此进行能量链交替往复运动。

当设定工作模式为低速加速模式(Mode＝3)时，动子以全程加速的方式运动并且设定末速度VF≤1/2Vm，此模式采用单Y(单能量链)交替运行，如图3所示，加速运动通常为单程单方向(加速方向不予以限定，此说明书中以从首端向末端加速为例)，将能量链选择赋予状态K，K＝0时，集中控制向执行控制1发送使能信号和电压指令，电机1^#Y工作，动子从首端经历加加速、匀加速达到设定末位置并制动后以1m/s回撤至首端，此时K置1，集中控制不再使能执行控制1，转向执行控制2发送使能信号和电压指令，下一次加速运动能量链切换至2^#Y，如此进行能量链交替加速运动。

高速传动(Mode＝4)和高速加速(Mode＝5)模式，双Y(双能量链)同时运行，将能量链选择赋予状态K，K＝0时电机1^#Y工作，K＝1时电机2^#Y工作，K＝2时，双Y同时工作，在正常状态下双Y双能量链同时运行(K＝2)，集中控制同时向执行控制1和执行控制2发送使能信号和电压指令，无能量链切换，在此不赘述，具体工作流程参考图3。

为了说明系统故障时能量链切换的方式，在系统正常工作流程的基础上增加故障判断。如图4所示，单Y低速传动模式下，以1^#Y传动为例说明，在传动过程中一旦故障，K立即置1，集中控制转向执行控制2发送使能信号和电压指令，执行控制1封脉冲，H桥1停止工作，执行控制2开脉冲，能量链切换到2^#Y，方向不变，继续执行1^#Y未完成的状态(图中低速传动1和低速传动2表示故障前和故障后所有状态)，动子到达末端后将方向状态D取反，集中控制保持向执行控制2发送使能信号和电压指令，继续由2^#Y传动，此后进入2^#Y单能量链往复传动模式，能量链不会再切换回故障的1^#Y。

低速加速模式下若出现故障，能量链切换方式与低速传动类似，不同之处在于，低速加速模式无需方向状态，若其中一条能量链故障，将立即切除故障能量链，正常能量链切入继续工作，双能量链交替运行模式切换为单能量链独立运行模式。

高速传动模式下若出现故障，将立即切除故障能量链，正常能量链继续工作，如图5所示，以1^#Y能量链故障为例，当1^#Y故障时，K立即置1，集中控制停止向执行控制1发送使能信号和电压指令，执行控制1封脉冲，1^#Y能量链被切除，系统转入2^#Y能量链单独工作模式。

高速加速模式下若出现故障，能量链切换方式与高速传动类似，不同之处在于，高速加速模式无需方向状态，若其中一条能量链故障，将立即切除故障能量链，正常能量链切入继续工作，双能量链同时运行模式切换为单能量链独立运行模式。

一种六相直线感应电机7能量链切换系统，该系统包括发电单元1、储能单元、逆变单元6、控制单元8；

发电单元1由原动机1.1、发电机1.2以及整流装置组成，通过原动机1.1带动同步发电机1.2进行发电，由整流装置将发电机1.2发出的交流电变换为直流电，并为储能单元充电；

储能单元可提供两组母线电压，在电机不工作时存储能量，在电机工作时可释放大量电能，保证系统满足瞬时大功率输出的需求；

逆变单元6由三个逆变器组成，单个逆变器由双H桥组成，分别对应电机双三相中的一相，通过将储能单元的直流电逆变为交流电实现对直线电机的驱动；

控制单元8由集中控制和执行控制两部分组成，集中控制负责闭环控制算法及能量链切换控制，执行控制负责响应集中控制的指令，通过脉冲对逆变单元6进行使能和关闭控制。

本发明提供的一种六相直线感应电机7能量链切换控制方法，其内容包括：

(1)将发电控制算法、储能管理算法、电机闭环控制算法(上述控制算法的具体实现方式这里不予限定)及能量链切换控制算法植入控制单元8，在电机测试及运行过程中均调用闭环控制算法。

(2)将电机运行模式赋予指令Mode，从1到5依次为：测试模式、单Y(单能量链)传动模式、单Y加速模式、双Y(双能量链)传动模式、双Y加速模式。

(3)将电机运行状态赋予指令State，从0到6依次为：空闲、加加速、匀加速、匀速、弱磁、制动，回撤。物体运动的轨迹主要由位移X(t)、速度V(t)、加速度组成A(t)。根据牛顿运动方程可知X(t)、V(t)、A(t)满足如下关系：

直线电机的基座上安装有位置传感器，可反馈动子运动的位移X(t)，进而可根据上述公式计算出V(t)、A(t)，通过X(t)、V(t)、A(t)三个变量可对动子的运动轨迹进行约束，并决定电机运行的状态。在动子的行程中均采用位置闭环控制。

为了描述电机运行在各个状态的条件，定义如下变量：

空闲：动子为静止状态；

加加速：加速度线性增加，满足如下关系：

其中Jmax为设定值，可根据动子行程和末速度进行改变。加速模式中，为了保证动子和负载具备足够的加速度使得能够在有限行程内达到预定末速度，又避免承受过大的加速度，加加速阶段转入匀加速阶段的条件是：

传动模式中，加速度达到设定的最大加速度设定值Amax时转入匀加速阶段，条件表达式为：

A(t)≥Amax

匀加速：动子保持加速度恒定进行加速运行；

匀速：传动模式中，加速度为零，动子运动速度保持不变，由匀加速阶段转入匀速阶段的条件时是：

V(t)≥Vc

其中Vc为传动模式设定的运行速度。

弱磁：在加速模式中，为了在有限的行程内达到较高的设定末速度，又避免超出逆变器的功率限制，需要进行弱磁，由匀加速阶段转入弱磁阶段的条件是：

弱磁阶段加速度满足如下关系：

制动：当动子行程达到人工设定值时，动子开始制动减速，进入制动阶段的条件是：

X(t)≥Xf

制动阶段结束的标志是V(t)＝0。

(4)将电机故障状态赋予指令Fault1和Fault2，分别表示1^#Y和2^#Y(第一条能量链和第二条能量链)故障状态，等于0表示正常，等于1表示故障(上述故障状态对应的具体故障类别在这里不予以限定)。

假设Vm为直线电机在长度及系统各设备功率等级约束下所能提供的最大末速度，根据不同的应用场合、功率等级、速度要求，执行指令按照下述6种方式实施：

系统检查(Mode＝1)：设定电机运行速度为1m/s，此种场合默认为双Y(双能量链)同时运行，电机运行包含(3)所述除弱磁状态之外的所有状态。

低速传动(Mode＝2)：传动速度VT≤1/2Vm，此种场合采用单Y(单能量链)交替运行，电机运行包含(3)所述除弱磁和回撤状态之外的所有状态。

低速加速(Mode＝3)：末速度VF≤1/2Vm，此种场合采用单Y交替运行，电机运行包含(3)所述除匀速和弱磁状态之外的所有状态。

高速传动(Mode＝4)：传动速度1/2Vm＜VT≤Vm，此种场合采用双Y(双能量链)同时运行，电机运行包含(3)所述除弱磁和回撤状态之外的所有状态。

高速加速(Mode＝5)：末速度1/2Vm＜VF≤Vm，此种场合采用双Y(双能量链)同时运行，电机运行包含(3)所述除匀速状态之外的所有状态。

故障：系统检查时(Mode＝1)，任何一条能量链故障(Fault1＝1或Fault2＝1)，此时电机立即进入制动状态(State＝6)；低速传动时，若其中一条能量链故障，将立即切除故障能量链，正常能量链切入继续工作，双能量链交替运行模式切换为单能量链独立运行模式；低速加速时若其中一条能量链故障，将立即切除故障能量链，正常能量链切入继续工作，双能量链交替运行模式切换为单能量链独立运行模式；高速传动时，若其中一条能量链故障，将立即切除故障能量链，正常能量链继续工作；高速加速时，若其中一条能量链故障，将立即切除故障能量链，正常能量链继续工作。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。