本發(fā)明涉及三相直線永磁電機(jī)控制技術(shù)，具體是一種用于三相直線永磁電機(jī)的基于抗飽和(anti-windup)pi控制器和占空比調(diào)制的直接推力控制(dtfc)方法，適用于城市軌道交通等對電機(jī)的穩(wěn)定性和安全性要求高的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市人口也在急速增加，交通堵塞問題日益嚴(yán)重。軌道交通作為新型交通工具受到了越來越多的關(guān)注。直線電機(jī)牽引系統(tǒng)與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，有結(jié)構(gòu)簡單、爬坡能力強(qiáng)、噪聲小、環(huán)境污染低等顯著的優(yōu)勢。目前，直線感應(yīng)電機(jī)已被用于首都國際機(jī)場、廣州地鐵等城市軌道交通系統(tǒng)，但存在效率低、成本高的問題。如圖2所示，直線游標(biāo)永磁(lvpm)電機(jī)是一種新型的初級永磁型直線電機(jī)，其次級導(dǎo)軌僅由導(dǎo)磁材料構(gòu)成，能大大降低施工成本，具有結(jié)構(gòu)簡單、高效率、高推力密度等優(yōu)勢，非常適合長行程和大推力的軌道交通領(lǐng)域。直接轉(zhuǎn)矩控制(dtc)是繼矢量控制之后發(fā)展起來的新一代高性能控制策略，具有動態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)以及無需轉(zhuǎn)子位置信號和復(fù)雜的坐標(biāo)變換等優(yōu)點(diǎn)，后來將其運(yùn)用在直線電機(jī)上，逐漸演化為直接推力控制(dtfc)。傳統(tǒng)dtfc中，速度環(huán)節(jié)一般采用傳統(tǒng)pi控制器來調(diào)節(jié)，控制器的輸出為電機(jī)參考推力給定值。由于受逆變器的容量、電機(jī)最大輸出推力有限等因素的影響，速度控制器的輸出必須受到限幅。當(dāng)速度發(fā)生大的突變時，控制器輸出會受到飽和限制，此時電機(jī)只能輸出預(yù)設(shè)的最大推力，這就會造成積分飽和(windup)現(xiàn)象，起系統(tǒng)超調(diào)量大、穩(wěn)定時間長。傳統(tǒng)dtfc對磁鏈和推力的控制采用滯環(huán)調(diào)節(jié)器，類似于bang-bang控制，一個周期只能作用單一的電壓矢量，存在磁鏈和推力脈動大和逆變器開關(guān)頻率不固定等問題。針對上述傳統(tǒng)dtfc存在的弊端，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。為了改善傳統(tǒng)pi控制器的不足，有學(xué)者通過設(shè)計擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的方法可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，但這些方法參數(shù)變化多，計算復(fù)雜，調(diào)節(jié)困難，不易于工程應(yīng)用。一些學(xué)者設(shè)計抗飽和pi控制器來消除積分飽和現(xiàn)象，抗飽和控制器主要分為條件積分法和反計算法。反計算法設(shè)計簡單，工程上應(yīng)用最多，但反饋增益需反復(fù)調(diào)整，工程應(yīng)用中難以滿足定量設(shè)計的性能要求。為了改善傳統(tǒng)dtfc推力脈動大的問題，有學(xué)者引入多電平逆變器來增加可選電壓空間矢量的數(shù)目，從而達(dá)到較小推力脈動的目的，但此方法導(dǎo)致開關(guān)器件數(shù)量增加，使得系統(tǒng)硬件成本上升，且增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。國內(nèi)有學(xué)者通過引入零電壓矢量來抑制推力脈動，但只能在一定程度抑制推力脈動。還有學(xué)者通過將扇區(qū)細(xì)分，來抑制推力脈動，但其仍然是一種開關(guān)頻率不固定的控制。國外學(xué)者通過引入線性調(diào)節(jié)器可有效抑制推力脈動，但其算法復(fù)雜，且難于工程應(yīng)用，與直接推力運(yùn)算簡單的初衷是相悖的。針對傳統(tǒng)直接推力控制系統(tǒng)速度環(huán)節(jié)存在的非線性飽和和推力脈動大，以及現(xiàn)有直接推力控制算法復(fù)雜等問題，本發(fā)明提出了一種基于抗飽和pi控制器和占空比調(diào)制的新型直線永磁電機(jī)直接推力方法，在保持傳統(tǒng)dtfc結(jié)構(gòu)簡單和動態(tài)性能不變的基礎(chǔ)上，能有效抑制積分飽和現(xiàn)象，減小系統(tǒng)的超調(diào)量，并能有效減小推力脈動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種適用于直線永磁電機(jī)的直接推力控制策略，用以解決直線永磁電機(jī)系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)dtfc存在的非線性飽和和磁鏈、推力脈動大的問題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：在傳統(tǒng)dtfc的基礎(chǔ)上，通過引入抗飽和pi控制和占空比調(diào)制技術(shù)，取代傳統(tǒng)pi控制器，同時通過占空比計算來調(diào)整一個周期內(nèi)有效電壓矢量作用幅值，通過pwm調(diào)制使開關(guān)頻率固定并發(fā)出對稱的pwm波。根據(jù)多次仿真，本發(fā)明在保持傳統(tǒng)dtfc結(jié)構(gòu)簡單和良好動態(tài)性能的基礎(chǔ)上，能有效減小系統(tǒng)的超調(diào)量，并能有效減小系統(tǒng)的推力脈動。一種基于抗飽和pi控制器和占空比調(diào)制的直線永磁電機(jī)直接推力控制方法，包括如下步驟：第一步，三相定子電流ia、ib、ic由電流霍爾傳感器采集后，經(jīng)克拉克3r/2s坐標(biāo)變換后得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量iα、iβ；由電壓采集單元得到的母線電壓udc和逆變器的開關(guān)狀態(tài)sa、sb、sc，分別計算得到三相定子相電壓ua、ub、uc并經(jīng)克拉克3r/2s變換后得到兩相靜止坐標(biāo)下的uα和uβ；第二步，利用磁柵尺獲得三相直線永磁電機(jī)位移s，并由此計算出電機(jī)的實際速度v，與給定速度v*作差經(jīng)過抗飽和pi控制器得到給定參考推力fe*；第三步，通過第一步得到的iα、iβ以及uα和uβ，利用“電壓法”進(jìn)行磁鏈估算，再通過磁鏈分量ψα、ψβ進(jìn)行三角反正切計算得到定子磁鏈位置角θs；在兩相靜止坐標(biāo)系下，利用ψα、ψβ以及iα和iβ計算出本次實時估測的電磁推力fe，具體表達(dá)式為：式中，pn為電機(jī)極對數(shù)，τ為電機(jī)的極距；第四步，利用估算的磁鏈和推力與給定值的差值來計算占空比d；磁鏈和推力的差值和定子磁鏈位置角θs再通過滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出選擇信號給電壓矢量開關(guān)表選擇有效電壓矢量us；第五步，將第四步得到的占空比d和有效電壓矢量us輸入給pwm調(diào)制模塊，發(fā)出開關(guān)頻率固定的pwm波給逆變器，對電機(jī)的推力和磁鏈實現(xiàn)更加穩(wěn)定、更準(zhǔn)確地控制。本發(fā)明具有以下有益效果：1)采用抗飽和pi控制器，保證系統(tǒng)出現(xiàn)飽和時能快速退出積分狀態(tài)，可以有效減小系統(tǒng)超調(diào)量，減小系統(tǒng)的穩(wěn)定時間，提升系統(tǒng)的控制性能；在負(fù)載發(fā)生突變時，速度響應(yīng)受到的擾動小，具有更好的魯棒性提升系統(tǒng)的控制性能。2)采用固定開關(guān)頻率的占空比調(diào)制，通過簡單的占空比計算方法減小對電機(jī)參數(shù)依賴性，降低計算的復(fù)雜性，pwm調(diào)制可以使逆變器的發(fā)波頻率固定，有效減小系統(tǒng)的磁鏈和推力脈動。3)本發(fā)明同樣適用于普通非初級永磁型直線永磁電機(jī)。附圖說明圖1為本發(fā)明的基于抗飽和pi控制器和占空比調(diào)制的dtfc控制框圖；圖2為直線游標(biāo)永磁電機(jī)截面圖；圖3為抗飽和變結(jié)構(gòu)pi控制器結(jié)構(gòu)圖；圖4為傳統(tǒng)占空比dtfc電壓矢量切換圖；圖5為開關(guān)頻率固定的占空比dtfc電壓矢量切換圖；圖6為傳統(tǒng)pi和抗飽和pi速度響應(yīng)仿真對比波形圖；圖7為負(fù)載突變時傳統(tǒng)pi和抗飽和pi速度響應(yīng)仿真對比波形圖；圖8為dtfc仿真對比波形圖；其中，圖8(a)為傳統(tǒng)dtfc,圖8(b)為本發(fā)明的基于抗飽和pi控制器和占空比調(diào)制的dtfc；圖9為負(fù)載突變時本發(fā)明的dtfc推力動態(tài)響應(yīng)仿真波形圖；圖10為負(fù)載突加時本發(fā)明的dtfc推力動態(tài)響應(yīng)局部放大仿真波形圖；圖11為負(fù)載突減時本發(fā)明的dtfc推力動態(tài)響應(yīng)局部放大仿真波形圖。具體實施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。本發(fā)明是基于抗飽和pi控制器和占空比調(diào)制的直線永磁電機(jī)直接推力控制方法，具體的控制框圖，如圖1所示。給定速度v*與實際速度v之差經(jīng)過抗飽和pi控制器得到給定參考推力fe*，估算的磁鏈和推力與給定值的差值用來計算占空比d，再通過滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出選擇信號給電壓矢量開關(guān)表選擇有效電壓矢量us。再把占空比d和有效電壓矢量us輸入給pwm調(diào)制模塊，發(fā)出開關(guān)頻率固定的pwm波給逆變器，對電機(jī)的推力和磁鏈實現(xiàn)更穩(wěn)定、更準(zhǔn)確地控制。圖2為直線游標(biāo)永磁電機(jī)的截面圖。由圖2可知，電機(jī)的初級動子由硅鋼片疊成的永磁體、初級鐵芯和三相電樞繞組組成，永磁體通過組合陣列表嵌在初級齒上。軌道側(cè)的電機(jī)次級僅由帶有凸極的硅鋼片開槽形成齒槽結(jié)構(gòu)，既無永磁體又無繞組，結(jié)構(gòu)簡單。由于電機(jī)次級僅由導(dǎo)磁性材料組成，故具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，易于維護(hù)，非常適合長行程和大推力的軌道交通應(yīng)用領(lǐng)域。具體實施方案包括以下步驟：1、三相定子電流ia、ib、ic由電流霍爾傳感器采集后，經(jīng)克拉克3r/2s坐標(biāo)變換后得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量iα、iβ的表達(dá)式為由電壓采樣單元得到的母線電壓udc和逆變器的開關(guān)狀態(tài)sa、sb、sc，分別計算得到三相定子相電壓ua、ub、uc并經(jīng)克拉克3r/2s變換后得到兩相靜止坐標(biāo)下的uα和uβ的表達(dá)式為2、利用磁柵尺獲得三相直線永磁電機(jī)位移s，并由此計算出電機(jī)的實際速度v(見式3)，與給定速度v*作差經(jīng)過抗飽和pi控制器得到給定參考推力fe*。如圖3所示，為抗飽和pi控制器結(jié)構(gòu)圖。由圖3可知，抗飽和變結(jié)構(gòu)pi控制器通過反饋系數(shù)μ實現(xiàn)積分項的自適應(yīng)調(diào)整，其自適應(yīng)變化律為式中，α為積分反饋時間常數(shù)，滿足α>>b/m；ep＝(upn-ups)；抗飽和pi控制器采用條件積分法和反計算法相結(jié)合的方法，充分利用各自的特點(diǎn)，并將比例和積分項對飽和的影響進(jìn)行分離，充分發(fā)揮比例項的作用，實現(xiàn)更加精確地反饋補(bǔ)償，新型抗飽和pi控制器是在保持傳統(tǒng)pi控制器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，既可以提高系統(tǒng)的控制性能，又易于工程應(yīng)用。3、通過此前計算得到的iα、iβ以及uα和uβ，利用“電壓法”進(jìn)行磁鏈估算的表達(dá)式為式中，rs為定子電阻；ψα、ψβ分別為兩相靜止坐標(biāo)系下的磁鏈分量。通過此前計算得到的磁鏈分量ψα、ψβ進(jìn)行三角反正切計算得到定子磁鏈位置角θs的表達(dá)式為θs＝arctan(ψβ/ψα)(6)在兩相靜止坐標(biāo)系下，利用ψα、ψβ以及iα和iβ計算出本次實時估測的電磁推力fe，具體表達(dá)式為：4、利用估算的磁鏈和推力與給定值的差值來計算占空比d，具體表達(dá)式為式中，fe*(k)、ψs*(k)分別為第k周期電磁推力和定子磁鏈的參考值；fe(k)、ψs(k)分別為第k周期電磁推力和定子磁鏈的估算值；cf、cψ為正常數(shù)。由式(8)計算的占空比，僅需電磁推力和定子磁鏈的偏差值，減少了對電機(jī)自身參數(shù)的依賴性，具有簡單性的特點(diǎn)。一定范圍內(nèi)cf、cψ的取值對系統(tǒng)性能不會產(chǎn)生太大的影響，系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行，只是推力脈動有所不同，故這占空比計算方法具有更好的魯棒性。同時磁鏈和推力的差值和定子磁鏈位置角θs再通過滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出選擇信號給電壓矢量開關(guān)表選擇有效電壓矢量us。如表1所示，為電壓矢量開關(guān)表。其中，φ代表磁鏈的狀態(tài)，φ＝1表示定子磁鏈幅值小于給定值，此時需要增大磁鏈；φ＝0表示定子磁鏈幅值大于給定值，此時需要減小磁鏈。τ代表推力狀態(tài)，τ＝1表示推力小于給定值，需要增大磁鏈；τ＝-1表示推力大于給定值，需要減小推力。表15、將上一步得到的占空比d和有效電壓矢量us輸入給pwm調(diào)制模。如圖4所示，為傳統(tǒng)占空比dtfc矢量切換圖，由圖可知每個控制周期有非零矢量切換為零電壓矢量時只有一相橋臂開關(guān)狀態(tài)改變，開關(guān)次數(shù)恒為一次，但是相鄰兩個控制周期之間由零電壓矢量切換到有效電壓矢量時，逆變器可能會有一相或兩相橋臂開關(guān)狀態(tài)改變，這種占空比調(diào)制方式可以在一定程度上減小開關(guān)頻率，但開關(guān)頻率并不固定。在空間電壓矢量脈寬調(diào)制中，每次開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，只改變其中一相的開關(guān)狀態(tài)，并且對零電壓矢量在時間上進(jìn)行平均分配，以使開關(guān)頻率固定和產(chǎn)生的pwm對稱?；谶@種調(diào)制方式，在占空比dtfc中可以對每控制周期的有效電壓矢量和零電壓矢量的施加順序進(jìn)行調(diào)整，把零電壓矢量u0(000)、u7(111)在時間上進(jìn)行平均分配，分別在每個控制周期的開始、中間和結(jié)尾輸出，從而實現(xiàn)固定的開關(guān)頻率。如圖5所示，以u1(100)為例，采用零電壓矢量平均分配的方式來進(jìn)行pwm調(diào)制。圖5中,tx、ty表示如下：式中，ton＝d·ts。tx、ty構(gòu)成三相pwm調(diào)制的比較值表。6個非零有效電壓矢量發(fā)波的比較值通過在線查表即可獲得。如表2所示，為a、b、c三相的發(fā)波比較值與有效電壓矢量的關(guān)系表。其中，ta、tb、tc分別為a、b、c三相的發(fā)波比較值。表2u1u2u3u4u5u6tatxtxtytytytxtbtytxtxtxtytytctytytytxtxtx6、為了說明本發(fā)明的基于抗飽和pi控制器和占空比調(diào)制的直接推力控制方法，可在保持結(jié)構(gòu)簡單和動態(tài)性能不變的基礎(chǔ)上，有效抑制積分飽和現(xiàn)象，減小系統(tǒng)的超調(diào)量，并能有效減小推力脈動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，現(xiàn)將其與傳統(tǒng)dtfc進(jìn)行仿真對比分析。仿真中所用直線永磁電機(jī)參數(shù)如下：額定電壓un＝270v；額定電流in＝5a；直軸電感l(wèi)d＝84.9mh；交軸電感l(wèi)q＝89.3mh；極距τ＝0.0147m；極對數(shù)pn＝2；定子電阻rs＝1.25ω；永磁體磁鏈ψf＝0.12wb；電機(jī)初級質(zhì)量m＝32kg；粘滯摩擦系數(shù)b＝0.1n·s/m。仿真中電機(jī)空載起動，采樣周期為50μs，給定參考定子磁鏈ψs*為0.2wb，cf取值為7、cψ取值為0.1。pi控制器中kp取值為30，ki取值為25，新型抗飽和pi控制器中積分反饋時間常數(shù)α取1。圖6是傳統(tǒng)pi和抗飽和pi速度響應(yīng)仿真對比波形，在0s時給定速度0.2m/s，在0.2s時速度階躍增加到0.4m/s，在0.4s時速度階躍減小到0.2m/s。當(dāng)給定速度為0.2m/s時，傳統(tǒng)pi控制器的速度響應(yīng)的超調(diào)量約為14％，調(diào)節(jié)時間約0.10s；新型抗飽和pi控制器速度響應(yīng)幾乎無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間約0.05s。在0.2s速度階躍到0.4m/s時，傳統(tǒng)pi控制器有一定的超調(diào)，而抗飽和pi控制器速度響應(yīng)幾乎無超調(diào)，故新型抗飽和pi控制器可以有效抑制飽和現(xiàn)象，減小系統(tǒng)超調(diào)量，提高系統(tǒng)的控制性能。圖7是負(fù)載突變時傳統(tǒng)pi和抗飽和pi速度響應(yīng)仿真對比波形。由圖可知，在0.2s時由空載突加120n的負(fù)載阻力，在0.4s時負(fù)載阻力從120n突減到空載。從圖中看出，新型抗飽和pi控制器的速度響應(yīng)比傳統(tǒng)pi控制器受到的負(fù)載擾動小，具有更好的魯棒性。圖8是傳統(tǒng)dtfc和本發(fā)明的dtfc電流、磁鏈和推力仿真對比波形?？梢钥闯?，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，本發(fā)明的dtfc的定子電流正弦度較好，與傳統(tǒng)dtfc相比，定子電流的畸變和脈動得到明顯改善。由于在占空比計算中考慮了對磁鏈的控制，本發(fā)明的dtfc的磁鏈脈動比傳統(tǒng)dtfc有明顯的減小。傳統(tǒng)dtfc的推力脈動約為10n；本發(fā)明的dtfc的推力脈動約為4n。顯然，本發(fā)明的dtfc能有效減小推力脈動，提升dtfc系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。負(fù)載突變時本發(fā)明的dtfc推力動態(tài)響應(yīng)仿真波形，如圖9、圖10和圖11所示。由圖10可知，在0.5s時負(fù)載阻力由0n突加到50n響應(yīng)時間為1.2ms；由圖11可知，在0.8s時負(fù)載阻力由50n突減到0n響應(yīng)時間為1.1ms。故本發(fā)明的dtfc在改善系統(tǒng)控制性能的基礎(chǔ)上保持了傳統(tǒng)dtfc較好的動態(tài)性能。從以上所述可以得知，本發(fā)明提出的基于抗飽和pi控制器和占空比調(diào)制的直接推力控制方法，相比與傳統(tǒng)dtfc，可在保持其結(jié)構(gòu)簡單和動態(tài)性能不變的基礎(chǔ)上，有效抑制積分飽和現(xiàn)象，減小系統(tǒng)的超調(diào)量，并能有效減小推力脈動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。應(yīng)理解上述施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。當(dāng)前第1頁12