CN110071677A - 高速磁悬浮列车长定子直线同步电机牵引控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种高速磁悬浮列车长定子直线同步电机牵引控制方法，通过实时检测磁悬浮列车各悬浮控制点的气隙，求得平均气隙长度，同时建立悬浮系统模型，进而估测出长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链，通过将互感磁链信息引入外部速度环和内部电流环，有效地抑制由悬浮系统引起的牵引力波动。本发明实施简便，同时，当列车由于外力干扰，轨道不平整，列车上、下坡等因素导致悬浮系统产生变化时，本发明可以有效抑制电机的牵引力波动。

Description

高速磁悬浮列车长定子直线同步电机牵引控制方法
技术领域
本发明涉及一种高速磁悬浮列车长定子直线同步电机牵引控制方法。
背景技术
高速磁悬浮列车由长定子直线同步电动机(LSLSM)驱动。电机的动子安装在车体下方，定子及其三相电枢绕组沿轨道安装。直线电机的三相电枢绕组产生行波磁场，驱动装在车上的磁极做直线运动。同时，动子的励磁极也是悬浮电磁铁，产生的电磁力使列车悬浮在轨道上8～12mm。因此，LSLSM同时作为牵引系统和悬浮系统，二者存在耦合。
磁悬浮列车悬浮系统多采用的是模块化结构设计，降低了磁悬浮系统中各个控制点之间的机械耦合。因此，磁浮列车悬浮系统模型，可以简化为单电磁铁悬浮系统的数学模型。单电磁铁悬浮系统控制通常运用工作点局部线性化的方法对数学模型进行线性化处理，设计悬浮控制器，进而及时调节励磁电流，以保持恒定的气隙。
为减少牵引系统对悬浮系统性能的影响，id＝0的转子磁场定向控制方案已经普遍用于LSLSM的牵引控制中。磁悬浮列车牵引控制一般采用三闭环控制方法，包括位置环，速度环和电流环。现有高速磁悬浮列车牵引控制方法框图参见图1。
尽管磁悬浮列车的悬浮系统和牵引系统是解耦控制的，但是牵引控制的性能会受到悬浮系统的影响。例如，悬浮气隙将由于外力扰动和轨道不平整等原因而改变，为保持气隙恒定，悬浮系统将动态调节励磁电流，进而气隙磁场将发生改变，影响列车的牵引力。
发明内容
本发明针对高速磁悬浮列车现有牵引技术中未考虑悬浮系统引起的牵引力波动问题，提出一种高速磁悬浮列车长定子直线同步电动机牵引控制方法。本发明考虑了悬浮系统对牵引控制性能的影响，实施简便。当列车由于外力干扰，轨道不平整，列车上、下坡等因素导致悬浮系统产生变化时，本发明可以有效抑制电机的牵引力波动。
本发明技术方案如下：
在磁悬浮列车各悬浮控制点布置悬浮间隙传感器，采集各个悬浮控制点的悬浮气隙长度，求取各个悬浮控制点的悬浮气隙长度的平均值，得到磁悬浮列车平均气隙长度x(t)；然后建立悬浮系统模型，得到随气隙长度变化的励磁电流im(t)；根据列车平均气隙长度x(t)以及励磁电流im(t)，估算出长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)；将长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)引入外部速度环和内部电流环，实时计算q轴电流参考值及前馈电压，将d、q轴电压参考值经坐标变换，采用调制算法控制变流器，控制长定子直线同步电机，从而有效地抑制由悬浮系统引起的牵引力波动。
根据长定子直线同步电机数学模型，当采用id＝0的转子磁场定向控制方案时，列车牵引力为：
式中，Fx(t)为列车牵引力，τ为定子极距，iq(t)为q轴定子电流，ψm(t)为长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链，t为悬浮系统工作时间。
长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)会因悬浮系统影响而产生变化，这是造成牵引力波动的原因，根据公式(1)分析，若是可以估测到长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)变化情况，及时调节q轴定子电流iq(t)，则可以有效抑制由悬浮系统引起的牵引力波动，这就是发明的基本原理。
本发明方法包含以下步骤：
(1)在磁悬浮列车各悬浮控制点布置悬浮间隙传感器，采集各个悬浮控制点的悬浮气隙长度，求取各个悬浮控制点的悬浮气隙长度的平均值，得到磁悬浮列车平均气隙长度x(t)；
(2)建立悬浮系统模型，模拟悬浮系统，利用步骤1得到的平均气隙长度x(t)，得到随气隙长度实时变化的励磁电流im(t)；
所建立的悬浮系统模型如下：
公式(2)中：x(t)为列车平均气隙长度，im(t)为励磁电流，t为悬浮系统工作时间，m为车重，g为重力加速度，F[im(t),x(t)]为法向力，μ0为真空磁导率，N为励磁线圈匝数，A为磁极的磁路有效面积，u(t)为励磁电压，R为励磁线圈电阻；
(3)根据列车平均气隙长度x(t)及励磁电流im(t)，估算出长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)，计算方法为公式(3)：
式中，x(t)为列车平均气隙长度，im(t)为励磁电流，t为悬浮系统工作时间，Km为长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间互感磁链的比例系数，Km可通过气隙与长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间互感的额定值求得。
(4)将长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)引入速度环和电流环，实时计算q轴电流参考值及前馈电压。外部速度环PI调节器输出为列车牵引力参考值Fx_ref(t)，根据如下公式计算q轴电流参考值：
式中，iq_ref(t)为q轴电流参考值，Fx_ref(t)为列车牵引力参考值，t为悬浮系统工作时间，τ为定子极距，ψm(t)为长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链；
内部电流环q轴电流参考值由公式(4)计算得到，d轴电流参考值为零，同时电压前馈值根据长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)计算，公式如下：
式中，ΔUd为d轴电压前馈，ΔUq为q轴电压前馈，v为列车速度，t为悬浮系统工作时间，τ为定子极距，Lq为定子q轴电感，iq_ref(t)为q轴电流参考值，Rs为定子电阻，ψm(t)为长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链；
电流环PI调节器输出的参考电压与电压前馈求和得到d、q轴电压参考值；
(5)将d、q轴电压参考值经坐标变换，采用相应调制算法控制变流器，从而完成对长定子直线同步电机的控制过程。
本发明实施简便，考虑了悬浮系统影响。当列车由于外力干扰，轨道不平整，列车上、下坡等因素导致悬浮系统气隙、励磁电流产生变化时，本发明可以有效抑制电机的牵引力波动。
附图说明
图1现有高速磁悬浮列车牵引控制方法框图；
图2本发明所述控制方法框图；
图3本发明中悬浮系统模型框图；
图4本发明所述控制方法流程图。
具体实施方式
如图2，图3，图4所示，本发明高速磁悬浮列车长定子直线同步电动机牵引控制方法具体步骤如下：
步骤1：在磁悬浮列车各悬浮控制点布置悬浮间隙传感器，采集各个悬浮控制点的悬浮气隙长度，再求取各个悬浮控制点的悬浮气隙长度的平均值，得到磁悬浮列车平均气隙长度x(t)，t为悬浮系统工作时间；
步骤2：将上一步得到的平均悬浮气隙长度x(t)输入到模拟的悬浮系统中，得到随气隙长度变化的励磁电流im(t)。悬浮系统数学模型为公式(2)，本发明将上述悬浮系统数学模型在平衡点(im0，x0)处线性化，采用真实的悬浮系统参数来模拟悬浮系统，悬浮系统模型如图3所示。
公式(2)中：x(t)为列车平均气隙长度，im(t)为励磁电流，m为车重，g为重力加速度，F[im(t),x(t)]为法向力，μ0为真空磁导率，N为励磁线圈匝数，A为磁极的磁路有效面积，u(t)为励磁电压，R为励磁线圈电阻，t为悬浮系统工作时间。
步骤3：根据列车平均气隙长度x(t)及励磁电流im(t)，估算出长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)。计算方法为公式(3)：
式中，x(t)为列车平均气隙长度，im(t)为励磁电流，t为悬浮系统工作时间，Km为长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间互感磁链的比例系数，Km可通过气隙与励磁绕组和d轴定子绕组之间互感的额定值求得，如公式(6)：
Km＝Msm0x0(6)
公式(6)中，Msm0为长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间互感额定值，x0为气隙额定值。
步骤4：将长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)引入速度环和电流环中，实时计算q轴电流参考值及前馈电压。如图2所示，外部速度环调节器是PI调节器，PI调节器的输入是速度参考值与实际值的偏差，输出是列车牵引力参考值Fx_ref(t)。应用列车牵引力参考值Fx_ref(t)与长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)，根据公式(4)计算q轴电流参考值：
式中，iq_ref(t)为q轴电流参考值，Fx_ref(t)为列车牵引力参考值，t为悬浮系统工作时间，τ为定子极距，ψm(t)为长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链。
电流环包括两个PI调节器，q轴电流参考值由公式(4)计算，d轴电流参考值为零。应用q轴电流参考值iq_ref(t)，长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)，列车速度v来计算d、q轴的前馈电压，公式如下：
式中，ΔUd为d轴电压前馈，ΔUq为q轴电压前馈，v为列车速度，t为悬浮系统工作时间，τ为定子极距，Lq为定子q轴电感，iq_ref(t)为q轴电流参考值，Rs为定子电阻，ψm(t)为长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链。
将计算得到的d、q轴前馈电压与电流环d、q轴PI调节器输出的参考电压求和，得到d、q轴电压参考值。
步骤5：将d、q轴电压参考值经坐标变换，采用相应调制算法控制变流器，从而实现对长定子直线同步电机的控制，有效抑制电机的牵引力波动。

Claims (4)

1.一种高速磁悬浮列车长定子直线同步电机牵引控制方法，其特征在于，所述控制方法包含以下步骤：在磁悬浮列车各悬浮控制点布置悬浮间隙传感器，采集各个悬浮控制点的悬浮气隙长度，求取各个悬浮控制点的悬浮气隙长度的平均值，得到磁悬浮列车平均气隙长度x(t)；然后建立悬浮系统模型，得到随气隙长度变化的励磁电流im(t)；根据列车平均气隙长度x(t)及励磁电流im(t)，估算出长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)；将长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)引入外部速度环和内部电流环，实时计算q轴电流参考值及前馈电压，将d、q轴电压参考值经坐标变换，采用调制算法控制变流器，控制长定子直线同步电机，抑制由悬浮系统引起的牵引力波动。
2.根据权利要求1所述的高速磁悬浮列车长定子直线同步电动机牵引控制方法，其特征在于：所述的悬浮系统模型由下述公式(2)得到：
式中：x(t)为列车平均气隙长度，im(t)为励磁电流，m为车重，g为重力加速度，F[im(t),x(t)]为法向力，μ0为真空磁导率，N为励磁线圈匝数，A为磁极的磁路有效面积，u(t)为励磁电压，R为励磁线圈电阻，t为悬浮系统工作时间。
3.根据权利要求1所述的高速磁悬浮列车长定子直线同步电动机牵引控制方法，其特征在于：所述的长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)的计算公式为：
式中，x(t)为列车平均气隙长度，im(t)为励磁电流，t为悬浮系统工作时间，Km为长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间互感磁链的比例系数；Km通过气隙与长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间互感的额定值求得。
4.根据权利要求1所述的高速磁悬浮列车长定子直线同步电动机牵引控制方法，其特征在于：将长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)引入外部速度环和内部电流环，实时计算q轴电流参考值及前馈电压的方法如下：
外部速度环PI调节器输出列车牵引力参考值Fx_ref(t)，根据如下公式(4)计算q轴电流参考值：
式中，iq_ref(t)为q轴电流参考值，Fx_ref(t)列车牵引力参考值，t为悬浮系统工作时间，τ为定子极距，ψm(t)为长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链；
内部电流环q轴电流参考值由公式(4)计算得到，d轴电流参考值为零，电压前馈值根据长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链ψm(t)计算，公式如下：
式中，ΔUd为d轴电压前馈，ΔUq为q轴电压前馈，v为列车速度，τ为定子极距，Lq为定子q轴电感，iq_ref(t)为q轴电流参考值，Rs为定子电阻，t为悬浮系统工作时间，ψm(t)为长定子直线同步电机励磁绕组和d轴定子绕组之间的互感磁链；
电流环PI调节器输出的参考电压与电压前馈求和得到d、q轴电压参考值。
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