CN108974055B - 悬挂式磁悬浮列车系统多模态优化驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种悬挂式磁悬浮列车系统多模态优化驱动控制方法。悬挂式磁悬浮列车在轨道上运行时，根据列车所处状态提供不同的直线电机驱动策略，当列车处于空载启动状态时，提供转差频率控制；当列车处于平直负载或下坡运行状态，通过中断程序切换到矢量控制；当检测到列车处于上坡或转弯状态，切换到直接推力控制。通过检测单元检测列车所处状态，切换不同的控制方法，可以实现悬挂式磁悬浮走行系统的多模态优化驱动，大大降低能耗。

Description

悬挂式磁悬浮列车系统多模态优化驱动控制方法

技术领域

本发明涉及悬挂式磁悬浮空中轨道交通领域，特指悬挂式直线感应电机控制方法。

背景技术

近年来，城市的发展越来越迅速，人们的出行方式有了更多选择，但随之也带来了交通拥堵及环境污染的问题，成为城市发展的瓶颈。为解决这些问题，应大力发展城市公共轨道交通系统，悬挂式磁悬浮空中轨道交通系统作为一种新型轨道交通制式，有利于改善城市公共交通环境，解决“最后一公里”问题，改变人的出行方式，并且占用公共空间及土地更少，最终会推动稀土冶金、现代制造、新能源、旅游观光等相关产业发展和转型升级。

长定子直线感应电机作为一种新型的直线驱动设备，结构简单，易于维护，加速快，爬坡能力强，转弯半径小，选线灵活，可作为悬挂式磁悬浮轨道交通系统的牵引机构。对于悬挂式直线感应电机的控制策略，为了获得理想的控制效果，通常采用转差频率控制、矢量控制和直接推力控制。各种直线电机控制方式，包括转差频率控制、矢量控制、直接推力控制以及由它们衍变改进得到的控制策略，对于直线电机本身来说，只是最后发出的电压矢量有所不同。悬挂式磁悬浮列车作为一种公共交通工具，长时间高负载运行，经常性启动制动，突发状况下的快速响应，以及稳态运行低噪声低抖动等，都要求有一个优异的控制策略。

发明内容

通常情况下，单独的转差控制、矢量控制或直接推力控制难以全面满足这些多种多样的性能要求，因此，在设计悬挂式直线感应电机驱动控制策略时，需要综合考虑其他控制方法的特点，提出一种将这三种控制方式有机结合在一起的混合控制方法，取长补短，使得用户可以根据实际控制系统不同模态的要求，灵活地选择最有效的控制方式，而且这三种控制方式之间的切换可以在线进行，不需要硬件的改动，使控制方法能够适应多模态控制。

发明目的：本发明针对悬挂式磁悬浮系统的多模态设计直线感应电机优化驱动控制策略，其目的在于不同工况下应用不同驱动策略，主要是获得良好的控制效果，使得控制智能化，功耗节能化。

为实现上述控制策略，本发明具体采用以下技术方案实现：悬挂式磁悬浮走行系统多模态优化驱动控制方法，其中，悬挂式磁悬浮列车系统包括轨道系统、悬挂系统、控制系统和轿厢系统，所述控制系统包括驱动系统、导向系统、悬浮控制系统，轨道系统通过立柱悬于空中，轿厢系统通过悬挂系统悬挂在轨道系统的垂直下方，驱动系统和导向系统协同作用，驱动轿厢系统在轨道系统中前进，该方法包括：

(1)转差频率控制：

由直线感应电机动子磁场角速度ω_r，转差角速度ω_s得到定子磁场角速度ω_e，由直线感应电机的电压方程和磁链方程得到定子电压与角速度的关系，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转；

(2)矢量控制：

采用速度作为控制信号，产生速度误差信号经PI控制生成推力分量i_sq，经过磁通控制产生

与直线感应电机磁通观测到的ψ_rd比较产生磁链误差，通过PI控制生成励磁分量i_sd，两路电流信号经电压解耦控制生成两相电压信号，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转；

(3)直接推力控制：

采用定子磁链和推力作为控制信号，通过与推力磁链观测器的推力和磁链比较，产生误差信号经过滑膜控制器生成两相电压信号，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转。

优选地，步骤(2)还包括：

高速区时对定子q轴电流进行补偿，补偿

为：

其中，τ为极距，n_p为初级绕组极对数，L_r为转子等效两相绕组的自感，

L_m为定子与转子同轴等效绕组间的互感，ψ_rd为动子磁链，L_σr为次级漏感，D为初级长度，R_r为动子电阻，v为电机线速度，Fe为电磁推力，i_sd、i_sq为定子dq轴电流；

优选地，步骤(3)还包括：

建立直线感应电机数学模型的电压方程和磁链方程：

由此得到：

ψ_rd带入F_e得到：

优选地，在模态间切换时，设定切换判据，满足切换条件时，先设立一个模态切换过渡区，当轿厢从初始模态进入过渡区时，等待一定的时间或空间尺度，在完全进入另一模态区才进行切换操作。

本发明针对不同工况分别采用转差频率控制、矢量控制、直接推力控制；悬挂式直线感应电机采用长初级短次级结构，即在天梁内铺设电枢绕组，在列车转向架上装备铜铝复合感应板。在初级绕组中通入三相正弦电流，产生水平移动的交变磁场，称之为行波磁场，在次级感应板中感生出电流，两者相互作用产生电磁推力，推动列车前进。

直线感应电机相对旋转感应电机而言，初级铁心开断、存在动静态边缘效应、电磁气隙较大等问题，驱动控制更为困难。控制策略切换必须遵循一个合理的准则，应选取最能代表模态的变量作为切换判决准则，当模态完全进入下一个模型“负责”区间时，进行切换操作。在切换调度中，若不加任何修正方法或准则，外部高频扰动和模态变化会引起模型频繁切换，产生切换抖动，不利于控制性能稳定，故有必要对切换方法进行修正。

附图说明

图1为本发明实施例中的悬挂式直线感应电机；

图2为悬挂式直线感应电机控制流程图；

图3为本实施例的多模态驱动控制框图；

图4为滞后切换示意图。

图5是本发明的悬挂式磁悬浮列车整体结构示意图。

图6是本发明的轨道系统、驱动系统和导向系统的组装关系图。

图7是本发明的倒U形抱轨的下端结构示意图。

图8是本发明的六组式的悬浮转向架的俯视图。

图9是本发明的四组式的悬浮转向架的俯视图。

图10是本发明的六个悬浮点的俯视图。

图11是本发明的四个悬浮点的俯视图。

图12是本发明的倒U形抱轨结构示意图。

具体实施方式

本发明将转差控制、矢量控制、直接推力控制整合在一个控制系统中，在不改变硬件条件下根据不同模态要求在线切换驱动策略。下面结合附图详细地描述本发明实施例的目的、技术方案和优点。

本实施例中直线感应电机采用长初级短次级结构，参照图1。

为适应悬浮轨道不同路况(上坡、下坡、转弯)及轿厢操作要求，悬挂式直线感应电机采用三种控制策略相互切换，同时保障切换系统的稳定性。

在实际悬挂式直线感应电机控制中，对运行时的数据作以下处理：

启动模态：牵引传动系统工作于典型的低速、轻载、低效状态下；

加速模态：牵引系统处于效率很高的额定状态；

匀速模态：牵引系统保持在一个稳定的工作状态，通常具有较高的效率，速度和牵引力在理论上讲是连续可调的；

惰行模态：牵引系统不做功，轿厢靠惯性滑行，轿厢动能克服阻力做功，合理地运用惰行可以有效减少牵引力做功，但过多的采用惰行则会浪费运行时间；

制动模态：轿厢的制动方式分为空气制动、电力制动和联合制动。

在悬挂式直线感应电机的控制策略整合中：

当轿厢处于空载启动状态时，提供转差频率控制

当轿厢处于平直负载或下坡运行状态，通过中断程序切换到矢量控制；

当检测到轿厢处于上坡或转弯状态，切换到直接推力控制。

考虑动态纵向边端效应，建立次级磁场定向的dq坐标系下的系统数学模型，直线感应电机按转子磁场定向的坐标系中，规定d轴沿着转子中磁链矢量ψ_r的方向，其边缘效应不影响q轴，则有ψ_rd＝ψ_r,ψ_rq＝0：

电压方程：

u_sd＝R_si_sd+R_rf(Q)(i_sd+i_rd)+pψ_sd-ω_eψ_sq

u_sq＝R_si_sq+pψ_sq+ω_eψ_sd

u_rd＝R_ri_rd+R_rf(Q)(i_sd+i_rd)+pψ_rd＝0

u_rq＝R_ri_rq+(ω_e-ω_r)ψ_rd＝0

磁链方程：

ψ_sd＝(L_s-L_mf(Q))i_sd+L_m(1-f(Q))i_rd

ψ_sq＝L_si_sq+L_mi_rq

ψ_rd＝L_m(1-f(Q))i_sd+(L_r-L_mf(Q))i_rd

ψ_rq＝L_ri_rq+L_mi_sq＝0

电磁推力方程：

运动方程：

线速度与角速度的转换关系：

转差关系：

定义变量：

u_sd,u_sq：定子dq轴电压；

u_rd,u_rq：动子dq轴电压；

i_sd,i_sq：定子dq轴电流；

i_rd,i_rq：动子dq轴电流；

F_load：负载力；

R_s,R_r：定子和动子电阻；

ω_e,ω_r：定子磁场角速度，动子磁场角速度；ψ_sd,ψ_sq：定子磁链；

ψ_rd,ψ_rq：动子磁链；

L_s:定子等效两相绕组的自感；

L_r:转子等效两相绕组的自感；

L_m：定子与转子同轴等效绕组间的互感；

τ：极距；

n_p：初级绕组极对数；

M:移动部分质量；

v：电机线速度

L_σr:次级漏感；

D：初级长度；

得转子磁链：

定子磁链恒定，则上式简化为：

通过迭代可得电磁推力：

用ψ_rd,ω_s替代i_sd,i_sq得：

图2为本发明的悬挂式直线感应电机多模态控制的流程图，该方法具体措施如下：本实施案例中数据收集包括轿厢运营状况(空/负载)及悬浮轨道信息(直行、上坡、下坡、转弯)。轿厢运营状况信息可通过压力传感器测得，悬浮轨道信息通过预先安装在轨道上的三维磁阵列码获得，三维磁阵列码是一种类似二维码的记录轨道数据信息的标识码，此标识码安装于轨道信息改变处的前一段位置，作为控制策略切换的提示信息；通过压力传感器及安装在动子上的三维磁阵列扫码器获取的信息传给计算机处理，计算机经过数据分析后生成一个控制策略切换信号；

参照图3，本发明控制策略包括：

转差频率控制：

由直线感应电机动子磁场角速度ω_r，转差角速度ω_s得到定子磁场角速度ω_e，由直线感应电机的电压方程和磁链方程可得定子电压与角速度的关系，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转。

矢量控制：

采用速度作为控制信号，产生速度误差信号经PI控制生成推力分量i_sq，经过磁通控制产生

与直线感应电机磁通观测到的ψ_rd比较产生磁链误差，通过PI控制生成励磁分量i_sd，两路电流信号经电压解耦控制生成两相电压信号，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转。

在考虑直线感应电机边端效应后，为使控制更加稳定，需对定子q轴电流进行补偿。低速区时，动态纵向边端效应的影响可忽略不计；高速区时则需要通过i_sq进行补偿因边端效应减小的推力部分。补偿

为：

直接推力控制：

为减少磁链和推力脉动，在磁链和推力的控制中采用滑膜控制，本发明采用定子磁链和推力作为控制信号，通过与推力磁链观测器的推力和磁链比较，产生误差信号经过滑膜控制器生成两相电压信号，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转。

定义磁链滑膜面函数：

磁链控制器为：

u_d＝K_p|s_ψ|^rsgn(s_ψ)+u_sd

定义推力滑膜面函数：s_F＝F_T-F_e；

推力控制器为：

u_q＝K_p|s_F|^rsgn(s_F)+u_sq

其中：K_p,K_i>0，为待设计参数。

推力磁链观测器：

联立直线感应电机数学模型的电压方程和磁链方程可得：

由此可得：

ψ_rd带入F_e可得：

为保障切换控制策略时，悬挂式磁悬浮列车依然稳定运行，因此要求控制策略之间的切换要平滑。参照图4，本实施例采用滞后切换准则，在模态间切换时，设定切换判据，满足切换条件时，不急于进行控制策略切换，先设立一个模态切换过渡区，当轿厢从初始模态进入过渡区时，等待一定的时间或空间尺度，在完全进入另一模态区才进行切换操作。

结合图5至图12，本发明的悬挂式磁悬浮列车系统包括轨道系统、悬挂系统、控制系统和轿厢系统，所述控制系统包括驱动系统、导向系统、悬浮控制系统，轨道系统通过立柱悬于空中，轿厢系统通过悬挂系统悬挂在轨道系统的垂直下方，驱动系统和导向系统协同作用，驱动轿厢系统在轨道系统中前进。

轨道系统包括天梁2和倒U形抱轨34，倒U形抱轨34的开口向下，顶部与天梁2固定，悬挂系统设置在倒U形抱轨34中，包括悬浮转向架9，导向系统设置于悬浮转向架9的左右两侧与倒U形抱轨34对应侧的抱臂27内侧之间，悬浮转向架9靠近左右两侧位置设置有向上伸出的台柱21，台柱21与倒U形抱轨34的抱臂27之间设置有通电卡5，通电卡5为整个系统提供电源支撑。

倒U形抱轨34的顶部左右两侧的拐角处与对应的台柱21外侧拐角之间均设置有交叉感应回线24，每个台柱21的顶部均设置有限高导轨4，倒U形抱轨34的顶部对应位置设置有轮轨3，轮轨3与限高导轨4上下垂直对应配套；倒U形抱轨34的下端朝向内侧弯曲，形成一个平台，该平台上设置有底座14、永磁体15和稳定体28，底座14平铺在平台上，永磁体15平铺在底座14上，稳定体28位于倒U形抱轨34的抱臂27与平台之间的转角处，连接U形抱轨的抱臂27、底座14和永磁体15；悬浮转向架9的底部朝向永磁体15的一侧设置有混合悬浮结构18，混合悬浮结构18包括中心永磁体16，中心永磁体16的左右两侧设置有绕组线圈17；混合悬浮结构18与对应的底座14上的永磁体15形成一个悬浮点33。

驱动系统设置在轨道系统内，包括靠近倒U形抱轨34顶部的电机，悬浮转向架9的顶部设置有升降架39，升降架39的上方设置有斜凹槽23，斜凹槽23的中心凹槽左右两侧对称相向倾斜，电机的长定子26固定在倒U形抱轨34的内侧顶部，电机的动子25永磁板置于斜凹槽23的中心凹槽内。

轿厢系统包括轿厢本体35和设置在轿厢本体35顶部设置有若干根轿厢吊杆13，轿厢吊杆13的顶端和底端均设置有吊杆13接扣10，通过吊杆13衔接悬浮转向架9与轿厢。立柱36的顶部朝向一侧弧形过渡形成形成水平的悬挂梁1，天梁2悬挂在悬挂梁1下方，立柱36的底部与地面接触，且通过固定螺栓37与地面固定。轿厢吊杆13之间设置有若干个空气弹簧12，空气弹簧12从悬浮转向架9的一侧倾斜链接到轿厢本体35的相对侧，悬浮转向架9的中间也设置空气弹簧12接扣11(机顶盒的前后各一个)，连接转向架和轿厢前后(行进方向为前)从轿厢吊杆13的顶端连接到另一个轿厢吊杆13的底端；轿厢本体35的顶部设置有轿厢机顶盒，轿厢机顶盒通过机顶盒控件固定在轿厢本体35的顶部，轿厢机顶盒设置有若干个空气弹簧12，该空气弹簧12沿轿厢本体35前进方向倾斜，且其上端通过空气弹簧12接扣11与悬浮转向架9连接。

导向系统包括导向机械结构和辅助导向结构，导向机械结构设置有轿厢吊挂接扣30，吊杆13接扣10与轿厢吊挂接扣30连接，导向机械结构包括一组或两组三角形悬挂构架29，当为一组三角形悬挂构架29时，三角形悬挂构架29沿轨道延伸方向布置，三角形悬挂构架29的每个顶点均设置有球绞结构31，在三角形悬挂构架29的两端设置有与轨道延伸方向垂直的横梁32，三角形悬挂构架29通过与横梁32的中心或者两侧连接，每个横梁32的两端均位于悬浮点33上方；每个悬浮点通过承力扣19与悬浮转向架9连接。当三角形悬挂构架29有两组时，三角形悬挂构架29的一个短边相对布置，且沿轨道延伸方向布置，三角形悬挂构架29的每个顶点均设置有球绞结构31，在三角形悬挂构架29的两端设置有与轨道延伸方向垂直的水平布置的横梁32，三角形悬挂构架29相对布置的短边公用一个横梁32，三角形悬挂构架29通过与横梁32的中心或者两侧连接，每个横梁32的两端均位于悬浮点33上方；辅助导向结构位于悬浮转向架9的左右两侧与对应的倒U形抱轨34的左右两侧抱臂27内侧之间，包括电磁导向结构20和机械导向结构，电磁导向结构20包括设置在悬浮转向架9两侧的导向绕组线圈22和设置在抱臂27内侧的导磁板7，所述导向绕组线圈22和导磁板7相对设置，机械导向结构包括设置在悬浮转向架9两侧的导向调整轮8和设置在抱臂27内侧的侧部轮轨6，导向调整轮8和侧部轮轨6相对设置，导向调整轮8和侧部轮轨6有两组，分别位于对应的导向绕组线圈22和导磁板7的上下两侧。

为了具体阐述该本发明的具体实施方式，以上零部件及设备存在较为详细地描述，但并不代表本产品的具体化。在上述包括：直线电机感应板、导电线，导向结构的选用，系统控制器及车载设备等均可根据具体营运环境、场合等选取较为合理地具体方案。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种悬挂式磁悬浮列车系统多模态优化驱动控制方法，所述悬挂式磁悬浮列车系统包括轨道系统、悬挂系统、控制系统和轿厢系统，所述控制系统包括驱动系统、导向系统、悬浮控制系统，轨道系统通过立柱悬于空中，轿厢系统通过悬挂系统悬挂在轨道系统的垂直下方，驱动系统和导向系统协同作用，驱动轿厢系统在轨道系统中前进，其特征在于，该方法包括：

当轿厢处于空载启动状态时，提供转差频率控制；当轿厢处于平直负载或下坡运行状态，通过中断程序切换到矢量控制；当检测到轿厢处于上坡或转弯状态，切换到直接推力控制；

(1)转差频率控制：

由直线感应电机动子磁场角速度ω_r，转差角速度ω_s得到定子磁场角速度ω_e，由直线感应电机的电压方程和磁链方程得到定子电压与角速度的关系，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转；

(2)矢量控制：

采用速度作为控制信号，产生速度误差信号经PI控制生成推力分量i_sq，经过磁通控制产生

与直线感应电机磁通观测到的ψ_rd比较产生磁链误差，通过PI控制生成励磁分量i_sd，两路电流信号经电压解耦控制生成两相电压信号，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转；

高速区时对定子q轴电流进行补偿，补偿

为：

其中，τ为极距，n_p为初级绕组极对数，L_r为转子等效两相绕组的自感，L_m为定子与转子同轴等效绕组间的互感，ψ_rd为动子磁链，L_σr为次级漏感，D为初级长度，R_r为动子电阻，v为电机线速度，Fe为电磁推力，i_sd、i_sq为定子dq轴电流；

(3)直接推力控制：

采用定子磁链和推力作为控制信号，通过与推力磁链观测器的推力和磁链比较，产生误差信号经过滑膜控制器生成两相电压信号，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转。

2.如权利要求1所述的一种悬挂式磁悬浮列车系统多模态优化驱动控制方法，其特征在于，

在模态间切换时，设定切换判据，满足切换条件时，先设立一个模态切换过渡区，当轿厢从初始模态进入过渡区时，等待一定的时间或空间尺度，在完全进入另一模态区才进行切换操作。

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