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直线感应电动机控制方法概述

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:5087


 摘要:直线感应电动机是一种应用越来越广泛的特殊电机,文章论述了该种电机控制的国内外研究现状。

1前言

   直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的动力源。在许多传统的由旋转运动变成直线运动的场合使用直线电动机可以省去转换机构,简化设备,提高运行可靠性和运行效率。随着直线电动机理论和设计技术的不断成熟以及直线电动机品种的不断增加。它在工业、交通、国防及民用等领域得到了越来越广泛的应用。

   在种类繁多的直线电动机中,直线感应电动机(以下简称LM)的应用最广,电动机功率覆盖的范围最宽,故它是较重要的一种直线电动机。目前直线感应电动机在交通领域如磁悬浮列车和地铁,在浮法锡槽中的玻璃成型、物料传送、保安门、电梯、导弹发射等方面得到了广泛的应用。

   尽管直线感应电动机应用广泛,但由于这种电机结构的特殊性,对其准确控制较普通感应电动机要复杂得多。本文对直线感应电动机控制的国内外研究情况进行概述。

2 LIM控制方法

2.1基于位置速度闭环的PID控制方法

   PID控制是一种简单而实用的控制方法,是目前工程技术人员广泛使用的一种控制技术。通常PID控制中,检测LIM的位移或者速度,与理想值相比较,计算偏差e,然后根据e的数值采取PID控制策略,基本PID控制框图如图1所示:

    图1 LIM的PID控制基本框图

   文献[2]中Pritschow等人在直线电动机进给系统中采用了P位置控制和P/PI速度控制。但是,直线电动机存在边端效应,模型为复杂的非线性模型,单纯的PID控制往往达不到好的控制效果。故一些学者尝试将PID控制和现代控制方法相结合,以提高控制系统的白适应性、鲁棒性和智能化。文献[1]对直线电动机驱动带式高速包刷分拣系统采用PID控制和模糊控制两种情况进行了比较,指出在控制精度要求更高情况下,采用模糊控制将会更适合。文献[3]考虑到边缘效应和涡流效应,总结了基于矢量控制的LIM建模方法,提出了PID控制与现代控制理论相结合的改进控制技术:①与往复控制方法结合,②模糊PID控制,③基于回路成型H。方法的鲁棒PID控制。文献[4]将PID控制器与Smith预估计器结合,可以对控制对象的时间滞后进行补偿,有效克服了纯滞后对控制系统稳定性的影响。近年来,随着现代控制技术的发展,自适应控制、模糊控制、神经网络控制等控制方法被引入LIM的驱动控制中。F.J.lin等人将自适应控制方法应用于直线电动机驱动的往复定位系统中,试验证明采用此控制方法对于电机参数变化外界力干扰、摩擦力变化等都具有较好的鲁棒性。之后,F.J.lin等人又将滑模控制器与自适应方法结合起来,通过滑模观测器产生控制器所需反馈信息。R.J.Wai等人将神经网络控制方法应用于直线电动机控制中,用递归神经网络辨识器(RNNI)辨识电机控制变量,用BP算法对辨识器进行在线训练。与滑模观测方法相比较,神经网络辨识器具有更高的辨识精度,且参数跟踪误差具有很好的收敛性。H.Amirkhani等人用模糊控制器对LM进行控制,与普通的PID控制相比,特别是在低频段,模糊PID控制具有更好的频率响应。

2.2 LIM的矢量控制

   PID控制结构简单,能达到一定的控制要求,因而在工业上得到了广泛应用,然而现代生产对控制系统动静态性能不断提出了更高的要求。PID控制方法是从直线电动机的稳态等效电路和稳态推力公式出发推导出的稳态值控制,没有考虑过渡过程,因此在系统设计时存在许多假设,得出的是近似传递函数,这与实际状况有较大误差,系统在稳定性、起动及低速时推力动态响应等方面的性能尚不能令人满意。矢量控制考虑到感应电动机是一个多变量、强耦合的参数系统,对电流进行解耦后分别控制励磁电流和转矩电流,使感应电动机象直流电动机一样具有较高的控制性能。旋转感应电动机的矢量控制经过多年的发展,已经成为比较成熟的技术。LIM的矢量控制原理上与旋转感应电动机相同,但是由于LIM结构的特殊性,其内部耦合关系更为复杂,因此LIM的矢量控制难度更大,尚处于探索阶段。

   矢量控制较为常用的是转差频率矢量控制和直接转子磁场矢量控制。

   转差频率矢量控制仅考虑磁通的稳态方程,采用开环磁通控制,且不需要进行繁琐的坐标变换,运算和控制较简单,在基频下得到较多的应用。日本学者Yasumasa Ogino采用转差频率矢量控制方法对LIM进行控制,实现了推力35 kg,速度0.3 m/min下的超低速电机速度控制。在阶跃负载和阶跃速度指令下,得到了精确的响应,这对于旋转电机是很难实现的。控制系统结构如图2所示:

   图2 LIM转差频率矢量控制系统框图

   直接转子磁场矢量控制将磁通和转矩完全解耦,分别对励磁电流和转矩电流进行控制。文献[10]在考虑动态纵向边端效应影响的基础上,基于旋转感应电动机等效电路观点,建立了按磁场定向的LM矢量控制系统模型,并进行了仿真。Sung Jh等人在考虑了边缘效应的LIM模型基础上,实现了LIM的直接转子磁场矢量控制,控制系统框图如图所示。

   图3LIM直接转子磁场矢量控制系统框图

   系统包括磁通闭环控制,控制的精度依赖于转子磁通观测的精度,而磁通受电机参数的影响很大。研究表明,旋转感应电机转子阻抗由于温升引起的变化可能导致控制不稳定;而LIM由于气隙较大,散热能力比旋转电机强,因此电机的参数受温度影响小,对其进行矢量控制比旋转电机有更好的性能,但是这种控制策略本质上还是依赖于电机的参数。除了需要确定磁链之外,又要考虑直线电机运行过程中结构参数变化的影响,因此系统趋于复杂,实用化比较困难。

2.3 LIM的直接力与磁通控制

   直线电动机的直接力控制,是直接在定子坐标系下计算与控制电机的推力,用空间矢量调制方法产生PWM信号,直接对逆变器的开关状态进行最佳控制,以获得推力的高动态性能。直接力控制具有推力响应快,不受电机参数变化影响等优点,这对于模型不能完全确定的直线电机尤为适用。直接力控制的基本控制框图如图4所示:

    图4 LIM直接力控制系统框图

   在直接力控制中,电机的实际值推力F、速度λ是未知的,而且很难直接测量,因此要对这两个值进行观测和估计,F、λ观测计算的精度直接影响控制的精度。现有的方法有电压模型观测法、电流模型观测法、龙贝格状态观测法等。电压模型法是最简单的磁通观测方法,实际上就是利用初级电压方程,通过积分计算得到磁通,这种方法在转速很低时计算误差大。电流模型法依赖于电机参数,并利用次极的电压方程计算磁通,因此,电机参数变化对磁通估算有很大的影响。Robelto等人用直接力控制方法成功地对双边型llM进行了控制,并用扩展的卡尔曼滤波(EKF)观测器估计磁通。V.Delli.Colli等人提出用降阶的龙贝格状态观测器观测磁通,并将其用于3 kW的LIM直接力控制系统中,在高频时得到了非常好的推力响应曲线,但在低频时推力响应不够理想,这是因为LIM低频时产生的推力脉动较大造成的。

2.4 LIM的无速度传感器控制

   近年来,感应电动机的无速度传感器控制技术引起了人们的广泛关注,成为交流传动的一个热点问题。国外从20世纪70年代就开始了这方面的研究,至今应用于旋转感应电动机的无速度传感器控制技术已经比较成熟,相关的应用产品也已经诞生。但是,有关LIM无速度传感器控制技术的研究还非常少,Hyung—Min Ryu等学者采用不依赖电机的参数和运行状况的高频注入速度估计方法,实现了LIM无速度传感器推力控制,并通过试验证明在低频段这种方法具有较高的速度观测精度,从而为LIM无速度传感器极低速下的应用提供了新的思路,但仍处于试验研究阶段,离实际应用还有距离。

3控制方法特点比较

   上面我们综述了直线感应电动机的几种主要控制方法,这些方法各有特点,主要体现在:

   (1)转速闭环PlD控制是最简单、最常用、最容易实现的一种控制方法,基本上能够解决电机的平滑调速问题,但是它基于系统的稳态值控制电机,所以稳定性、起动和低速时及转矩动态相应等方面的性能都不尽如人意。

   (2)矢量控制是把初级电流中的励磁电流分量和转矩电流分量变成标量,独立开来分别控制,使直线感应电机象直流电机一样进行快速的力矩和磁通控制。其中,直接转子磁场矢量控制达到系统的完全解耦,理论上具有最佳的控制性能,但实际中,由于受转子时间常数的影响较大,而且两次解耦系统过于复杂,很难实现。转差频率矢量控制,结构较为简单,同时这种方法可以使电机低速稳定运行,因而在许多接近零速运行的系统中具有很强的优势,但是,这种方法也是基于矢量方程,故系统性能同样受转子参数影响。

   (3)直接力控制省掉了复杂的矢量坐标变换,直接从电机产生的力人手,响应迅速,控制结构简单,同时控制性能受参数变化影响小。此方法在高速时具有很好的控制性能,但低速时由于受转矩脉动的影响,控制效果不理想。

   (4)无速度传感器控制省去了复杂、昂贵的转速检测器件,是一种新颖的控制方法,节省费用,具有广阔的发展前景。

4结语

   概括地说,虽然直线电动机以普通感应电动机理论为其设计基础,但是由于电机结构的特殊性,对其控制与普通感应电机是不一样的。尤其当该种电机用于牵引时,必须综合考虑牵引力和法向作用力,对此在电机控制方面发表的论文廖廖无几;所提出的控制策略基本上是采用开环控制,且基本沿用了旋转电机的方法,仅在考虑直线电动机模型的前提下进行了一些改进和校正。对于闭环控制的研究尚处于起步阶段,对于同时考虑法向力影响情况下的

牵引控制尚处于空白状态。

   国内对于LIM的研究较国外要滞后,目前仍处于应用领域的探索、设计制造及特性分析阶段,少数学者做了PID控制方法的研究,而直线感应电动机的矢量控制、速度观测、参数辨识等方面的研究还很少。随着LIM的应用日益广泛,如磁悬浮列车、地铁、电梯和直线发射方面的应用,对该种电机控制的研究越来越重要,也必将受到广大学者的进一步重视。

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