横向磁场直线开关磁阻电机及其控制系统

横向磁场直线开关磁阻电机及其控制系统

葛宝明1，赵楠1，Aníbal T. de Almeida2，Fernando J. T. E. Ferreira2

(1．北京交通大学电气工程学院，北京市海淀区100044；

2．科英布拉大学电气工程系，葡萄牙科英布拉市3030)

摘要：研究了基于横向磁场直线开关磁阻电机(TFLSRM)、全数字控制器与新型位置传感器的直线电机驱动系统，建立了TFLSRM 数学模型。新型位置传感器利用了TFLSRM次极边极形，无需在次极安装任何元件，改善了系统可靠性。为改善系统性能，在电流环进行了从牵引力到平均电流的非线性转换，在速度环采用离散时间趋近率控制。基于DSP设计了控制器，测试了新型位置传感器与所提驱动系统的动、静态性能。实验结果验证了新型位置传感器与TFLSRM驱动系统的优良性能。

关键词：数字控制、直线开关磁阻电机、位置传感器、横向磁场电机

0 引言

近年来，开关磁阻电动机（SRM）获得了的广泛关注，但无数的有关建模、分析和旋转开关磁阻电机的控制文章已经被发表。虽然有许多的文献介绍纵向磁通型线性开关磁阻电机，但是很少有文献是介绍横向磁通型线性开关磁阻电机。横向磁通开关磁阻电机线性（TFLSRM）利用了垂直于运动的方向和电流流动的方向的磁回路，其结果为磁回路从电路中分离。这种结构使得它非常适合容易制造和维护，同时离散极简化了线性电动机的设计，相比于纵向磁场直线开关磁阻电机，这种结构可以降低总成本。单位体积的高力密度和高效率是其主要优点。因此，TFLSRM作为一个有吸引力的旋转电动机代替品，正在成为直线运动的最优选择。此外，TFLSRM是相当适合高速直线运动应用，由于增强了整个系统的电磁侧力。

横向磁通式的线性开关磁阻电机的原型建筑是有史以来提出的第一个有

初步核实和其相关联的、提供了相同作品的电感系统的磁场。在参考了三维有限元的使用方法前提下研究了电磁通量分布和侧向力特性。各种微机型补偿的TFLSRM制度的具体实施已经结束。参考提供了一种线性的最优极点配置的开关磁阻电机设计方案，并且这个方案适用于磁浮车辆系统。

TFLSRM作为一种新颖的线性马达，具有相对于旋转SRM的不同的结构，但是就像它的旋转对应，需要对控制器的要求的位置传感器。旋转电动机的现有位置传感器，例如传统的光电传感器，不适合TFLSRM，因为在长期次级侧上的额外开缝板条使系统变得复杂，使得电机的成本增加，降低整体系统的可靠性并且导致严重的保养问题。不具有设备的次级侧新型传感器应为实际应用而开发。

TFLSRM也是高度非线性的机器。到目前为止，只是研究TFLSRM及其控制是远远不够的。变结构控制（VSC），作为一个为了弥补工厂的非线性和不确定性的强大技术，适用于模型的不确定性，参数波动和外部存在干扰的应用程序。趋近律控制（RLC），不仅要建立一个有直接到达条件的滑线（或面），而且还要在达到阶段内指定系统的动态特性和提供控制TFLSRM的有效解决方案。此外，力和相电流之间的非线性关系使得难以有效地控制电机的力。因此，从力到电流之间的非线性变换函数对于提高系统性能是十分有用的。

在本文中，介绍了三相TFLSRM原型。在分析电机的结构和令人兴奋的功能的基础上，考虑TFLSRM的非线性特性，获得了完整的模型。在被固定的初级侧上，提出了新颖的传感器，并通过测量次级侧的磁极的形状消除了带槽的板条。离散时间RLC和平均电流的非线性函数的电流是闭环控制，速度闭环控制受雇于设计的驱动器。基于DSP TMS320LF2407的控制系统是为了完成实验研究而安装的。实验结果验证了新型位置传感器和驱动器设计的完美表现。

1 马达结构

建议横向磁通直线开关磁阻电机的2维的意见如图1所示，其中的一部分包括提供相绕组的初级侧，而另一部分没有提供导体或永久磁铁。

可以注意到的是，该机的初级侧被固定在具有相等的极间距的可动转向架上，次级侧被固定在具有相同的极间距的轨道。本机提供在Z方向的推力。表1给出了机器参数。

位于机器移动转向架上的三相绕组是用来提供所需的电磁力的。控制目标是通过开/关信号发送到足够直接连接于电机绕组的电源开关来实现的。所设计的横向线性磁通开关磁阻电机等价于传统的旋转开关磁阻电机12/8的配置，包括12初级侧极和N次级侧磁极。初级侧由四个扇区组成，每个扇区包括三个极点。四个绕组的各相分别位于四个扇区，可以串联或并联来实现整个范围的高效率载荷和速度。此外，每个扇区可以以独立的方式运行，这意味着该机器结构允许在不同行业的不同步激发。即使整个绕组的一部分出现故障，该系统仍然运行，并且因为它的容错能力增强了系统的鲁棒性。它的工作原理类似于传统的旋转开关磁阻电机。例如，为了实现在正Z方向上的连续向前运动和增大电感区域的运动，

激励序列B-C-A是必要的。相反，激励序列的C-B-A将会使机器移动在Z轴负方向。

2 数学模型

考虑到机电转换原理，一个电动机相的电压方程为

其中i k是绕组电流；u k是绕组电压电机端子；R是绕组电阻；ψk是交链磁通。下标k表示相位-k。

对于所设计的横向磁通开关磁阻电机的线性，由于磁回路的各相独立，互感可以完全忽略不计。相位k的交链磁通为

其中L k是电感；x，y和z是分别在X，Y和Z方向上的初级侧杆的位置。

从公式（1）和（2）中可以推导出相位-k的电压方程式为

在低转速下，公式（3）中的阻性分量的振幅与其他组件的可比性必须被考虑。在高转速下，自感电压和反电动势有关的速度是主要的。它们是相电感的功能并且反作用于绕组电流，这影响着绕组电流的增加。为了获得推力、法向力和侧向力，我们使用了能量平衡方程。公式（3）乘以相电流得结果为

然后从公式（4）中减去电阻损耗，得到提供给电动机的电源电功率，可以表示为

另一方面，储存磁能的变化率为

因为公式（5）中的电能被储存磁场能量与机械功分配，所以公式（5）减去公式（6）可以得出机电能量转换，表示为

为Z方向上的运动所提供的电力为

因此，由Z方向上的相位-k所产生的推力可以推断为

Z方向上3相电机的总的推进力为

通过类比，可以从公式（7）中得出法向力和初级侧与电机二次侧之间的侧向力，它们分别表示为

假设忽略初级侧的侧方向运动，我们只讨论Y方向和Z方向的动力。所以，在Z方向上的机械动态方程被确定为

其中D为阻尼比，M是初级侧的总质量，f l是在线性电动机的初级侧施加的外力。