Virtual Speed Sensorless Desired Control Strategy of Maglev Single-sided Linear Induction Motors

单边短初级长次级直线感应电机己普遍应用于低速磁悬浮的驱动系统。由于在动态纵向边端效应影响下等效电路不对称，单边直线感应电机（single-sided linear inductionmotor，SLIM）的一些参数非线性变化。传统的应用于旋转电机的无速度传感器方法不再适用。首先分析了SLIM的M／T轴等效电路，选择次级磁链作为速度观测器状态变量。根据李雅普诺夫系统稳定性判据，推导出适用于SLIM的无速度传感器辨识；然后，采用反馈广义积分观测器控制稳态辨识速度的双幅脉振幅值；引入虚拟期望变量（virtualdesiredvariable，VDV）法，利用估算速度参与SLIM的恒滑差频率矢量控制。仿真与实验对所提控制算法的有效性和实用性进行了验证，所得结论可为磁悬浮的无速度传感器控制提供参考。

Adaptive current compensation with nonlinear disturbance observer for single-sided linear induction motor considering dynamic eddy-effect

An adaptive current compensation control for a single-sided linear induction motor(SLIM) with nonlinear disturbance observer was developed. First, to maintain t-axis secondary component flux constant with consideration of the specially dynamic eddy-effect(DEE) of the SLIM, a instantaneously tracing compensation of m-axis current component was analyzed. Second,adaptive current compensation based on Taylor-discretization algorithm was proposed. Third, an effective kind of nonlinear disturbance observer(NDOB) was employed to estimate and compensate the undesired load vibrations, then the robustness of the control system could be guaranteed. Experimental verification of the feasibility of the proposed method for an SLIM control system was performed, and it showed that the proposed adaptive compensation scheme with NDOB could significantly promote speed dynamical response and minimize speed ripple under the conditions of external load coupled vibrations and unavoidable feedback control variables measured errors, i.e., current and speed.

基于磁荷法双边永磁同步直线电机电磁特性研究

本文采用磁荷法分析了双边长初级、永磁短次级结构的同步直线电机的磁场分布、次级单边磁拉力、双边初级法向力、电磁推力等电磁特性参数,同时采用有限元仿真的方法进行了计算。结果表明,磁荷法的解析结果和有限元仿真结果具有高度的一致性,验证了本文磁荷法计算方法同样适用于双边永磁同步直线电机的电磁特性分析,拓展了磁荷法的应用范围。

注入谐波电流的长初级双边直线感应电机推力波动优化研究

长初级双边直线感应电机(DLIM)的端部效应会引起推力波动,影响电机稳定运行。为降低电机推力波动,采用注入谐波电流方法抑制纵向端部效应引起的两倍滑差频率的推力波动,推导出注入谐波电流后电机气隙磁密和电磁推力的解析表达式。求解出使推力波动分量的合成结果为0时,应注入谐波电流频率、相位、幅值的表达式,并分析注入谐波电流对气隙磁密、推力特性的影响。最后建立长初级双边直线感应电机的有限元模型,仿真计算注入谐波电流的相关参数,分析比较注入谐波电流前后气隙磁密和推力特性,并将仿真结果与解析计算结果对比,二者具有很高的一致性。结果表明注入谐波电流可大幅降低推力波动,为长初级双边直线感应电机推力波动的优化研究提供理论依据。

短初级单边型直线感应电机倒梯形次级结构电磁特性研究

短初级单边型直线感应电机(SSLIM)的格栅型次级结构存在电磁推力小、法向吸力大等问题。为解决这类问题,提出一种倒梯形次级结构,将现有格栅导条矩形结构变为上表面积大而下表面积小的倒梯形结构,利用SSLIM大转差特性及由此产生的集肤效应,提高了次级感应板有效载流体积及气隙磁密。在初级结构不变的条件下,建立了倒梯形次级结构的SSLIM有限元模型,并与传统格栅型结构在稳态、起动、制动等3种运行状态下进行对比分析,验证了倒梯形结构具有电磁推力大、法向吸力小等优点。

长初级双边直线感应电动机分段推力协同控制和测速算法

为提高分段长初级双边直线感应电动机(LP-DSLIM)的推力平稳性,提出一种多变流器驱动的分段推力协同控制策略和测速算法。基于分段LP-DSLIM单元电机数学模型,研究了一台变流器控制一段单元电机的特性,设计了多变流器驱动多段电机的协同控制策略;根据直线电机运动方程和多分段LP-DSLIM推力计算值构造了线性扩张状态观测器(LESO)以观测速度,速度观测值噪声小且无滞后,用于推力协同控制时推力波动小且无推力损失,有效地改善了推力控制效果。仿真和实验验证了推力协同控制策略和LESO测速算法的有效性。

用于双边磁通切换直线电机涡流损耗抑制的永磁体结构优化设计

为降低双边磁通切换直线电机永磁体的涡流损耗,以一台6槽17极双边磁通切换直线电机为研究对象,对其永磁体的结构进行优化设计。首先对稳态工况下永磁体涡流损耗的分布特点进行分析,其次通过理论推导和仿真计算,获得了横向对称分割3块的永磁体结构,最后提出了新型半Halbach永磁体阵列结构,并利用曲线拟合、黄金分割法和抛物线插值法获得了永磁体最优充磁角度。仿真结果表明,所提出的永磁体结构能够在不影响DLFSPM平均电磁推力的前提下,可有效抑制永磁体涡流损耗。

双定子直线感应电机饱和特性分析

基于电磁场理论,提出一种双定子直线感应电机电感饱和特性的理论计算方法。该方法利用简化的多折线来近似实际的铁心磁化曲线,基于该简化磁化曲线,利用磁路法计算了电机的铁心磁阻及气隙磁阻,并将铁心磁阻折算到气隙磁阻中,推导出一种计及铁心磁阻的电机等效饱和气隙表达式,利用该式可方便的计算出电机饱和电感。另外,该文将三维有限元计算和理论解析计算相结合,有效的计及了电机端部线圈对饱和的影响。最后,建立了双定子直线感应电机的耦合饱和模型,并通过实验验证了模型的有效性。

长初级双边直线感应电动机静态纵向边端效应及阻抗矩阵研究

静态纵向边端效应是直线电机铁心和绕组开断所致的固有特性之一,对于多段长初级双边直线感应电动机(double-sided linear induction motor,DLIM),其分段供电方式导致电机铁心长度大于通电绕组长度。针对上述特点,该文从理论分析、数字仿真的角度研究了电机极数及边端铁心对电机静态纵向边端效应的影响机理同时得到了阻抗矩阵规律。研究结果表明,边端铁心的存在对静态纵向边端效应影响很大,且该效应随着边端铁心长度的增加而作用显著,随着极数的增加,该效应作用减弱;电机阻抗矩阵不再是循环对称矩阵,但可以通过测量三相端口电压电流的幅值和相位方便求解。上述规律的正确性通过峰值功率400kW,最大出力14000N的长初级双边直线感应电动机实验系统进行了验证,为电机数学模型的准确描述和参数的精确提取提供了参考。

高速长定子直线感应电动机的建模与仿真

从高速长定子双边直线感应电动机(double-sided line induction motor,DSLIM)的基本原理出发,利用直线电动机的发射曲线和数学模型,采用动子磁场定向的控制原理,在Simulink环境下,建立了电机的数字仿真模型。用该模型分析电机的动态性能,得到了该类型电机的发射曲线以及电机电压、电流、压频比、功率因数、功率效率、能量效率等参数的变化规律,为脉冲供电系统和驱动系统的设计提供了重要的参考依据;利用该类型电机可以实现对大质量物体的发射。仿真结果与基于ANSOFT二维瞬态场计算的结果吻合较好,验证了该模型的正确性。仿真模型具有运算速度快、简单易行等优点。

多定子直线感应电机故障模式下的电流过载特性

为了提高可靠性和安全性,长初级双边直线感应电机可以采用多台初级(N 2)上下并联布置共用一个次级的结构形式。针对多定子直线感应电机,对其数学模型进行了深入研究,并基于耦合参数等效电路模型,详细分析了两定子直线感应电机输出电磁推力与输入相电流及工作转差频率之间的函数关系,得到了其单台定子因故障而退出运行,另一台定子维持输出电磁推力不变时其三相电流的过载规律。利用某两定子双边直线感应电动机原理样机进行实验,实验结果与理论分析吻合,验证了理论分析的正确性。

高速长初级直线感应电动机纵向边端效应研究

长初级双边型直线感应电动机(double-sided linear induction motor,DSLIM)的运行方式和边界条件与短初级DSLIM不同,因而纵向边端效应对电机性能的影响存在较大差异。依据电磁场理论对长初级DSLIM的动态纵向边端效应进行分析,导出了电机的等效电路模型及其修正系数,结果表明该类型电机在高速运行时纵向边端效应并不明显,通过选择合适的次级极数和工作转差率,长初级DSLIM的纵向边端效应将远小于短初级DSLIM。利用MAXWELL3D软件构建了电机的三维有限元分析模型,得到了电机的气隙磁场分布和电磁推力曲线。设计实验用原型样机进行了实验,验证了等效电路模型的有效性和实用性。

新型长定子直线感应电机闭环控制策略

对运动载荷加速度的精确控制是直线运动系统闭环控制的主要目标。该文介绍了一种直线加速用双边长定子直线电机结构,并对其屏蔽层结构的模型进行了等效处理,得到了便于参数测量和系统控制的L型等效电路。设计了直线加速要求的直线电机动子运动轨迹曲线。基于间接矢量控制基本原理和定子电压前馈解耦控制,提出了位置和电流双闭环的系统控制框图。在动子运动的初始阶段,采用适当的预励磁控制,提高了系统动态控制性能,达到了启动时定子电流的平滑控制。在动子运动的高速阶段,对直线电机采用弱磁控制,降低了直线电机对逆变器供电电压的要求。仿真和试验结果验证了系统闭环控制策略的有效性和可行性。

并联双边直线感应电机次级定向控制

双边长初级直线感应电机初级模块并联联接,并由单逆变器供电是一种有效的直线驱动方式。为提高电机整体推力性能,提出一种基于次级整体磁链定向的矢量控制策略。首先,给出并联各直线感应电机模块的动态模型,推导出控制过程中并联电机模块总励磁电流和推力电流的计算方法。在此基础上,依据并联直线感应电机模块运行时各电机的耦合因数和次级的实时速度,进行次级磁场定向,实现并联直线感应电机次级磁场和推力的协同控制。仿真分析和实验结果表明,所提次级磁场定向控制方法能有效克服既有磁场定向控制时的推力波动问题,提高并联电机模块整体推力的平稳性。同时,该方法能提高并联直线感应电机运行时的功率因数,降低所需逆变器的容量。

单边直线感应电机动态最大推力输出的滑差频率优化控制

为了实现单边直线感应电机(single-sided linearinduction motors,SLIMs)的高效动态控制,提出了一种在SLIM运行过程中动态输出最大电磁推力的滑差频率优化控制方法。以SLIM的T型一相等值数学模型为基础,研究了不计及边端效应时,基于恒滑差频率的绝对最大电磁推力控制;为了减缓推力受边端效应影响而衰减的速度,研究了计及边端效应时的相对最大电磁推力变滑差控制策略。结合一台低速磁浮用SLIM,给出了涉及初次级阻抗互感的5个动态参数的离线辨识算法。实验测试表明了所提控制方法的有效性,该方法不仅能细化研究SLIM的电磁推力输出特性,还能为SLIM的滑差优化控制提供参考。

短初级单边直线感应电机新型等效电路

基于直线感应电机一维电磁场分析,考虑直线电机端部效应、初级端部半填充槽、磁路饱和、次级背铁电阻等影响,认为端部效应将影响电机的互感和次级电阻,对此采用系数K′x(s)和C′x(s)、Kr(s)和Cr(s)进行修正,给出计入修正系数的直线电机单相T型等效电路模型。根据功率守恒原则,对电机三相电压、磁链和电流进行派克变换,得到两相同步坐标系下的数学方程和等值电路,其形式与旋转电机相统一,有利于此类电机运行控制的实现。对电机起动点的4个校正系数、互感和次级电阻进行分析计算,并对不同工况下的推力分别进行理论研究和实验测试。测试结果与理论分析吻合较好,表明所得模型可行,具有一定的工程应用价值。

每极分数槽永磁直线电机的槽极数配合研究

每极分数槽永磁直线电机(PM linear motors,PMLMs)采用端部不重叠的集中绕组,具有绕组端部短、铜耗低、推力密度高等优点,在数控机床、半导体加工等领域应用广泛。针对12槽/11极与12槽/10极的两种PMLMs,阐述了每种电机采用单边型或双边型、所有齿绕绕组或交替齿绕绕组的4种可行结构,建立了有限元分析模型,分析了平均推力、推力波动与结构参数之间的关系。此外,还重点分析了双边型结构PMLMs在两侧磁极位置错位时的力性能,提出了基于最小推力波动与推力比值的最佳错位位置。通过详细的对比分析,得到了单边型与双边型每极分数槽PMLMs推力波动与推力比值最小的最佳方案,研究结果为该类电机的优化设计及应用提供了参考依据。

栅格次级双边直线感应电机特性

分析了长初级双边型直线感应电机(DSLIM)无铁心栅格次级中感应涡流稳态特性,推导出直线感应电机栅格次级电阻、漏感计算公式,提出一种考虑次级端部导条电阻和纵向边端效应的栅格次级DSLIM等效电路,利用场路联合方法简化了栅格次级DSLIM有限元分析模型。计算并测试对比了栅格次级和平板次级在同一初级下的堵转特性,验证了等效电路和场路联合两种计算方法的正确性。结果表明,栅格次级能消除直线感应电机的第二类横向边端效应、规范气隙横向磁场、提高电机力功比。

对称电流激励长初级直线感应电机推力波动研究

直线感应电机受纵向边端效应影响,推力将产生波动。该文首先对推力波动产生的原因进行了定性分析,推导出推力存在明显的两倍供电频率和两倍转差频率波动,并指出通过控制初级电流对称,将消除由初级电流负序分量引起两倍供电频率推力波动。从一维电磁场分析出发,对比了初级坐标系和次级坐标系两种推导途径,指出初级坐标系下选取边界条件应注意的问题。基于次级坐标系,推导出对称电流激励下推力的时谐解析表达式,得到了推力各分量的转差特性,指出该文研究的直线电机适宜运行在低转差率状态。最后利用直线加速平台进行试验验证,实验结果和理论计算吻合较好。

单边直线感应电机法向力牵引力解耦控制

单边直线感应电机(single-sided linear induction motor,SLIM)的法向力和牵引力可以通过初级和次级磁链的幅值和夹角表示。通过选择PWM变频器最优电压矢量、改变磁链的瞬态幅值及夹角,可以实现单边直线感应电机法向力和牵引力的解耦控制。由此可以将单边直线感应电机的法向力和牵引力分别用于直线电机车辆的悬浮及牵引控制,实现不设悬浮电磁铁的直线感应电机车辆的悬浮牵引同时运行。实验结果表明,在整个运行期间,悬浮牵引兼用直线电机车辆的悬浮气隙及运行速度均能快速的跟踪给定值,体现了良好的精度和稳定性能。提出的力解耦控制方案得到了较好的验证。