一种长初级直线感应电动机测速方法

摘要

本发明涉及一种长初级直线感应电机测速方法，通过传感器获取动子位置D，将检测到的电机初级绕组或电机电枢绕组各相电流进行Park变换并通过电机电磁推力公式计算得到电机电磁推力计算值Fecal，将考虑直线电机参数误差、边端效应以及阻力等造成的电机实际推力与电磁推力计算值存在的误差记为ΔF，将推力误差ΔF与负载质量M的比值ΔF/M扩展成一个新的状态变量Δa，根据扩展后的直线电机运动方程构造成线性扩张状态观测器LESO，推导观测器误差方程的特征方程并将三个极点配置在复平面的左半平面‑ω0以求取观测器的增益，从而求得观测到的电机动子实际速度，所述速度观测器方法简单，只需配置一个ω0参数，通过选取合适的ω0可快速跟踪电机动子速度真实值。

说明书

技术领域

本发明涉及机电领域，尤其是一种直线电机的测速方法，特别是应用于长初级直线异步电机或长电枢直线同步电机的测速方法。

背景技术

长初级直线感应电机高速运行时边端效应小，非常适合应用轨道交通牵引、高速直线电机电磁推进等领域。

长初级直线感应电机磁场定向控制中，速度信息是一个必要条件，速度的精度决定了控制性能。特别在高速直线驱动领域，速度信号难以直接测量，首先要得到位置信号。

在旋转电机驱动系统中，编码器是一种常用的角度/位置测量方法，编码器的码盘与转子同轴做旋转运动。旋转编码器码盘光栅数通常有1024、2048、4096等，分辨率高，位置测量精度高，结合M法、T法或M/T法将位置信息转换为速度信号，即进行测速。M法是对编码器在一定的时间内输出的脉冲个数计数来计算速度，适合用于高速运行；T法是测取编码器两个输出脉冲之间的时间间隔来计算速度，适合用于低速段；M/T法综合了M法和T法的特点，在低速和高速都具有较高测速精度。

在长初级直线电机驱动系统中，长初级直线电机的初级绕组、供电系统和控制系统均固定在地面，位置测量设备通常也固定在初级基座上，以尽量减少速度信号传输的时延。常用的实时位置测量方法通常有两种：激光测距和脉冲信号定位。激光测距得到的位置信号是连续的，但受环境影响较大，测量结果中存在噪声，经过微分运算，真实的速度信息可能被淹没在噪声中，用于电机速度控制时精度较低，无法满足高精度速度控制要求。脉冲信号定位通常用光栅进行定位，光栅定位类似于直线编码器，没有噪声，但位置信号是离散的，绝对精度与光栅的宽度、加工均匀性等有关，很难满足时速600公里及以上高速运行场合。受到机械强度和激光器光斑大小的限制，直线光栅宽度较大，因此M法不再适用。受到机械加工精度和机械振动的影响，T法也不再适用。因此，不管是激光测距还是光栅定位，都需要使用合适的微分方法或其他方法从位置量装换为速度量。

为了提高测速精度，需要研究有效的微分方法。韩京清，王伟在文献“非线性跟踪—微分器[J].系统科学与数学,1994,14(2):177-183.”中提出跟踪微分器(tracking-differentiator，TD)的思想，给出了非线性跟踪微分器的一般形式，对其信号跟踪命题给出了严格的证明。韩京清，王露林在文献“跟踪-微分器的离散形式[J].系统科学与数学,1999,19(3):263-273.”利用二次时间最速系统提出了一种离散形式的TD，具有快速跟踪输入信号、无超调、无颤振的特性，能得到较好的微分信号。但是，使用TD计算得到的速度信息存在滞后小噪声大或噪声小滞后大的问题，速度噪声大会增大控制系统的不稳定性，滞后大会导致输出推力下降，因此需要在噪声和滞后方面权衡考虑。谢云德，李云钢等在文献“一种基于边界特征线且特征点可变的二阶非线性离散跟踪微分器及在测速定位系统中的应用[J].自动化学报，2014，40(5):952-963.”中改进了经典TD，并应用于基于长定子齿槽检测的永磁电动磁悬浮列车的测速定位系统中，能有效滤除脉冲和扰动等定位噪声，但未用于测速。刘可安，田红旗等在文献“轨道交通直线感应电动机牵引系统精确瞬时速度检测技术研究[J].电工技术学报，2015，30(21)：161-169.”中提出一种基于牛顿运动模型的电动机瞬时速度观测器，但是观测器设计过程复杂，需要调节的观测器参数多。

现有测速方法不能满足高速驱动领域长初级直线电机对速度精度的要求。

发明内容

为满足高速直线电机速度、推力等控制性能，本发明提出一种应用于长初级直线感应电机的测速方法。所述长初级直线感应电机初级比次级长，长初级包括定子绕组、定子铁芯，以及一些固定结构件，长初级通入三相或多相交流电流，短次级为可移动部分称为动子，短次级可以是铝合金反应板或其他材料的导电板，通过长初级和短次级之间的磁通和电流的相互作用力驱动短次级沿长初级中交流电流的运动方向运动。

直线电机运动方程为：

其中，D是位移，v是速度，a是加速度，F

根据动子磁场定向后的初级d轴电流i

其中，L

直线同步电机电磁推力计算值公式表示如下：

其中，ψ

由于参数误差和边端效应造成计算的推力和真实推力之间有一个误差ΔF

F

运动方程可以重新整理为：

其中，ΔF＝ΔF

在电机系统中，Δa是有界且可微的，

设计线性扩张状态观测器(linear extended state observer，LESO)如式所示：

其中，z

取实际状态值和观测状态值之间的差值e，得到误差状态方程：

其中，

误差状态方程的特征方程λ(s)为：

λ(s)＝s

其中，s为拉普拉斯算子；

如果特征方程的特征值全部配置在复平面的左半平面，那么LESO是有界输入有界输出(BIBO)稳定。为了简单且便于配置极点，将观测器的3个极点配置在复平面左半平面-ω

λ(s)＝s

解得：

速度观测器方法简单，只需配置合适的ω

有益效果：

本发明提出的长初级直线电机测速方法，通过采用不同的Park变换矩阵和推力表达式，采用同样的测速方法步骤，可以应用于到3相直线电机或多相直线电机、直线异步电机或直线同步电机，以及其他形式的直线电机。

本发明提出的长初级直线电机测速方法，可应用到图1所示例的双边长初级直线电机测速，也可应用于单边长初级直线电机测速，可以将长初级直线感应电机测速方法和所述的长初级直线感应电动机测速方法步骤应用到短初级、长次级直线感应电机，长电枢、短励磁磁极的直线同步电机，或者短电枢、长励磁磁极的直线同步电机，以及其他形式的短定子、长动子直线电机。

本发明提出的测速方法可以满足高速驱动领域长初级直线电机对速度精度的要求，观测速度的噪声小且无滞后、误差小。

附图说明

图1基于磁场定向控制的双边长初级直线感应电机测速方法框图；

图2提出测速方法观测的速度曲线；

图3本发明提出的测速方法观测速度与实际速度的误差；

图4传统测速方法(TD)观测的速度曲线；

图5传统测速方法(TD)观测速度与实际速度的误差。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

以三相双边长初级直线感应电机测速控制系统为实施例，得到图1所示的基于磁场定向控制的双边长初级直线感应电机测速方法框图，图1中的速度观测器LESO按如下步骤设计。

利用电机电流传感器测量三相初级电流i

其中θ为动子磁场定向的角度；

根据磁场定向后的电机初级d轴电流i

其中，L

直线电机运动方程为：

其中，D是位移，v是速度，a是加速度，F

由于参数误差和边端效应造成计算的推力和真实推力之间有一个误差ΔF

F

运动方程可以重新整理为：

其中，ΔF＝ΔF

将Δa扩展成一个新的状态变量，运动方程为：

设计线性扩张状态观测器(linear extended state observer，LESO)如式所示：

其中，z

取实际状态值和观测状态值之间的差值e，得到误差状态方程：

其中，

误差状态方程的特征方程λ(s)为：

λ(s)＝s

其中，s为拉普拉斯算子；

如果特征方程的特征值全部在复平面的左半平面，那么LESO是有界输入有界输出(BIBO)稳定。为了简单且便于配置极点，将观测器的3个极点配置在复平面左半平面-ω

λ(s)＝s

解得：

从而得到速度v的观测量z

在本实施例中，取ω

图2为提出测速方法的直线电机次级动子速度的观测效果，观测速度噪声小，且无滞后。

图3为本发明提出测速方法观测的速度误差，观测速度误差小于0.06m/s。

图4为传统测速方法(TD)的电机次级动子速度的观测效果，观测速度噪声大，有滞后。

图5为传统测速方法(TD)计算的速度误差，观测速度误差约为0.3m/s。

综上所述，采用本发明的测速方法速度观测误差小、噪声小且无滞后，具有优异的性能。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。