初级绕组分段永磁直线电机段间推力优化控制

初级绕组分段永磁直线电机段间推力优化控制李立毅;祝贺;刘家曦;马明娜【摘要】为克服初级绕组分段永磁同步直线电机( PWS-PMLSM)动子在定子段间运行中存在的推力波动，提高电机的动态响应能力，结合双逆变器交替供电模式提出了一种复合控制方法。

利用有限元方法分析了动子出入定子段过程中各定子电磁参数的变化规律，从而建立了PWS-PMLSM的数学模型。

依据电机模型，分析了段间推力波动产生的机理，提出了定子段间电流同步跟踪策略来减小各段间电流差异，但此方法依赖于极高的电流响应速度，因此又结合改进的PWM预测控制方法来提高电流调节速度，实现段间电流同步控制。

段间电流同步跟踪结合改进PWM电流预测控制方法可以有效抑制PWS-PMLSM段间推力波动，提高系统动态性能。

对所提算法进行了仿真和实验验证，并取得了良好的效果。

%To overcome the thrust ripple caused when the movers of primary windings segmented perma-nent magnet linear synchronous motor ( PWS-PLMSM ) pass through stators and to improve the transient response ability and stability of the motor, an effective combined control strategy was proposed based on two inverters alternating supply method. Firstly, using finite element software to analyze the variation rules of electromagnetism parameter was analyzed when movers move in, move out the stators. For this, a mathematical model of PWS-PMLSM was established. According to the established model, the mechanism of inter-segment thrust fluctuations was studied, and current synchronous tracking strategies were presen-ted between stators to reduce the currents differences of two adjacent stators. However, this method relies on high current response capacity. Therefore,it was also combined with the improved PWM predictive control method to achieve a smooth inter-stator thrust. Finally, the proposed algorithm was validated by simulation and experiment. Results show that currents synchronous tracking strategies between stators combined with improved predictive current control method suppress thrust ripple between stators and im-prove the transient characteristics of PWS-PMLSM.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】9页(P79-87)【关键词】初级绕组分段永磁同步电机;段间电流同步跟踪控制;PWM电流预测控制【作者】李立毅;祝贺;刘家曦;马明娜【作者单位】哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TM301.20 引言长行程直线电机在工业、军事应用中有着无可比拟的优势，由于采用直线电机直接驱动技术，省去了旋转到直线运动中的转换装置，从而减小了系统的复杂度，提高了系统的精确度和可靠性［1－5］。

近年来，伴随着新型高性能永磁材料NdFeB 的诞生，使得永磁同步直线电机优势更加明显，它具有推力密度高、重量轻、损耗低、响应速度快、可控性好等优点，可以保证直驱系统良好的品质因数［1，4，6］。

但考虑当前永磁体的高昂价格，本文提出采用动磁钢结构的短次级长初级绕组分段永磁同步直线电机，从经济性角度考虑，它减少永磁体的使用量，节约了系统成本。

从能源利用率角度看，仅需给与动子耦合的定子段供电，避免对初级绕组整体供电，有效的减小损耗，降低了逆变器容量，极大的提高了效率。

另外，从维护制造的方面来看，初级分段结构还具有模块化特点，便于加工制造、方便拆卸组装、易于维护、应用范围灵活等优点［1－5，7－8］。

本文研究的初级绕组分段永磁同步直线电机(primary windings segmented permanent magnet linear synchronous motor，PWS－PMLSM)是由多个在电气上不连续的定子构成，各定子间紧密相邻。

这种结构将导致动子在运动过程中必然要跨越各个段定子，随动子的位置变化电机的电感、磁链、推力系数、反电动势系数等参数也将发生改变。

而且，各段定子内的电流如果不能很好地协调控制，将会造成各段电机推力大小不均衡，使动子在跨越段间运行时产生较大推力波动，甚至使两段电机间产生相互抵消的反向推力。

在分段电机控制系统中，对电流调节的快速性、稳定性、以及段间电流的协调性将决定整个控制系统的优劣，因此本文重点要解决上述电流控制问题，达到减小段间推力波动、改善系统稳态和动态性能的目的。

本文首先根据电机的特点，提出了基于双逆变器交替供电模式下的段间电流同步跟踪控制策略，同时结合采用并联积分反馈环节、定子平均电流计算、定子电压解算、位置补偿、延迟补偿、参考值预测、电压极限校正等方法的PWM预测控制来实现段间推力优化控制。

最后通过实验来验证上述方法的有效性。

1 电机的电磁参数分析与数学模型定子铁心连续绕组分段的PWS－PMLSM原理如图1所示。

图1 定子铁心连续绕组分段的PWS－PMLSM原理Fig.1 Scheme of the PWS-PMLSM本文以实验室两定子段样机为研究对象，经有限元方法对样机进行分析，得到电机的电磁参数变化规律，如图2中磁链、电感参数变化曲线所示。

图2 动子跨越定子段过程中的磁链、电感变化曲线Fig.2 Coupling flux linkage and inductance in the process of mover traverse among sators磁链近似表达式为式中:x为动子的实际位置;Sl1为第1段定子的长度;Ml为动子的有效长度;ψf－out(x)为动子移出定子段时初次极耦合磁链变化简化函数;ψf－in(x)为动子移入定子段时的耦合磁链的简化函数;ψf为永磁体在两段电机边界处与定子耦合磁链的总和。

两段定子自感Ls1、Ls2变化规律与永磁体磁链类似，然而由于漏感的存在，当动子离开各段电机绕组时，电感幅值并不会完全减小到零。

上述分析可以得到依据动子位置变化的分段直线电机在d－q轴同步坐标系下的方程为式中，Ls(x)，ψf(x)为随着动子位置变化的函数，而在非初级分段电机中它们均被视作恒值;v为动子运行速度;τ为极距。

根据矢量控制理论当采用id=0控制策略时，动子在两段电机边界处运动时所受推力是两段电机的电磁推力的总和，即式中，pn为极对数。

2 初级绕组分段同步直线电机的段间电流同步跟踪控制文中采用双逆变器交替供电策略，I号逆变器经电气开关与奇数段定子绕组连接(I=2n－1，n=1，2，3，…);II号逆变器经电气开关与偶数段定子绕组接(II=2n)。

电气开关的通断由处理器负责控制。

切换装置采用电力电子器件来实现，这样可以减小切换时间和切换过程中造成的电流波动。

切换方法如表1所示。

表1 电流同步跟踪控制定子段使能表Table 1 Current synchronous tracking state注:M表示主定子段;S表示从定子段。

动子位置定子1 定子2 定子3禁止禁止(Sl1－Ml，Sl1－Ml/2) 使能(M) 使能(S) 禁止(Sl1－Ml/2，Sl1) 使能(S) 使能(M) 禁止(Sl1，Sl1+Sl2－Ml) 禁止使能(M)禁止(Sl1+Sl2－Ml，Sl1+Sl2－Ml/2)禁止使能(M)使能(S)(Sl1+Sl2－Ml/2，Sl1+Sl2)禁止使能(S)使能(M)(Sl1+Sl2，Sl1+Sl2+Sl3－Ml)禁止禁止使能(M)(0，Sl1－Ml)使能(M)根据LR电路的原理，当动子将要到达到下一段定子边界处时，需提前t时间或x 距离给下一段电机供电，以保证下一段定子电流稳定后接入系统，切断供电的定子绕组利用反相并联的续流二极管释放绕组线圈内的电流。

定子供电切换时间与动子位置的关系表达式为由式(3)、式(4)可以得出，通过合理的控制相邻两段定子绕组内的电流，就可以使两段的电磁推力之和保持平稳，如段内运行一样。

如果系统指令电流同时作为相邻两段定子的参考电流，由于各段定子控制器的动态响应能力的差异，将导致两段定子内的实际电流与系统给定的电流间都会有一定的误差和延迟，这样一来，就会使两定子段内的电流间产生更大差异、延迟，从而导致电机两段定子的励磁电流不完全同步，使得动子在跨越定子段的过程中会产生不可避免的推力波动。

因此，本文提出相邻段间电流同步跟踪控制，段间电流同步跟踪控制原理如图3所示。

图3 段间电流同步跟踪控制原理Fig.3 Schematic diagram of the inter-segment current synchronous tracking control如图3所示，根据动子与各定子段的耦合程度，确定主段定子lcouped＞Ml/2和从段定子lcouped＜Ml/2，lcoupled为动子与各定子段的耦合长度。