本發(fā)明涉及電動機控制，尤其涉及一種長定子直線電機無速度傳感器控制方法。

背景技術：

1、磁懸浮列車由長定子直線電機驅動，長定子直線電機的控制需要用到電機速度和角度信息，可以通過速度傳感器檢測定子齒槽和軌道的定位標志板來獲得，并通過無線傳輸裝置發(fā)送給地面的控制系統(tǒng)。但列車在高速運行時，固定的無線傳輸間隔中列車位置變化很大，無法保證地面牽引控制系統(tǒng)獲得準確的控制信息，影響列車穩(wěn)定運行，延遲嚴重時可能會造成列車失控。因此，在列車高速運行時需要采用無速度傳感器控制算法，通過電機定子電壓和電流來實時觀測電機速度和角度信息，減小控制信息傳輸延遲，提高列車運行的穩(wěn)定性和安全性。

2、目前研究長定子直線電機無速度傳感器的控制策略很多，包括模型參考自適應觀測器、滑膜觀測器、擴展卡爾曼濾波器、擴展反電動勢觀測器等，研究多集中在中高速區(qū)域，該類方法需要用到電機定子電壓和電流信息，列車低速運行時開關器件的非線性使系統(tǒng)產(chǎn)生很大噪聲誤差，辨識精度降低。此外還有基于高頻注入的方法，此類方法在低速時效果較好，但該類方法在電機運行過程中需要持續(xù)的激勵，降低了逆變器的電壓利用率，并且該類方法信號處理過程復雜，動態(tài)性能較差，因此實際應用中列車低速運行仍采用機械速度傳感器方案。列車在低速運行時采用機械速度傳感器控制，在高速運行時采用無速度傳感器控制，由于存在機械速度傳感器采集數(shù)據(jù)的傳輸延時和無速度傳感器估算數(shù)據(jù)的誤差，兩者之間直接切換時很容易造成電機過流，影響列車穩(wěn)定運行，所以需要采用合適的過渡切換算法，現(xiàn)有技術還鮮有研究。

技術實現(xiàn)思路

1、為克服由于存在機械速度傳感器采集數(shù)據(jù)的傳輸延時和無速度傳感器估算數(shù)據(jù)的誤差，兩者之間直接切換時很容易造成電機過流，影響列車穩(wěn)定運行的技術缺陷，本發(fā)明提供了一種長定子直線電機無速度傳感器控制方法。本發(fā)明所述方法在低速采用機械傳感器和高速采用無速度傳感器之間過渡時提供一種加權平均切換算法。所述方法中，列車低速運行采用機械速度傳感器控制精度高，高速運行采用無速度傳感器避免無線傳輸帶來的控制延時，并實現(xiàn)低速采用機械傳感器和高速采用無速度傳感器之間切換的良好過渡，從而實現(xiàn)對列車在整個運行區(qū)間的穩(wěn)定控制。

2、本發(fā)明提供了一種長定子直線電機無速度傳感器控制方法，步驟為：

3、s1、重構三相定子電壓：

4、由于控制器計算延時、開關器件導通延時等因素影響，控制器的電壓指令可能與長定子直線電機端的電壓存在一定的誤差，為了更準確的測量電機電壓，需要用母線電壓和開關管的占空比計算電機的各相電壓；其中根據(jù)母線電壓udc和三相上橋臂開關管的占空比sabc進行電壓重構時，三相旋轉坐標系下的相電壓ua、ub、uc的計算公式為：

5、

6、s2、電壓與電流變換：

7、無速度傳感器控制算法用到兩相靜止坐標系下的電壓和電流，電機控制中還用到兩相旋轉坐標系下的電流。利用clark變換公式將電壓重構產(chǎn)生的三相旋轉坐標系下的電壓ua、ub、uc轉換成兩相靜止坐標系下的電壓uα、uβ；利用clark變換公式將三相旋轉坐標系下的電流ia、ib轉換成兩相靜止坐標系下的電流iα、iβ；利用park變換公式將兩相靜止坐標系下的電流iα、iβ轉換成兩相旋轉坐標系下的電流id、iq；電壓和電流的clark變換公式及電流的park變換公式分別為：

8、

9、

10、

11、s3、構建擴展反電動勢觀測器：

12、擴展反電動勢項中包含磁鏈信息，采用id＝0控制，并且長定子直線同步電機漏感大，凸極效應不明顯，動態(tài)過程中擴展反電動勢與反電動勢在幅值上略有差別，但在穩(wěn)態(tài)時二者并無差別，因此可以根據(jù)觀測的擴展反電動勢來計算磁鏈；則長定子直線同步電機在αβ坐標系下的數(shù)學模型為：

13、

14、式中，ld、lq為電機直軸和交軸電感；r為定子相繞組電阻，ωr為轉子角速度；e為擴展反電動勢，e＝(ld-lq)(ωrid-piq)+ωrψf；其中，中含有位置信息，將其定義為擴展反電動勢項，則

15、

16、式中，eα和eβ分別為擴展反電動勢e在兩相靜止坐標系α、β軸上的分量；

17、由長定子直線電機在兩相靜止坐標系下的數(shù)學模型得到：

18、

19、式中，uα、uβ為兩相靜止坐標系下的給定電壓，iα、iβ為兩相靜止坐標系下電流的實際值，為兩相靜止坐標系下電流的估算值；uα、uβ、iα、iβ通過測量變換間接得到，它們作為擴展反電動勢觀測器的輸入，擴展反電動勢項無法測量得到，可以將電流的測量值和估算值求差，再經(jīng)過pi調節(jié)器來表示擴展反電動勢的估算值；擴展反電動勢在兩相靜止坐標系上的分量為和和的計算公式為：

20、

21、其中，為電流的估算值，ωrh為無速度傳感器控制算法估算的電機轉速，

22、

23、s4、估算電機轉速和角度：

24、電機轉速和角度估算基于鎖相環(huán)原理，根據(jù)擴展反電動勢的兩個正交分量，提取長定子直線電機的角度信息；跟蹤角度誤差函數(shù)為：

25、

26、當誤差為0時，電機角度估算值θh與電機角度實際值θ近似相等；經(jīng)pi調節(jié)器處理后，得到電機轉子的角速度ωrh；再對轉子角速度進行積分運算得到轉子角度的估算值θh；

27、s5、列車速度和電機角度加權切換：

28、列車低速運行時采用機械傳感器控制，高速運行采用無速度傳感器控制，由于存在機械傳感器采集數(shù)據(jù)的傳輸延時和無速度傳感器估算數(shù)據(jù)的誤差，兩者之間直接切換時很容易造成電機過流，影響系統(tǒng)安全，所以需要因此采取加權平均切換算法；加權平均切換算法包括電機轉速切換和電機角度切換；

29、長定子直線電機全速度范圍內的轉速ωrz可用公式表示為：

30、ωrz＝λωrl+(1-λ)ωrh，

31、相應的全速度范圍內電機角度θz可表示為：

32、θz＝λθl+(1-λ)θh，其中λ的表達式為

33、

34、式中，ωl、ωh分別是低速采用機械速度傳感器控制的電機轉速上限和高速采用無速度傳感器控制的電機轉速下限，ωrz是加權平均切換處理后的電機轉速。

35、本發(fā)明所述方法在長定子直線電機轉速較低時，采用機械速度傳感器采集的電機轉速和角度進行控制；在電機轉速較高時，采用無速度傳感器估算的電機轉速和角度進行控制；并在電機低速采用機械傳感器控制和高速采用無速度傳感器控制切換時提供一種加權平均切換算法，平穩(wěn)切換電機轉速和角度，實現(xiàn)長定子直線電機在全速域范圍內的穩(wěn)定控制。所用的無速度傳感器控制方法基于擴展反電動勢模型估算出兩相擴展反電動勢，再基于鎖相環(huán)原理，提取電機的速度和角度信息，且無速度傳感器控制算法在電機運行過程中始終同步運算。

36、本發(fā)明提供的技術方案與現(xiàn)有技術相比具有如下技術效果：采用本發(fā)明所涉及的適用于磁懸浮列車的長定子直線電機在全速域范圍內的無速度傳感器控制方法，列車低速運行采用機械速度傳感器控制精度高，高速運行采用無速度傳感器避免無線傳輸帶來的控制延時，并實現(xiàn)低速采用機械傳感器和高速采用無速度傳感器之間切換的良好過渡，從而實現(xiàn)對列車在整個運行區(qū)間的穩(wěn)定控制，提高列車運行的穩(wěn)定性及安全性。