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直線感應電動機控制方法概述

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:5088


 摘要:直線感應電動機是一種應用越來越廣泛的特殊電機,文章論述了該種電機控制的國內外研究現狀。

1前言

   直線電動機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能的動力源。在許多傳統的由旋轉運動變成直線運動的場合使用直線電動機可以省去轉換機構,簡化設備,提高運行可靠性和運行效率。隨著直線電動機理論和設計技術的不斷成熟以及直線電動機品種的不斷增加。它在工業、交通、國防及民用等領域得到了越來越廣泛的應用。

   在種類繁多的直線電動機中,直線感應電動機(以下簡稱LM)的應用最廣,電動機功率覆蓋的范圍最寬,故它是較重要的一種直線電動機。目前直線感應電動機在交通領域如磁懸浮列車和地鐵,在浮法錫槽中的玻璃成型、物料傳送、保安門、電梯、導彈發射等方面得到了廣泛的應用。

   盡管直線感應電動機應用廣泛,但由于這種電機結構的特殊性,對其準確控制較普通感應電動機要復雜得多。本文對直線感應電動機控制的國內外研究情況進行概述。

2 LIM控制方法

2.1基于位置速度閉環的PID控制方法

   PID控制是一種簡單而實用的控制方法,是目前工程技術人員廣泛使用的一種控制技術。通常PID控制中,檢測LIM的位移或者速度,與理想值相比較,計算偏差e,然后根據e的數值采取PID控制策略,基本PID控制框圖如圖1所示:

    圖1 LIM的PID控制基本框圖

   文獻[2]中Pritschow等人在直線電動機進給系統中采用了P位置控制和P/PI速度控制。但是,直線電動機存在邊端效應,模型為復雜的非線性模型,單純的PID控制往往達不到好的控制效果。故一些學者嘗試將PID控制和現代控制方法相結合,以提高控制系統的白適應性、魯棒性和智能化。文獻[1]對直線電動機驅動帶式高速包刷分揀系統采用PID控制和模糊控制兩種情況進行了比較,指出在控制精度要求更高情況下,采用模糊控制將會更適合。文獻[3]考慮到邊緣效應和渦流效應,總結了基于矢量控制的LIM建模方法,提出了PID控制與現代控制理論相結合的改進控制技術:①與往復控制方法結合,②模糊PID控制,③基于回路成型H。方法的魯棒PID控制。文獻[4]將PID控制器與Smith預估計器結合,可以對控制對象的時間滯后進行補償,有效克服了純滯后對控制系統穩定性的影響。近年來,隨著現代控制技術的發展,自適應控制、模糊控制、神經網絡控制等控制方法被引入LIM的驅動控制中。F.J.lin等人將自適應控制方法應用于直線電動機驅動的往復定位系統中,試驗證明采用此控制方法對于電機參數變化外界力干擾、摩擦力變化等都具有較好的魯棒性。之后,F.J.lin等人又將滑??刂破髋c自適應方法結合起來,通過滑模觀測器產生控制器所需反饋信息。R.J.Wai等人將神經網絡控制方法應用于直線電動機控制中,用遞歸神經網絡辨識器(RNNI)辨識電機控制變量,用BP算法對辨識器進行在線訓練。與滑模觀測方法相比較,神經網絡辨識器具有更高的辨識精度,且參數跟蹤誤差具有很好的收斂性。H.Amirkhani等人用模糊控制器對LM進行控制,與普通的PID控制相比,特別是在低頻段,模糊PID控制具有更好的頻率響應。

2.2 LIM的矢量控制

   PID控制結構簡單,能達到一定的控制要求,因而在工業上得到了廣泛應用,然而現代生產對控制系統動靜態性能不斷提出了更高的要求。PID控制方法是從直線電動機的穩態等效電路和穩態推力公式出發推導出的穩態值控制,沒有考慮過渡過程,因此在系統設計時存在許多假設,得出的是近似傳遞函數,這與實際狀況有較大誤差,系統在穩定性、起動及低速時推力動態響應等方面的性能尚不能令人滿意。矢量控制考慮到感應電動機是一個多變量、強耦合的參數系統,對電流進行解耦后分別控制勵磁電流和轉矩電流,使感應電動機象直流電動機一樣具有較高的控制性能。旋轉感應電動機的矢量控制經過多年的發展,已經成為比較成熟的技術。LIM的矢量控制原理上與旋轉感應電動機相同,但是由于LIM結構的特殊性,其內部耦合關系更為復雜,因此LIM的矢量控制難度更大,尚處于探索階段。

   矢量控制較為常用的是轉差頻率矢量控制和直接轉子磁場矢量控制。

   轉差頻率矢量控制僅考慮磁通的穩態方程,采用開環磁通控制,且不需要進行繁瑣的坐標變換,運算和控制較簡單,在基頻下得到較多的應用。日本學者Yasumasa Ogino采用轉差頻率矢量控制方法對LIM進行控制,實現了推力35 kg,速度0.3 m/min下的超低速電機速度控制。在階躍負載和階躍速度指令下,得到了精確的響應,這對于旋轉電機是很難實現的??刂葡到y結構如圖2所示:

   圖2 LIM轉差頻率矢量控制系統框圖

   直接轉子磁場矢量控制將磁通和轉矩完全解耦,分別對勵磁電流和轉矩電流進行控制。文獻[10]在考慮動態縱向邊端效應影響的基礎上,基于旋轉感應電動機等效電路觀點,建立了按磁場定向的LM矢量控制系統模型,并進行了仿真。Sung Jh等人在考慮了邊緣效應的LIM模型基礎上,實現了LIM的直接轉子磁場矢量控制,控制系統框圖如圖所示。

   圖3LIM直接轉子磁場矢量控制系統框圖

   系統包括磁通閉環控制,控制的精度依賴于轉子磁通觀測的精度,而磁通受電機參數的影響很大。研究表明,旋轉感應電機轉子阻抗由于溫升引起的變化可能導致控制不穩定;而LIM由于氣隙較大,散熱能力比旋轉電機強,因此電機的參數受溫度影響小,對其進行矢量控制比旋轉電機有更好的性能,但是這種控制策略本質上還是依賴于電機的參數。除了需要確定磁鏈之外,又要考慮直線電機運行過程中結構參數變化的影響,因此系統趨于復雜,實用化比較困難。

2.3 LIM的直接力與磁通控制

   直線電動機的直接力控制,是直接在定子坐標系下計算與控制電機的推力,用空間矢量調制方法產生PWM信號,直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制,以獲得推力的高動態性能。直接力控制具有推力響應快,不受電機參數變化影響等優點,這對于模型不能完全確定的直線電機尤為適用。直接力控制的基本控制框圖如圖4所示:

    圖4 LIM直接力控制系統框圖

   在直接力控制中,電機的實際值推力F、速度λ是未知的,而且很難直接測量,因此要對這兩個值進行觀測和估計,F、λ觀測計算的精度直接影響控制的精度?,F有的方法有電壓模型觀測法、電流模型觀測法、龍貝格狀態觀測法等。電壓模型法是最簡單的磁通觀測方法,實際上就是利用初級電壓方程,通過積分計算得到磁通,這種方法在轉速很低時計算誤差大。電流模型法依賴于電機參數,并利用次極的電壓方程計算磁通,因此,電機參數變化對磁通估算有很大的影響。Robelto等人用直接力控制方法成功地對雙邊型llM進行了控制,并用擴展的卡爾曼濾波(EKF)觀測器估計磁通。V.Delli.Colli等人提出用降階的龍貝格狀態觀測器觀測磁通,并將其用于3 kW的LIM直接力控制系統中,在高頻時得到了非常好的推力響應曲線,但在低頻時推力響應不夠理想,這是因為LIM低頻時產生的推力脈動較大造成的。

2.4 LIM的無速度傳感器控制

   近年來,感應電動機的無速度傳感器控制技術引起了人們的廣泛關注,成為交流傳動的一個熱點問題。國外從20世紀70年代就開始了這方面的研究,至今應用于旋轉感應電動機的無速度傳感器控制技術已經比較成熟,相關的應用產品也已經誕生。但是,有關LIM無速度傳感器控制技術的研究還非常少,Hyung—Min Ryu等學者采用不依賴電機的參數和運行狀況的高頻注入速度估計方法,實現了LIM無速度傳感器推力控制,并通過試驗證明在低頻段這種方法具有較高的速度觀測精度,從而為LIM無速度傳感器極低速下的應用提供了新的思路,但仍處于試驗研究階段,離實際應用還有距離。

3控制方法特點比較

   上面我們綜述了直線感應電動機的幾種主要控制方法,這些方法各有特點,主要體現在:

   (1)轉速閉環PlD控制是最簡單、最常用、最容易實現的一種控制方法,基本上能夠解決電機的平滑調速問題,但是它基于系統的穩態值控制電機,所以穩定性、起動和低速時及轉矩動態相應等方面的性能都不盡如人意。

   (2)矢量控制是把初級電流中的勵磁電流分量和轉矩電流分量變成標量,獨立開來分別控制,使直線感應電機象直流電機一樣進行快速的力矩和磁通控制。其中,直接轉子磁場矢量控制達到系統的完全解耦,理論上具有最佳的控制性能,但實際中,由于受轉子時間常數的影響較大,而且兩次解耦系統過于復雜,很難實現。轉差頻率矢量控制,結構較為簡單,同時這種方法可以使電機低速穩定運行,因而在許多接近零速運行的系統中具有很強的優勢,但是,這種方法也是基于矢量方程,故系統性能同樣受轉子參數影響。

   (3)直接力控制省掉了復雜的矢量坐標變換,直接從電機產生的力人手,響應迅速,控制結構簡單,同時控制性能受參數變化影響小。此方法在高速時具有很好的控制性能,但低速時由于受轉矩脈動的影響,控制效果不理想。

   (4)無速度傳感器控制省去了復雜、昂貴的轉速檢測器件,是一種新穎的控制方法,節省費用,具有廣闊的發展前景。

4結語

   概括地說,雖然直線電動機以普通感應電動機理論為其設計基礎,但是由于電機結構的特殊性,對其控制與普通感應電機是不一樣的。尤其當該種電機用于牽引時,必須綜合考慮牽引力和法向作用力,對此在電機控制方面發表的論文廖廖無幾;所提出的控制策略基本上是采用開環控制,且基本沿用了旋轉電機的方法,僅在考慮直線電動機模型的前提下進行了一些改進和校正。對于閉環控制的研究尚處于起步階段,對于同時考慮法向力影響情況下的

牽引控制尚處于空白狀態。

   國內對于LIM的研究較國外要滯后,目前仍處于應用領域的探索、設計制造及特性分析階段,少數學者做了PID控制方法的研究,而直線感應電動機的矢量控制、速度觀測、參數辨識等方面的研究還很少。隨著LIM的應用日益廣泛,如磁懸浮列車、地鐵、電梯和直線發射方面的應用,對該種電機控制的研究越來越重要,也必將受到廣大學者的進一步重視。

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