[发明专利]一种基于抗饱和PI控制器和占空比调制的直线永磁电机直接推力控制方法

说明书

本发明公开了一种基于抗饱和PI控制器和占空比调制的直线永磁电机直接推力控制方法，包括如下步骤：通过抗饱和PI控制器输出给定推力；利用“电压法”估算定子磁链；通过估算的磁链和推力与给定值的差值来计算占空比和选择有效电压矢量；由PWM调制输出开关频率固定的控制信号给逆变器，实现更稳定、更准确地电机控制；相比与传统DTFC，可在保持其结构简单和动态性能不变的基础上，有效抑制积分饱和现象，减小系统的超调量，并能有效减小推力脉动，提高系统的稳定性和鲁棒性。

技术领域

本发明涉及三相直线永磁电机控制技术，具体是一种用于三相直线永磁电机的基于抗饱和(Anti-Windup)PI控制器和占空比调制的直接推力控制(DTFC)方法，适用于城市轨道交通等对电机的稳定性和安全性要求高的领域。

背景技术

随着中国经济的飞速发展，城市人口也在急速增加，交通堵塞问题日益严重。轨道交通作为新型交通工具受到了越来越多的关注。直线电机牵引系统与传统的旋转电机相比，有结构简单、爬坡能力强、噪声小、环境污染低等显著的优势。目前，直线感应电机已被用于首都国际机场、广州地铁等城市轨道交通系统，但存在效率低、成本高的问题。如图2所示，直线游标永磁(LVPM)电机是一种新型的初级永磁型直线电机，其次级导轨仅由导磁材料构成，能大大降低施工成本，具有结构简单、高效率、高推力密度等优势，非常适合长行程和大推力的轨道交通领域。

直接转矩控制(DTC)是继矢量控制之后发展起来的新一代高性能控制策略，具有动态响应快、结构简单、鲁棒性强以及无需转子位置信号和复杂的坐标变换等优点，后来将其运用在直线电机上，逐渐演化为直接推力控制(DTFC)。

传统DTFC中，速度环节一般采用传统PI控制器来调节，控制器的输出为电机参考推力给定值。由于受逆变器的容量、电机最大输出推力有限等因素的影响，速度控制器的输出必须受到限幅。当速度发生大的突变时，控制器输出会受到饱和限制，此时电机只能输出预设的最大推力，这就会造成积分饱和(Windup)现象，起系统超调量大、稳定时间长。传统DTFC对磁链和推力的控制采用滞环调节器，类似于bang-bang控制，一个周期只能作用单一的电压矢量，存在磁链和推力脉动大和逆变器开关频率不固定等问题。

针对上述传统DTFC存在的弊端，国内外学者做了大量的研究。为了改善传统PI控制器的不足，有学者通过设计扩张状态观测器的方法可以提高系统的稳定性和鲁棒性，但这些方法参数变化多，计算复杂，调节困难，不易于工程应用。一些学者设计抗饱和PI控制器来消除积分饱和现象，抗饱和控制器主要分为条件积分法和反计算法。反计算法设计简单，工程上应用最多，但反馈增益需反复调整，工程应用中难以满足定量设计的性能要求。为了改善传统DTFC推力脉动大的问题，有学者引入多电平逆变器来增加可选电压空间矢量的数目，从而达到较小推力脉动的目的，但此方法导致开关器件数量增加，使得系统硬件成本上升，且增加了系统复杂性。国内有学者通过引入零电压矢量来抑制推力脉动，但只能在一定程度抑制推力脉动。还有学者通过将扇区细分，来抑制推力脉动，但其仍然是一种开关频率不固定的控制。国外学者通过引入线性调节器可有效抑制推力脉动，但其算法复杂，且难于工程应用，与直接推力运算简单的初衷是相悖的。

针对传统直接推力控制系统速度环节存在的非线性饱和和推力脉动大，以及现有直接推力控制算法复杂等问题，本发明提出了一种基于抗饱和PI控制器和占空比调制的新型直线永磁电机直接推力方法，在保持传统DTFC结构简单和动态性能不变的基础上，能有效抑制积分饱和现象，减小系统的超调量，并能有效减小推力脉动，提高系统的稳定性和鲁棒性。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于直线永磁电机的直接推力控制策略，用以解决直线永磁电机系统中采用传统DTFC存在的非线性饱和和磁链、推力脉动大的问题。