基于谐波注入分段供电永磁直线同步电机变流器开路推力波动抑制

该文提出一种电流谐波注入的方法,减小长定子分段并联供电永磁直线同步电机系统的驱动变流器发生单相开路故障下电机推力波动。首先,根据动子在定子段的位置,推导出分段单元电机的电压方程,得到各个单元电机的推力表达式和系统总推力。然后,依据变流器单相开路前后的全耦合状态下单元电机基波磁动势不变的原则,构造降阶坐标变换矩阵,得到电机的电压方程和推力表达式。采用注入谐波电流、优化故障后直线电机的输出推力的方式,消除变流器单相开路故障产生的4次和6次推力谐波并消除耦合因数变化对电机推力影响;通过多变流器协同控制多单元电机,有效降低变流器单相开路故障后的推力波动,提高电机的最大输出推力。仿真和实验验证该方法的有效性。

开绕组永磁同步电机最小铜耗控制策略研究

开绕组永磁同步电机由两组逆变器驱动,具有大功率、大扭矩的特点,应用于电动汽车。由于能耗对电动汽车极其重要,因此对降低开绕组永磁同步电机铜耗进行了研究,提出基于该系统的变解耦角度调制策略。该策略以两组逆变器输出电压矢量之间的夹角(解耦角)为控制变量,利用树种优化算法根据电机不同负载状态选择最佳解耦角,以减少开绕组永磁同步电机铜耗。通过仿真验证,在轻载工况下,可减少25%的铜耗,证明了该策略的优越性,为控制电动汽车运行损耗提供了理论支撑。

基于补偿绕组的永磁直线同步电机推力波动研究

为抑制永磁直线同步电机的推力波动,提出了一种引入补偿绕组的永磁直线同步电机,具有推力波动低、推力损失小等特点。首先,以12槽14极永磁直线同步电机为对象,优化端部齿参数降低了定位力基波幅值;其次,采用端部力补偿绕组削弱了定位力的二次谐波;再次,采用相补偿绕组较大程度上平衡了三相反电动势。有限元仿真结果显示,在额定负载条件下,引入补偿绕组的结构的推力波动率与优化前相比下降了28.51%,且推力保持不变,验证了其有效性。

梯形Halbach交替极无铁心永磁同步直线电机特性分析与优化设计

针对无铁心永磁同步直线电机(PMLSM)存在推力波动问题以及磁极结构对永磁体利用率的影响,从结构方面着手,提出一种梯形Halbach交替极磁极结构的无铁心永磁同步直线电机,对Halbach阵列进行优化设计。首先通过有限元法对比在Halbach交替极、双层Halbach磁极与梯形Halbach交替极3种磁极结构中PMLSM的电磁性能,分别对气隙磁场谐波成分、空载反电动势、电磁推力以及推力体积比进行计算与对比。其次,采用等效磁化强度法定性分析磁极结构对电机出力性能的影响,并引入Kriging模型,结合多目标优化算法对关键参数进行优化以提高电机平均推力和推力体积比,降低推力波动,得到3个优化目标的Pareto前沿。最后,通过仿真分析验证设计方法的有效性以及电机性能的改善。结果表明:梯形Halbach交替极磁极结构永磁体利用率更高,具有实用价值;梯形Halbach交替极PMLSM能够有效抑制推力波动并保持在7%左右,适用于高精确度加工设备。

永磁同步发电机匝间短路故障对绕组绝缘温升特性的影响

本文分析了永磁同步发电机匝间短路故障前后的绕组绝缘温升特性。首先推导了正常情况和匝间短路故障下的气隙磁通密度,相电流、铁心损耗和绕组铜耗解析表达式;然后建立了发电机三维有限元仿真模型,将电磁场中计算得到的各类损耗作为热源导入温度场计算绕组绝缘温度分布;最后实测了LR-5型故障模拟永磁同步发电机组在不同短路程度下的绕组绝缘温度,理论分析、仿真计算与实验结果相互吻合。结果表明:匝间短路故障后在故障绕组电流的作用下,绕组绝缘温度明显上升,并且随着短路程度的增加而加剧,由绕组绝缘热载荷分布不均而引起的变形、应变和应力也将增加;绕组鼻端处绝缘易因高温而受损,可通过改进冷却散热结构,或在鼻端绝缘局部涂覆耐热涂层提高鼻端绝缘的可靠性。

不同相移角度绕组对双三相永磁同步电机电磁性能的影响分析

由于双三相永磁同步电机两套三相绕组之间可采用不同相移角度,以一台24槽22极双三相永磁同步电机为例,分析了相移角度对电机性能的影响规律.首先,基于各槽绕组磁动势间的相位关系,推导了在采用单层绕组和双层绕组时,两套三相绕组之间可行的空间相移角度,即0°、15°和30°,并对比分析了不同空间相移角度绕组产生的电枢磁动势频谱;然后,结合电枢磁动势谐波和电机电磁性能之间的关系,通过有限元仿真,验证了0°、15°和30°相移角度的绕组拓扑对不平衡磁拉力、反电势、平均转矩和转矩脉动等电磁性能的影响规律;最后,制作了2台单层和双层空间相移30°绕组的样机,并通过实验验证了理论和有限元仿真分析的正确性.结果表明:空间相移0°存在明显的不平衡磁拉力;空间相移30°电机平均转矩最大,转矩脉动最小.

永磁直线同步电机改进预测电流控制

永磁直线同步电机(PMLSM)预测电流控制(PCC)时存在易受参数变化和延迟以及负载扰动影响,为此提出基于二阶超螺旋滑模观测器(STSMO)的改进型PCC。首先,建立包含不确定性的PMLSM动态数学模型。然后,为了补偿参数变化以及延迟的影响,采用二阶STSMO估计下一周期的电流和参数变化造成的扰动电压,估计值用以计算下一周期的给定电压,以提高电流跟踪精确度,通过李雅普诺夫函数证明观测器的稳定性。同时,采用基于改进指数趋近律的自适应滑模控制器(ASMC)对速度进行跟踪,将状态变量和滑模面加入到指数趋近律中,不仅削弱了电流抖振,且进一步提升了系统的鲁棒性。半实物仿真实验结果表明,与传统PCC相比,提出方法能有效地抑制不确定性对系统影响,使系统具有更好的跟踪性能和鲁棒性。

基于扩张状态观测器的永磁直线同步电机改进模型预测电流控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)模型预测电流控制(MPCC)中存在的电流脉动过大、在线计算复杂的问题,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的改进MPCC策略。利用最优电压矢量相角和重新划分后的电压矢量扇区,改进第一电压矢量的选取方式,减小第二电压矢量选择范围,以实现电压矢量的快速选取,进而降低电流脉动。同时,为了提高PMLSM抗负载扰动能力,通过ESO对扰动进行观测,将观测到的扰动转换为电流进行补偿,提高系统的鲁棒性,且补偿电流可起到进一步减小电流脉动的作用。仿真结果表明,所提出的控制方法切实可行,与MPCC相比,基于ESO的改进MPCC系统具有更好的控制性能、更小的电流脉动和较强的鲁棒性能。

永磁同步直线电机的矢量控制

由于旋转电机加滚珠丝杠的传统机械结构加入了中间传动环节,无法进一步提升使用性能,研究了永磁同步直线电动机矢量控制算法.针对永磁同步直线电动机开展矢量控制算法分析以及验证工作,在矢量控制系统框架下进行了硬件搭建与软件设计,搭建了永磁同步直线电机矢量控制验证平台,测试核心算法,经过试验,设计的软/硬件能够对永磁同步直线电机进行有效控制,有较好的鲁棒性.

复杂工况下的永磁同步电机典型绕组故障在线诊断

绕组故障作为永磁同步电机常见的故障之一,严重影响电机正常运行。但由于电机运行工况复杂,故障特征波动严重,基于故障特征的诊断精度较低。为提高复杂工况下绕组故障的诊断精度,该文提出一种复杂工况下基于控制器信号的在线诊断方法。首先,对典型绕组故障进行故障机理分析,并通过基于自适应随机窗的快速傅里叶变换(FFT),提取控制器信号的相应故障特征;其次,通过研究单一工况和复杂工况下的各故障特征分布,揭示部分故障特征会在低转速工况下失效;再次,定义了复杂工况下故障特征性能指标,用于筛选故障特征;最后,在人工神经网络的基础上,提出了深度优化人工神经网络,引入批量归一化(BN)算法,并对深度网络结构残差化,提高网络泛化能力和诊断准确性。实验结果表明,通过计算故障特征性能指标,能够在诊断前对故障特征进行有效筛选,且深度优化人工神经网络的诊断准确性高、泛化能力强,在复杂工况下能够实现电机典型绕组故障的精确在线诊断。

模块化永磁直线同步电机考虑制造公差的推力鲁棒性优化

模块化永磁直线同步电机(MPMLSM)具有效率与推力密度高、可靠性和可加工性好等优点,非常适用于长行程运输系统;缺点是批量生产中性能易受到加工公差的影响。针对这一问题,该文提出了一种考虑制造公差的综合多目标鲁棒优化设计方法。首先,基于六西格玛设计方法建立了鲁棒优化模型;其次,采用拉丁超立方采样方法在尺寸公差范围内根据正态分布规律进行抽样,模拟大规模生产时电机尺寸受公差影响可能会出现的各种变化;再次,在尺寸优化范围内均匀抽样构成足够的训练样本,由有限元软件仿真这些抽样方案的推力性能,并基于反向传播神经网络建立电机设计代理模型;然后,应用该代理模型对拉丁超立方采样得到的样本进行电机性能的计算,求解样本整体对应的各优化目标的均值与方差,进而计算多目标优化的适应度;最后,采用非支配排序遗传算法Ⅱ进行全局优化,得到鲁棒优化方案,与不考虑公差的确定性优化方案相比,验证了该方法的有效性。鲁棒优化方案虽然略微增加了电机体积和推力波动,但是其失效概率低,受公差影响小,更加符合产品批量生产过程中的质量要求。

分段式双三相永磁直线同步电机的无模型电流预测控制

分段式结构的双三相永磁直线同步电机(PMLSM),动子穿入和穿出定子分段时,传统的无差拍预测电流控制(DPCC)易受反电动势动态扰动的影响,无法实现精确的电流跟踪和推力控制。同时,该电机模型的参数失配会增大DPCC电流和推力控制的难度。针对以上问题,该文提出了一种基于无模型电流预测控制(MFPCC)的电流控制策略。首先,构建了分段式双三相PMLSM的超局部模型。其次,基于该超局部模型设计了预测电流控制器,并设计扰动观测器以补偿反电动势动态扰动和参数失配的影响。最后,实验验证了所提MFPCC能够抑制分段式双三相PMLSM的反电动势和参数失配的扰动,有效提升参数鲁棒性、电流跟踪性能并降低推力波动。

基于有限时间状态观测器的永磁同步直线电机递归终端滑模控制

针对载荷变化、非线性摩擦、推力波动和外部扰动等不确定性降低永磁同步直线电机位置跟踪性能的问题,提出一种基于有限时间状态观测器的递归终端滑模控制方法。首先,建立考虑有界集总不确定性的直线电机动力学模型。其次,设计快速终端滑模函数和积分滑模函数的递归结构,强制系统直接从滑模面启动,减少了跟踪误差的收敛时间。然后,引入有限时间状态观测器实时估计集总不确定性并前馈补偿到控制率中,提高系统的鲁棒性和减少抖振。接着,利用李雅普诺夫理论分析闭环控制器的稳定性和有限时间收敛性。最后,搭建基于半实物AD5435的实验平台,实验结果验证了所提方法的可行性和优越性。

基于传动模型重构的永磁同步直线电机机械参数辨识

针对永磁同步直线电机(permanent magnet synchronous linear motor,PMSLM)机械参数辨识中存在模型不准确、辨识参数耦合、辨识精度低等问题,该文提出一种基于传动模型重构的机械参数辨识算法。首先,根据重构模型建立扩张状态观测器得到动子质量和摩擦力、电磁推力、质量辨识初值的耦合信息;其次,为消除这种耦合,提出一种两级式的动子质量解耦辨识策略。再次,根据PMSLM的摩擦特性,构造一种综合考虑速度和加速度影响的摩擦力模型,更精确地描述真实摩擦力。最后,搭建基于机械参数辨识算法的控制系统,通过仿真和实验验证,证明所提辨识算法的有效性。

基于混合自适应扩展卡尔曼滤波的永磁同步直线电机等效机械参数辨识策略

针对机械参数辨识精度受推力系数波动影响而降低的问题,提出等效机械参数模型,将推力系数与待辨识参数相结合,并推导该模型在控制器调谐和前馈补偿上与传统模型的等效性。为了进一步实现等效机械参数在线辨识,构建基于混合自适应扩展卡尔曼滤波的辨识器。混合自适应扩展卡尔曼滤波在系统噪声矩阵和渐消因子中加入自适应机制,能够估计系统噪声,并在负载突变时快速收敛。通过对系统可观性和矩阵正定性的推导,证明算法的稳定性。最后,在一台永磁同步直线电机上进行实验,验证所提算法的有效性及其在PWM周期为32 kHz和10 kHz时在线运行的可行性。

基于SOGI高频方波电压注入的永磁直线同步电机无感控制

针对永磁直线同步电机的无感控制技术,为了解决传统高频方波注入法无法准确定位转子位置和转速的问题,提出了基于SOGI高频方波电压注入的无感方法。与传统的高频方波电压注入法不同,为了得到更好的高频电流信号,采用二阶广义积分器提取响应高频电流信号,采用正交锁相环解决反正切函数没有反馈直接放大噪声的影响。为证明无感控制技术的有效性,用Simulink进行了仿真验证。结果表明,基于SOGI高频方波电压注入的无感方法大大降低了误差,缩短了调节时间,提升了响应时间。

环形和分布绕组永磁游标直线电机性能对比分析

针对分布绕组永磁游标直线电机端部重叠导致端部过长、质量过重、电机效率过低的问题,提出一种环形绕组永磁游标直线电机。首先,介绍了永磁游标直线电机的工作原理和基本结构;然后,基于有限元分析,将环形绕组永磁游标直线电机的平均推力、推重比、效率、功率因数等性能与分布绕组永磁游标直线电机进行比较;结果表明,相较于分布绕组,环形绕组永磁游标电机的绕组长度缩短了18.7%,端部漏抗降低了41.5%、推重比提高了19%,电机效率提高了4.2%,同时减少了电机铜耗与体积,更具有工程应用价值。

双三相永磁同步电机绕组开路故障诊断方法

为了实现对双三相永磁同步电机绕组开路故障的快速诊断与定位,利用双三相永磁同步电机所特有的谐波子平面,提出采用谐波子平面电流矢量并结合归一化处理方案的双三相永磁同步电机绕组开路故障诊断策略。首先,根据故障前后谐波子平面电流矢量幅值大小的变化进行绕组开路故障的检测,其次,依据绕组开路故障后不同的电流矢量相角,准确定位出发生开路故障的绕组。为消除负载发生突变时可能造成的误诊断现象,进一步设计了针对谐波子平面电流矢量的归一化处理方案,提升对双三相永磁同步电机绕组开路故障诊断的鲁棒性。仿真和实验结果表明,所提策略能够快速地诊断并定位出绕组的开路故障,在负载发生突变时也可以表现出良好的可靠性和鲁棒性。

无源多动子永磁同步直线电机定位方法研究

为实现永磁同步直线电机系统中对多个无源动子的绝对定位,设计了基于双磁道的短磁栅、长传感器定位方案。双磁道包括增量式磁道和绝对式磁道,每个磁道中的短磁栅为永磁体阵列,长传感器内霍尔阵列由线性霍尔芯片组成,且长传感器包含多个线性霍尔阵列。其中,增量式磁道采用区间查表方式计算位移增量,绝对式磁道采用连续位移编码方式识别绝对偏移量。定子传感器数字信号输出的霍尔芯片阵列与主控MCU之间通过总线方式连接,且信号处理和传输均在MCU中进行,简化了硬件电路。结果表明,无源多动子绝对位置传感器具有不同应用场景便于移植的特点,使无源动子的定位更灵活。

电磁发射用永磁同步直线电机磁场解析及推力波动优化

针对电磁发射用永磁同步直线电机的磁场解析及推力波动优化问题,建立单边发射电机磁场解析模型,利用矢量磁位及边界条件,分别对次级Halbach永磁阵列及初级六相绕组磁场进行解析,得到气隙磁场分布,进而建立单边发射电机主要结构参数与电磁推力间的函数关系。选取永磁阵列极弧系数及厚度、初级绕组宽度及厚度4个参数作为优化变量,利用遗传算法寻找设计变量的最优组合,使发射电机单边电磁推力波动最小化。分析结果表明:磁场解析结果精度较高,电磁推力计算误差满足工程分析的需要;优化后的单边发射电机平均推力提升1.21%,峰均力比下降62.688%,通过解析及仿真结果的对比验证了理论推导的正确性及优化方法的合理性。