專利名稱：：一種減小直線感應電機牽引力脈動的控制方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種直線感應電機控制方法。
背景技術：
：直線感應電動機是一種能夠直接產生直線機械運動的電機。在軌道交通領域，與旋轉感應電機驅動的列車系統(tǒng)相比，使用直線感應電機牽引的列車具有加速快、噪聲低、爬坡能力強、轉彎半徑小及運行維護費用低等優(yōu)點。上述種種優(yōu)點使得直線感應電機軌道交通系統(tǒng)得到了越來越多的關注和應用。但是由于直線感應電機鐵心斷開，結構不對稱性，因此存在邊緣效應。此外，列車運行過程中所產生的振動會導致電機初、次級氣隙的變化。邊緣效應的存在及電機氣隙的變化使得電機等效參數(shù)在運行過程中發(fā)生改變，由于受影響的因素較多，這種參數(shù)的變化在控制過程中很難準確得到，這使得直線感應電機的控制方法與傳統(tǒng)旋轉感應電機相比有諸多不同。在專利CN100452639C所述的直線感應電機的控制方法中，通過控制電機初級磁鏈幅值和頻率對電機實施控制速度調節(jié)，但這種方法并未直接對電機的牽引力實施閉環(huán)控制。在旋轉感應電機控制領域，矢量控制和直接轉矩控制已成為應用最為廣泛的控制方法。矢量控制通過引入坐標變換，實現(xiàn)了轉矩與磁鏈的解耦控制，從而達到高性能的調速控制。但矢量控制對電機參數(shù)的依賴性較大，因此將其直接應用于直線感應電機的高性能控制有很大的困難。旋轉感應電機的直接轉矩控制理論是最早由M.D印enbrock提出，并記載在美國專利4678248中。在直線感應電機控制領域，與這種控制思想對應的是直接牽引力控制(牽引力對應旋轉電機的轉矩)。圖l為現(xiàn)有直接轉矩控制系統(tǒng)結構圖，由牽引力及磁鏈觀測、滯環(huán)控制器和開關表等部分組成，控制系統(tǒng)采用滯環(huán)比較的bang-bang控制策略直接選擇開關矢量從而控制電機轉矩和磁鏈，具有結構簡單、轉矩響應快以及對參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點。但在現(xiàn)有的直接轉矩控制策略中可供選擇的電壓矢量有限，因此存在轉矩脈動較大等缺點。近些年來，眾多學者提出了各種改進方法以改善傳統(tǒng)直接轉矩控制的轉矩脈動較大的缺點，具有代表性的是T.G.Habetler等人在在文獻Directtorquecontrolofinductionmachinesusingspacevectormodulation(IEEETransactionsonIndustryA卯lications，1992，28(5):1045-1053)提出的基于無差拍的直接轉矩控制方法禾口F.Hoffman等人在文獻FasttorquecontrolofanIGBT_inverter_fedtree-phaseA.C.driveinthewholespeedrange-Experimentalresult(Proc.EPEConf.，1995，pp.3399-3404)提出的間接轉矩控制方法。這些方法可在一定程度上減小電機的轉矩脈動，但對電機的參數(shù)依賴性較強，且增加了控制系統(tǒng)復雜性，因此很難直接運用到直線感應電機的直接牽引力控制中。
發(fā)明內容本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術中牽引力脈動大及對電機時變參數(shù)依賴性強等缺點，提出一種減小直線感應電機牽引力脈動的控制方法。本發(fā)明能夠實現(xiàn)準確的直線感應電機直接牽引力控制，能夠減小電機的牽引力脈動，并可避免邊端效應、參數(shù)變化等對控制性能的影響。本發(fā)明技術方案如下；通過在線檢測逆變器直流母線電壓Ud。、上一控制周期的逆變器控制信號Sab。及直線感應電機初級相電流Is，計算得到直線感應電機的實際初級磁鏈U^、實際牽引力&和平均牽引力Ftavg;根據(jù)直線感應電機實際初級磁鏈U^、實際牽引力F。平均牽引力Ft^及在線檢測得到的直線感應電機運行速度v，采用減小牽引力脈動的控制算法、逆變器開關控制表和P麗調制算法確定逆變器開關信號Sab。，由逆變器開關信號Sab。控制逆變器開關動作，使直線感應電機的實際牽引力Ft和初級磁鏈Vs快速跟蹤給牽引力給定值Ft*和初級磁鏈給定值Vs*，在減小牽引力脈動的同時快速調節(jié)電機的運行速度。本發(fā)明控制方法的步驟如下①在一個控制周期內首先通過在線檢測逆變器直流母線電壓Ud。、上一控制周期的逆變器控制信號Sab。及直線感應電機初級相電流Is，通過坐標變換得出電機初級相電壓和相電流的兩相分量，進而計算得到直線感應電機的實際初級磁鏈值U^、實際牽引力Ft。②利用所得的電機實際牽引力Ft按照下述公式(1)計算平均牽引力Ftavg<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中，s為頻域作用算子，"。為截止頻率。③將計算所得到的直線感應電機實際牽引力F。實際初級磁鏈與實際牽引力給定值F^和初級磁鏈給定值v/進行滯環(huán)比較，將比較結果及初級磁鏈所在矢量空間en輸入到逆變器開關控制表中，得到初級電壓矢量um。在所采用的逆變器開關控制表中，初級磁鏈U^的矢量空間e。平均劃分為12個區(qū)域(n=1，2，3....12)。逆變器開關控制表中的初級電壓矢量um共有14個(m=0，1，2....13)，其中u。，u7為零矢量，Ul-u6為基本電壓矢量，u8-u13為合成電壓矢量。利用式(2)所示的減小牽引力脈動的控制算法，計算出初級電壓矢量Um的作用時間Td與系統(tǒng)控制周期Ts的比例系數(shù)nt，其中，Kv，Kp為增益控制參數(shù)，v為電機運行速度，F(xiàn)t*為牽引力給定值，F(xiàn)tavg為平均牽引力，C。為常量。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>[ooi5]將上一步得到的初級電壓矢量Um和比例系數(shù)nt—起輸入到P麗調制單元中，如果um為零矢量，則下一個控制周期直接利用um控制逆變器開關動作。如果所得到的um為非零矢量，則通過PWM調制的方法，使得下一個控制周期Ts內，利用um控制逆變器開關的時間為Td，零矢量控制逆變器開關的時間為Ts-Td。進而通過控制逆變器開關對直線感應電機進行控制。本發(fā)明的技術優(yōu)點在于通過使用減小牽引力脈動的控制算法及其與之對應的逆變器開關控制表，很大程度上降低了直線感應電機的牽引力脈動，相比于已有的直接牽引力控制方案具有更好的控制性能。本控制方法通過測量直流母線電壓及電機相電流計算電機初級磁鏈和牽引力，進而通過控制逆變器開關實時調節(jié)電機牽引力，牽引力調節(jié)響應速度快，控制過程對時變性強的電機參數(shù)依賴程度小，并能夠避免邊端效應、參數(shù)變化等對控制性能的影響。相對于現(xiàn)有的直線感應電機控制方法，本發(fā)明能夠獲得更好的控制效果。圖1是現(xiàn)有直接牽引力控制方法結構框圖2是本發(fā)明實施例所述控制方法結構框圖；圖3現(xiàn)有直接牽引力控制方法的牽引力變化量與初級電壓矢量關系示意圖4是本發(fā)明所述控制方法所采用的電壓矢量和磁鏈矢量空間劃分；圖5本發(fā)明實施例所述控制方法流程圖。具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本發(fā)明。圖2所示為本發(fā)明控制方法的控制框圖。如圖2所示，通過在線檢測逆變器6的直流母線電壓Ud。、上一控制周期的逆變器控制信號S^及直線感應電機7的初級相電流，利用坐標變換單元8計算得到直線感應電機7的初級相電壓和相電流在兩相靜止坐標系下Q、P軸分量Uas，U^和ias，ies。之后將Uas，U^和ias，i^輸入到磁鏈觀測單元9和牽引力觀測單元10得到直線感應電機7的實際初級磁鏈值Vs及其a、13軸分量Vas，Ves和磁鏈矢量空間9n以及實際牽引力Ft，進而利用平均牽引力計算單元1得出平均牽引力Ftavg。將Ft、i^與其給定值F^和v/輸入到滯環(huán)比較器3和逆變器開關控制表單元4中，得到初級電壓矢量Um。之后將u/s、Ft、Ft^及在線檢測得到的直線感應電機7的運行速度v輸入到減小牽引力脈動的控制算法單元2中，得出比例系數(shù)nt。將Um，nt輸入到P麗調制單元5中，確定出逆變器開關信號Sab。，由逆變器開關信號Sab?？刂颇孀兤?開關動作，從而完成對電機的控制過程。根據(jù)直線感應電機7的等效動態(tài)數(shù)學模型，實際牽引力Ft與初級磁鏈Vs及初級磁鏈l關系可由下式(3)表示,2rcr仏"h式中t為電機極矩，km為邊端效應對勵磁電感的影響系數(shù)，Lm為勵磁電感，Ls，1^分別為電機初、次級電感。由式(3)分析可知，在保持初級磁鏈不變的情況下，通過選擇合適的初級電壓矢量控制逆變器輸出從而改變初、次級磁鏈間的瞬態(tài)夾角，即可控制電機輸出牽引力，這是直接牽引力控制以及矢量控制的基本原理。對于離散化控制系統(tǒng)，假定第n個控制周期電機實際牽引力和磁鏈分別為Ft(n)和U^(n)，所選擇的初級電壓矢量信號為Us(n)，則第n+l個周期電機實際牽引力Ft(n+l)與Ft(n)間的變化量AFt(n+l)由下式(4)表示a《(W+1)=《("+1)-5<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(4)式中RS，&分別為初、次級電阻，、為邊端效應對勵磁電感的影響系數(shù)。由上式可以看出，牽引力的變化量與系統(tǒng)的控制周期Ts及初級電壓矢量us(n)相關。在其他條件相同的情況下，牽引力變化量與控制周期Ts大小成正比。但由于采樣和計算延時的存在，實際系統(tǒng)中不可能通過無限縮短控制周期以減小牽引力脈動。同樣，如果其它條件不變的情況下，us(n)的幅值越大，其與次級磁鏈Vr間夾角越大，牽引力變化越大。在圖l所示現(xiàn)有的直接牽引力控制方案中，由于磁鏈矢量空間劃分及可選的電壓矢量較少，因此不可避免出現(xiàn)所選擇的us與次級磁鏈11^出現(xiàn)90度夾角從而導致較大的牽引力脈動。如圖3所示，假定當前時刻初級磁鏈1位于^矢量空間，按表1所示的現(xiàn)有直接牽引力控制方法逆變器開關控制表，如果所選電壓矢量為113，則當Vr位于圖示陰影區(qū)域①時，牽引力變化量最大的情況出現(xiàn)。同樣，如果所選電壓矢量為Ue，則當l位于圖示陰影區(qū)域②時，牽引力變化量最大的情況出現(xiàn)。表1現(xiàn)有直接牽引力控制方法逆變器開關控制表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>根據(jù)上述分析結果，可通過以下途徑減小牽引力變化量，l:利用矢量合成的方法增加非零電壓矢量數(shù)目，從而在每個磁鏈矢量空間選擇相位角更為合理的電壓矢量；2:通過P麗調制的方法，減小一個周期內非零矢量作用時間，即相當于減小式(4)中、(n)的幅值，這也是本發(fā)明的基本原理所在?；谏鲜鲈恚景l(fā)明提出了減小直線感應電機牽引力脈動的控制方法，參見圖2和圖5，本發(fā)明所述控制方法的實施步驟順序為首先在步驟Kl:在線檢測逆變器6的直流母線電壓Ud。、上一控制周期的逆變器控制信號Sab。及直線感應電機7的初級相電流Is實際兩相值ia，ib，利用坐標變換單元8計算得到直線感應電機7初級相電壓和相電流在兩相靜止坐標系下a、e軸分量Uas，u^和ias，ies。利用磁鏈觀測單元9和牽引力觀測單元10得到直線感應電機7的實際初級磁鏈值U^及其a、P軸分量Vas，V^和磁鏈矢量空間9n、實際牽引力Ft。磁鏈a、|3軸分量計算和牽引力觀測單元10的數(shù)學表達式分別如下式(5)和(6)所示ura,es<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(5)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(6)然后進入步驟K2:將上一步得到的電機實際牽引力Ft輸入到如下式(7)所示的平均牽引力計算單元1得出平均牽引力Ft_:式中，S為頻域作用算子，"。為截止頻率。在步驟K3::將計算所得到的直線感應電機7實際牽引力Ft、實際初級磁鏈^與其給定值F^和v/輸入到滯環(huán)比較器3中，得到AV禾PAF。將AV禾PAF及初級磁鏈所在矢量空間9n輸入到如表2所表述的逆變器開關控制表單元4中，得到初級電壓矢量iV如圖4所示，初級磁鏈L的矢量空間e。被劃分為平均劃分為12個區(qū)域(n=1，2，3....12)。逆變器開關控制表中的初級電壓矢量Um共有14個(m=0，1，2....13)，其中u。，u7為零矢量，Ul-u6為基本電壓矢量，u8-u13為合成電壓矢量，以u8為例，其代表了相鄰兩個電壓矢量^和u2各作用1/2采樣周期所合成的矢量。而如表2本發(fā)明實施例所述控制方法逆變器開關控制表所示，與表l表示的現(xiàn)有控制方案相比，當^r位于圖示陰影區(qū)域①時且Au;和AF滿足條件時，本發(fā)明所述的方法將選擇合成矢量w。而非U3，這將抑制牽引力的過快變化。同樣，當^位于圖示陰影區(qū)域②，使用i^取代U6從而抑制牽引力的急劇變化。表2本發(fā)明實施例的逆變器開關控制表磁鏈矢量空間島島《《沐《《0《"11的的"4"11M13的0Wl"8的"9W3"5Wl201"4"11Wu6Wl的W101/2"900"7的"7MOW7"7"0"7在步驟K4:將上述步驟中得到的Vs、Ft、Ftavg及在線檢測出的直線感應電機7的運行速度v輸入到由式(8)所表述的減小牽引力脈動的控制算法單元2中，得出Um作用時間Td與系統(tǒng)控制周期Ts的比例系數(shù)nt~)化0(7,1)(8)式中，Kv，Kp為增益控制參數(shù)，C。為常量。由式(8)可知，由于比例系數(shù)nt的使用，可使系統(tǒng)控制周期Ts不變的前提下，對一個周期內電壓矢量作用時間進行調節(jié)，根據(jù)伏秒平衡原理，這等同于改變電壓矢量、的幅值，進而通過減小電壓矢量、的幅值進一步減小牽引力波動。式(8)物理意義為右邊第一項表示電壓矢量幅值隨速度提高而增大，即低速使用幅值低的電壓矢量而高速使用幅值高的電壓矢量，這符合U/f保持恒定的電機基本控制規(guī)律。右邊第二項的存在可在牽引力給定突變時加快牽引力調節(jié)速度，而C。則相當于零速時初級電阻的壓降。步驟K5:將由逆變器開關控制表單元4得到的初級電壓矢量um和上一步得到的比例系數(shù)nt輸入到P麗調制單元5中得出逆變器開關控制信號S^。開關控制信號S^的確定過程為如果um為零矢量，則下一個控制周期直接將um作為開關控制信號Sab?？刂颇孀兤鏖_關動作。如果所得到的Um為非零矢量，則通過P麗調制的方法，使得下一個控制周期Ts內，利用Um控制逆變器開關的時間為Td，零矢量控制逆變器開關的時間為L-Td，從而得出S^控制逆變器動作。步驟K6:將S^輸入到逆變器6中，進而完成對直線感應電機7的控制。權利要求一種減小直線感應電機牽引力脈動的控制方法，其特征在于，通過在線檢測逆變器直流母線電壓Udc、上一控制周期的逆變器控制信號Sabc及直線感應電機初級相電流Is，計算得到直線感應電機的實際初級磁鏈ψs、實際牽引力Ft和平均牽引力Ftavg；根據(jù)直線感應電機實際初級磁鏈ψs、實際牽引力Ft、平均牽引力Ftavg及在線檢測得到的直線感應電機運行速度v，采用減小牽引力脈動的控制算法、逆變器開關控制表和PWM調制算法確定逆變器開關信號Sabc，由逆變器開關信號Sabc控制逆變器開關動作，使直線感應電機的實際牽引力Ft和初級磁鏈ψs快速跟蹤牽引力給定值Ft*和初級磁鏈給定值ψs*，在減小牽引力脈動的同時快速調節(jié)電機的運行速度。2.根據(jù)權利要求1所述的減小直線感應電機牽引力脈動的控制方法，其特征在于，所述的平均牽引力Ftavg由下述計算公式得到，式中，F(xiàn)t為實際牽引力，s為頻域作用算子，"c為截止頻率《。^=7^《。3.根據(jù)權利要求1所述的減小直線感應電機牽引力脈動的控制方法，其特征在于，所述的初級磁鏈L的矢量空間e。平均劃分為12個區(qū)域，n=1，2，3....12;所述的逆變器開關控制表中的初級電壓矢量Um共有14個，m二0，1，2....13;其中u。，U7為零矢量，u「Ue為基本電壓矢量，u8-u13為合成電壓矢量。4.根據(jù)權利要求1所述的減小直線感應電機牽引力脈動的控制方法，其特征在于，將計算所得到的直線感應電機實際牽引力Ft、實際初級磁鏈Vs與牽引力給定值F^和初級磁鏈給定值v/進行滯環(huán)比較，將比較結果及初級磁鏈所在矢量空間9n輸入到所述的逆變器開關控制表中，得到初級電壓矢量Um;之后利用下列計算公式所示的減小牽引力脈動的控制算法，計算出初級電壓矢量Um的作用時間Td與系統(tǒng)控制周期Ts的比例系數(shù)nt，其中，Kv，KF為增益控制參數(shù)，C。為常量*=;7(-《"^(巧*-巧。"化0(77,1)將得到的比例系數(shù)nt和um—起輸入到P麗調制單元中，如果um為零矢量，則下一個控制周期直接利用初級電壓矢量Um控制逆變器開關動作；如果所得到的初級電壓矢量Um為非零矢量，則通過P麗調制，使得下一個控制周期Ts內，利用初級電壓矢量um控制逆變器開關的時間為Td，零矢量控制逆變器開關的時間為Ts-Td;進而通過控制逆變器開關對直線感應電機進行控制。全文摘要一種減小直線感應電機牽引力脈動的控制方法，該方法通過在線檢測逆變器直流母線電壓及直線感應電機初級相電流，得到直線感應電機的實際初級磁鏈值、實際牽引力和平均牽引力，同時實時檢測直線感應電機運行速度，并結合減小牽引力脈動的控制算法，逆變器開關控制表和PWM調制算法確定出逆變器開關信號控制逆變器開關動作，從而使直線感應電機的牽引力和初級磁鏈的實際值快速跟蹤給定值。本發(fā)明可實現(xiàn)準確的直線感應電機直接牽引力控制，能夠顯著減小電機的牽引力脈動，并能夠避免邊端效應、參數(shù)變化等對控制性能的影響。文檔編號H02P25/06GK101789750SQ201010034139公開日2010年7月28日申請日期2010年1月15日優(yōu)先權日2010年1月15日發(fā)明者劉育紅,張瑞華,李耀華,杜玉梅,金能強申請人:中國科學院電工研究所