一种直线感应电机效率优化控制方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于直线感应电机领域，更具体地，设及一种直线感应电机效率优化控制 方法。
【背景技术】
[0002] 直线感应电机可W通过初、次级之间电流的相互作用产生直接推力，从而省去了 中间传动环节，特别适用于直驱场合。同时，直线感应电机由于结构简单、推力大、机械损耗 小、维护量少等优势而广泛应用于工业领域，如城轨交通、抽油机等。
[0003] 但是受制造装配工艺、运行安全要求等限制，直线感应电机的机械气隙比普通旋 转感应电机大，因而直线感应电机的效率一般较低。此外，直线感应电机由于初级开断、初 次级宽度不等、初级端部半填充槽的特殊结构，在运行时存在横向边缘效应和纵向边端效 应。运两种效应会引起等效次级电阻的增加和等效励磁电感的衰减，在相同的运行条件下 需要输入更大的电流，从而致使电机损耗上升，效率下降。
[0004] 当前针对直线感应电机效率优化控制的方法主要有两类:模型法与捜索法。捜索 法通过监测电机或驱动系统输入功率，利用捜索算法调整给定磁链或其它被控量使输入功 率最小。捜索法虽不受电机参数的影响，但是收敛速度慢、对控制器硬件要求高，且容易陷 入局部反复寻优，致使电机输出波动和系统不稳定。模型法基于电机等效模型，通过优化电 机损耗函数，实现电机效率优化控制。相比捜索法，模型法计算快、输出波动小、简单实用， 但对电机模型参数的依赖性强。受横向边缘效应和纵向边端效应影响，直线感应电机参数 变化复杂，且各参数之间禪合严重，需要全面考虑各个参数的影响才能获得理想的控制效 果。目前关于直线感应电机模型法效率优化控制的研究，尚没有相对完整的损耗模型。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了一种直线感应电机效率优化 控制方法，能快速计算得到直线感应电机的最小损耗工作点，在不同运行条件下电机效率 都得到了显著提升，实现了全局范围内的效率优化控制。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种直线感应电机效率优化控制方法，其特征在 于，包括如下步骤：
[0007] (1)采集直线感应电机的初级=相电流iA、iB和icW及电机运行速度V2,根据电机 运行速度V2计算得到次级角频率《 r ;
[0008] (2)由初级S相电流iA、Ib和icW及次级角频率W1计算得到直线感应电机的次级 磁链角度和电磁推力F;通过坐标变换由次级磁链角度0iW及初级S相电流iA、iB和ic得到 初级d轴电流ids和初级q轴电流iqs;
[0009] (3)根据次级角频率COr和电磁推力F，计算得到优化的次级d轴磁链恥r，进而得到 初级巧由电流控制量4 ;将次级角频率参考值^<与次级角频率CO ,的差值进行？1调节得到 初级q轴电流控制量V;
[0010]其中，优化的次级d轴磁链
曰1、曰2、曰3和曰4为损耗系数，使得直线感应电机的总损耗巧。W =0。+。1的.+。2侣+。3佔+。4的6 最小，a日为损耗系数；
[0011] (4)将初级d轴电流控制量^与初级巧由电流i ds的差值进行PI调节得到初级d轴电 压控制量将初级q轴电流控制量C与初级q轴电流iqs的差值进行PI调节得到初级q轴 电压控制量;
[001 ^ (5)将初级d轴电压控制量ff/、和初级q轴电压控制量进行坐标变换得到初级a轴 电压控制量和初级e轴电压控制量，将其作为空间矢量脉宽调制的输入，实现直线感 应电机效率的优化控制。
[001引优选地，损耗系数ai、日2、日3和日4分别为：
[001引其中，T为极距，F为电磁推力，COr为次级角频率Js为初级电阻，RFe为等效铁损电 阻，Lls为初级漏感，Llr为次级漏感，Lme为等效励磁电感，Rre为等效次级电阻。
[0019] 优选地，等效励磁电感Lme和等效次级电阻Rre分别为：
[0020] Lme = KxCxLm 和
[0021] Rre = KrCrRr,
[0022] 其中，Kr为次级电阻纵向边端效应修正系数，Kx为励磁电感纵向边端效应修正系 数，Cr为次级电阻横向边缘效应修正系数，Cx为励磁电感横向边缘效应修正系数，Lm为励磁 电感，Rr为次级电阻。
[0023] 优选地，初级d轴电流控制量4为：
[0025] 其中，Ls为等效初级电感，化e为等效铁损电阻，Lme为等效励磁电感，T为极距，Rre为 等效次级电阻为等效次级电感，F为电磁推力，Lls为初级漏感，Llr为次级漏感。
[0026] 总体而言，通过本发明所构思的W上技术方案与现有技术相比，具有W下有益效 果:采用校正系数来修正直线感应电机的纵向边端效应、横向边缘效应和初级端部半填充 槽对电机特性的影响，完整地分析了初级漏感、次级漏感对电机输出功率和损耗的影响，建 立了包含初、次级铜耗，励磁电感引起的铁耗W及初、次级漏感引起的铁耗在内的动态损耗 函数。采用此种控制策略，使直线感应电机的效率显著提升，在不同运行条件下都能达到或 接近额定运行工况下的效率。
【附图说明】
[0027] 图1是直线感应电机的一维结构示意图；
[0028] 图2是考虑半填充槽、横向边缘效应、纵向边端效应和铁耗影响的d-q轴动态等效 电路，其中，（a)是d轴动态等效电路，（b)是q轴动态等效电路；
[0029] 图3是本发明实施例的直线感应电机效率优化控制方法的原理框图；
[0030] 图4是本发明的控制方法与传统控制方法的效率对比图。
【具体实施方式】
[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所设及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。
[0032] 直线感应电机在稳态运行过程中，其纵向边端效应和横向边缘效应的影响体现在 4个校正系数的变化上。基于d-q轴动态等效电路，本发明提出一种新型直线感应电机动态 损耗模型，全面反映了初级端部半填充槽、横向边缘效应、纵向边端效应、初级漏感、次级漏 感对电机输出功率和损耗的影响，同时完整地包含初、次级铜耗，励磁电感引起的铁耗W及 初、次级漏感引起的铁耗。基于损耗模型，实现了直线感应电机效率优化控制策略。下面首 先对本发明的直线感应电机效率优化控制方法的理论依据进行详细说明。
[0033] l、d-q轴动态等效电路
[0034] 图1是直线感应电机一维结构示意图。由于初级开断、初次级宽度不等的特殊结 构，直线感应电机在运行时存在横向边缘效应和纵向边端效应。运两种效应会引起等效次 级电阻的增加和等效励磁电感的衰减，致使电机运行性能下降。同时初级端部为半填充槽， 导致电机实际极对数增多，定义等效极对数Pe为：
(1)
[0036] 其中，np为电机极对数，e为短节距，m功初级相数，q为每极每相槽数。
[0037] 图2是考虑半填充槽、横向边缘效应、纵向边端效应和铁耗影响的d-q轴动态等效 电路，其中，图2(a)是d轴动态等效电路，图2(b)是q轴动态等效电路。图中，Kr为次级电阻纵 向边端效应修正系数，Kx为励磁电感纵向边端效应修正系数，Cr为次级电阻横向边缘效应修 正系数，Cx为励磁电感横向边缘效应修正系数。运四个系数的表达式分别为：
[0042]其中，S为直线感应电机的转差率，G为品质因数，T为极距，T、Ci和C2为转差率和品 质因数的函数，ReO表示取实部，ImO表示取虚部。
[00创图2中，Lls、Llr、Lm分别为初级漏感、次级漏感、励磁电感，Rs、Rr、RFe分别为初级电 阻、次级电阻、等效铁损电阻。等效铁损电阻与励磁电感并联且位于初级漏感左侧，可W同 时完整地反映励磁电感支路的铁耗、初级漏感引起的铁耗W及次级漏感引起的铁耗。
[0044] 2、直线感应电机数学模型
[0045] 根据图2等效电路，可得到直线感应电机d-q轴数学模型，其中电压方程为：
樹
[0047] 式中，Uds、Uqs分别为初级d轴电压、初级q轴电压，ids、iqs、idr和iqr分别为初级d轴电 流、初级q轴电流、次级d轴电流和次级q轴电流，如S、的分别为初级d轴磁链、初级q轴 磁链、次级d轴磁链和次级q轴磁链，《s、Or分别为初级角频率、次级角频率，P为微分算子。 [004引磁链方程为：
巧）
[0050]式中，分别为励磁支路d轴电流、励磁支路q轴电流。
[0051 ]铁损电阻支路电压方程为：
(8)
[0053] 式中，idFe为等效铁损电阻支路d轴电流，iqFe为等效铁损电阻支路q轴电流。
[0054] 节点K化方程为：
巧)
[0056] 3、直线感应电机损耗模型
[0057] 直线感应电机的可控损耗包含=部分:初级铜耗、次级铜耗与铁耗。根据图2的等 效电路，直线感应电机的总损耗可表示为：
[0058] 也.=巧、(皆 +這)+馬GA (這+(6)+? (4 + 综V) (10)
[0059] 考虑到电机带负载运行并处于稳态时，电磁推力F与电机速度（即次级角频率Or) 都是常数。使用次级磁