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一种直线感应电机法向检测与控制方法及系统

阅读:0发布:2023-01-15

专利汇可以提供一种直线感应电机法向检测与控制方法及系统专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种直线感应 电机 法向 力 检测与控制方法及系统。首先采集直线感应电机初级 电流 iA、iB,通过ABC-dq坐标变换后计算获得初级d轴电流ids与初级q轴电流iqs;继而计算滑差 角 频率 ωsl、初级角频率ωs、转差s、初级行波电流层幅值J1,进而计 算法 向力Fn。将Fn、ωr分别与其给定值比较后,经PI调节获得控制量 将次级d轴磁链ψdr与其控制量比较后,经PI调节获得控制量 将ids、iqs分别与其控制量比较后,经PI调节获得初级d轴 电压 控制量 初级q轴电压控制量 再将 经dq-αβ坐标变换后进行空间矢量 脉宽调制 ,控制逆变器驱动直线感应电机运行,以实现对法向力的有效控制,降低法向力对电机运行性能的影响,提升 导轨 、 车轮 等相关设备的使用寿命。,下面是一种直线感应电机法向检测与控制方法及系统专利的具体信息内容。

1.一种直线感应电机法向检测方法,其特征在于,具体为:
(1)采集直线感应电机初级电流iA、iB;
(2)由电机初级电流iA、iB结合次级磁链度通过ABC-dq坐标变换后计算获得初级d轴电流ids与初级q轴电流iqs;
(3)基于获得的初级d轴电流ids与初级q轴电流iqs计算滑差角频率 结合电
机次级角频率ωr计算初级角频率ωs=ωr+ωsl以及转差 进而计算初级行波电流层幅值 其中,Lme、Rre分别为计及边端效应影响的等效
励磁电感与等效次级电阻, 为次级磁链相量,ms为初级相数,Ws为初级每相串联数,kws为初级绕组系数,npp为直线感应电机实际极对数,τ为极距,Lr为等效次级电阻;电机次级角频率ωr为 式中v2为电机速度;
(4)计算法向力 其中,ls为直线感应
电机长度,λs为电机宽度,μ0为真空磁导率,s为转差,Rm为磁雷诺数,τ为极距,ge为等效电磁气隙长度,J1为初级行波电流层幅值,π为圆周率。
2.根据权利要求1所述的直线感应电机法向力检测方法,其特征在于,所述磁雷诺数Rm为:Rm=σtμ0v1,其中,σt为次级表面等效电导率,v1为电机同步速度。
3.根据权利要求1或2所述的直线感应电机法向力检测方法,其特征在于,所述等效电磁气隙长度ge为:ge=kc(gm+d),其中,gm为机械气隙长度,d为次级导板厚度,kc为卡特系数。
4.根据权利要求1或2所述的直线感应电机法向力检测方法,其特征在于,所述次级表面等效电导率σt为:σt=dσ2,其中,d为次级导板厚度,σ2为次级导板电导率。
5.根据权利要求1或2所述的直线感应电机法向力检测方法,其特征在于,所述等效励磁电感Lme、等效次级电阻Rre为:Lme=KxCxLm,Rre=KrCrRr,其中,Lm为励磁电感,Rr为次级电阻,Kr为纵向边端效应次级电阻修正系数,Kx为纵向边端效应励磁电感修正系数,Cr为横向边缘效应次级电阻修正系数,Cx为横向边缘效应励磁电感修正系数。
6.一种基于权利要求1-5任意一项权利要求所述方法的直线感应电机法向力控制方法,其特征在于,
按照权利要求1-5任意一项权利要求所述方法检测法直线感应电机法向力;
将计算获得的法向力Fn与法向力给定值 比较后,经PI调节获得次级d轴磁链控制量将次级d轴磁链ψdr与次级d轴磁链控制量 比较后,经PI调节获得初级d轴电流控制量 将次级角频率ωr与给定值 比较后经PI调节获得初级q轴电流控制量
将初级d轴电流ids与初级d轴电流控制量 比较后,经PI调节获得初级d轴电压控制量将初级q轴电流iqs与初级q轴电流控制量 比较后,经PI调节获得初级q轴电压控制量将初级d轴电压控制量 初级q轴电压控制量 经过dq-αβ坐标变换后进行空间矢量脉宽调制,控制逆变器驱动直线感应电机运行。
7.一种实现权利要求6所述方法的直线感应电机法向力控制系统,包括:
控制器,用于按照权利要求6所述方法检测直线感应电机法向力;
第一比较器,用于将法向力Fn与给定值 进行比较;
第一PI调节器,用于将所述第一比较器比较后的结果进行调节获得次级d轴磁链控制量
第二比较器,用于将次级d轴磁链ψdr与次级d轴磁链控制量 进行比较;
第二PI调节器,用于将所述第二比较器比较后的结果进行调节获得初级d轴电流控制量
第三比较器,用于将电机次级角频率ωr与给定值 进行比较;
第三PI调节器,用于将所述第三比较器比较后的结果进行调节获得初级q轴电流控制量
第四比较器,用于将初级d轴电流ids与初级d轴电流控制量 进行比较;
第四PI调节器,用于将所述第四比较器比较后的结果进行调节获得初级d轴电压控制量
第五比较器,用于将初级q轴电流iqs与初级q轴电流控制量 进行比较;
第五PI调节器,用于将所述第五比较器比较后的结果进行调节获得初级q轴电压控制量
所述控制器,还用于将初级d轴电压控制量 初级q轴电压控制量 经过dq-αβ坐标变换后进行空间矢量脉宽调制,控制逆变器驱动直线感应电机运行。

说明书全文

一种直线感应电机法向检测与控制方法及系统

技术领域

[0001] 本发明属于直线感应电机领域,更具体地,涉及一种直线感应电机法向力检测与控制方法及系统。

背景技术

[0002] 直线感应电机无需借助传动机构即可产生推力,具有结构简单、加减速度大、机械损耗小、维护量小等优势,从而广泛应用于轨道交通、伺服系统、传送带等场合。
[0003] 但是直线感应电机由于初次级电流、初次级磁场之间相互作用,存在与推力方向垂直的电磁力,即为法向力。在部分运行工况下,法向力可达推力的5倍之多,将显著增加直线感应电机视在重量,引起电机动态性能降低。在轨道交通等场合,法向力还将导致滚动阻力上升、导轨弯曲、车轮损耗等。此外,对磁浮系统而言,法向力的存在与变化亦将影响悬浮系统的正常工作,对列车运行平稳度产生不利影响。
[0004] 为此,需对直线感应电机法向力进行有效、准确的控制,以降低其对电机运行的影响,但当前尚没有相对准确且实用的法向力建模、计算与控制方法。

发明内容

[0005] 针对上述问题,本发明提供了一种直线感应电机法向力检测与控制方法及系统,可准确计算直线感应电机法向力,并有效实现法向力控制,降低法向力对直线感应电机运行性能的影响,提升导轨、车轮等相关设备的使用寿命。
[0006] 按照本发明的一方面,提供一种直线感应电机法向力检测方法,具体为:
[0007] (1)采集直线感应电机初级电流iA、iB;
[0008] (2)由电机初级电流iA、iB结合次级磁链度通过ABC-dq坐标变换后计算获得初级d轴电流ids与初级q轴电流iqs;
[0009] (3)基于获得的初级d轴电流ids与初级q轴电流iqs计算滑差角频率 结合电机次级角频率ωr计算初级角频率ωs=ωr+ωsl以及转差 进而计算初级行波电流层幅值 其中,Lme、Rre分别为计及边端效应影响的
等效励磁电感与等效次级电阻, 为次级磁链相量,ms为初级相数,Ws为初级每相串联数,kws为初级绕组系数,npp为直线感应电机实际极对数,τ为极距,Lr为等效次级电阻;电机次级角频率ωr为 式中v2为电机速度;
[0010] (4)计算法向力 其中,ls为直线感应电机长度,λs为电机宽度,μ0为真空磁导率,s为转差,Rm为磁雷诺数,τ为极距,ge为等效电磁气隙长度,J1为初级行波电流层幅值,π为圆周率;
[0011] 进一步地,磁雷诺数Rm为:Rm=σtμ0v1,其中,σt为次级表面等效电导率,v1为电机同步速度;
[0012] 进一步地,所述等效电磁气隙长度ge为:ge=kc(gm+d),其中,gm为机械气隙长度,d为次级导板厚度,kc为卡特系数。
[0013] 进一步地,所述次级表面等效电导率σt为:σt=dσ2,其中,d为次级导板厚度,σ2为次级导板电导率。
[0014] 进一步地,所述等效励磁电感Lme、等效次级电阻Rre为:Lme=KxCxLm,Rre=KrCrRr,其中,Lm为励磁电感,Rr为次级电阻,Kr为纵向边端效应次级电阻修正系数,Kx为纵向边端效应励磁电感修正系数,Cr为横向边缘效应次级电阻修正系数,Cx为横向边缘效应励磁电感修正系数。
[0015] 按照本发明的第二方面,提供了一种基于所述检测方法的直线感应电机法向力控制方法,具体为:
[0016] 按照所述方法检测法直线感应电机法向力Fn;
[0017] 将计算获得的法向力Fn与法向力给定值 比较后,经PI调节获得次级d轴磁链控制量 将次级d轴磁链ψdr与次级d轴磁链控制量 比较后,经PI调节获得初级d轴电流控制量 将次级角频率ωr与给定值 比较后经PI调节获得初级q轴电流控制量
[0018] 将初级d轴电流ids与初级d轴电流控制量 比较后,经PI调节获得初级d轴电压控制量 将初级q轴电流iqs与初级q轴电流控制量 比较后,经PI调节获得初级q轴电压控制量 将初级d轴电压控制量 初级q轴电压控制量 经过dq-αβ坐标变换后进行空间矢量脉宽调制,控制逆变器驱动直线感应电机运行。
[0019] 按照本发明的第三方面,提供一种实现所述控制方法的直线感应电机法向力控制系统,包括:
[0020] 控制器,用于按照所述方法检测直线感应电机法向力;
[0021] 第一比较器,用于将法向力Fn与给定值 进行比较;
[0022] 第一PI调节器,用于将所述第一比较器比较后的结果进行调节获得次级d轴磁链控制量
[0023] 第二比较器,用于将次级d轴磁链ψdr与次级d轴磁链控制量 进行比较;
[0024] 第二PI调节器,用于将所述第二比较器比较后的结果进行调节获得初级d轴电流控制量
[0025] 第三比较器,用于将电机次级角频率ωr与给定值 进行比较;
[0026] 第三PI调节器,用于将所述第三比较器比较后的结果进行调节获得初级q轴电流控制量
[0027] 第四比较器,用于将初级d轴电流ids与初级d轴电流控制量 进行比较;
[0028] 第四PI调节器,用于将所述第四比较器比较后的结果进行调节获得初级d轴电压控制量
[0029] 第五比较器,用于将初级q轴电流iqs与初级q轴电流控制量 进行比较;
[0030] 第五PI调节器,用于将所述第五比较器比较后的结果进行调节获得初级q轴电压控制量
[0031] 所述控制器,还用于将初级d轴电压控制量 初级q轴电压控制量 经过dq-αβ坐标变换后进行空间矢量脉宽调制,控制逆变器驱动直线感应电机运行。
[0032] 总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,主要有以下的技术优点:可以快速检测直线感应电机法向力,并实现法向力的有效控制,降低法向力对直线感应电机运行性能的影响。附图说明
[0033] 图1是直线感应电机二维模型。
[0034] 图2是直线感应电机等效电路模型。
[0035] 图3是直线感应电机法向力控制原理图。

具体实施方式

[0036] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0037] 1、直线感应电机法向力计算
[0038] 图1是直线感应电机二维模型。假设电机初、次级沿y轴方向无限长,且磁导率无穷大,因而初、次级磁场强度均为零。定义气隙磁场强度为
[0039] H=exRe(Hx)+eyRe(Hy)   (1)
[0040] 式中,ex、ey分别为x、y轴方向上的单位矢量,Re表示实部,Hx、Hy分别为x、y轴方向上磁场强度分量,其可表示为
[0041]
[0042]
[0043] 式中,τ为极距,ω为气隙磁场角频率,t为时间,P、Q为待定的复数。
[0044] 等效电磁气隙长度ge由下式计算
[0045] ge=kc(gm+d)   (4)
[0046] 其中,gm为机械气隙长度,d为次级导板厚度,kc为卡特系数。
[0047] 在y=ge处(即初级表面),由麦克斯韦方程得
[0048]
[0049] 式中,j1为初级表面行波电流,其表述为
[0050]
[0051] 式中,ez为z轴方向上的单位矢量,J1为初级行波电流层幅值。
[0052] 将式(1)-(3)、(6)代入式(5),得
[0053]
[0054] 在y=0处(即次级表面),由麦克斯韦方程得
[0055]
[0056] 式中,j2为次级表面行波电流,E为电场强度,σt为次级表面等效电导率,其表述为[0057] σt=dσ2   (9)
[0058] 其中σ2为次级导板电导率。
[0059] 由式(1)-(3)、(8)可得
[0060] jσtμ0(v1-v2)P+Q=0   (10)
[0061] 式中,μ0为真空磁导率,v1为电机同步速度,v2为电机速度。
[0062] 联立式(7)、(10)可解得
[0063]
[0064]
[0065] 式中,s为转差,Rm为磁雷诺数,其表述为
[0066] Rm=σtμ0v1   (13)
[0067] 在直线感应电机有效区域内,对麦克斯韦磁应力张量进行积分得法向力为[0068]
[0069] 式中,ls为直线感应电机长度,λs为电机宽度, 分别为Hx、Hy的共轭复数,求解上式得
[0070]
[0071] 2、直线感应电机法向力控制
[0072] 要实现直线感应电机法向力的有效控制,需先将法向力表达式转换为相应控制量的函数。初级行波电流层幅值可表示为
[0073]
[0074] 式中,ms为初级相数,Ws为初级每相串联匝数,kws为初级绕组系数,npp为直线感应电机实际极对数,为初级电流相量。
[0075] 图2为直线感应电机等效电路模型,Lls、Lm与Llr分别为初级漏感、励磁电感与次级漏感,Rs、Rr分别为初级电阻、次级电阻。
[0076] 由图2可知
[0077]
[0078]
[0079] 式中,为次级电流相量,Lr为等效次级电阻, 为次级磁链相量,ωs为初级角频率,Lme、Rre分别为计及边端效应影响的等效励磁电感与等效次级电阻,其表述为[0080]
[0081] 式中,Kr为纵向边端效应次级电阻修正系数,Kx为纵向边端效应励磁电感修正系数,Cr为横向边缘效应次级电阻修正系数,Cx为横向边缘效应励磁电感修正系数。
[0082] 由式(17)、(18)可得
[0083]
[0084] 将式(20)代入式(16)得
[0085]
[0086] 将式(21)代入式(15)得
[0087]
[0088] 在次级磁场定向下,采用恒功率坐标变换时有
[0089]
[0090] 式中,ψdr、ψqr分别为次级d、q轴磁链。
[0091] 最终获得法向力关于次级磁链的函数为
[0092]
[0093] 由上式可知:法向力的正负由1-(sRm)2决定,当 时,法向力为正,表现为吸力,反之则表现为斥力。式中,初级角频率ωs可由下式计算获得
[0094] ωs=ωr+ωsl   (25)
[0095] 式中,ωr、ωsl分别为次级角频率和滑差角频率,并有
[0096]
[0097] 其中ids、iqs分别为初级d轴电流、初级q轴电流。
[0098] 从而得转差s为
[0099]
[0100] 同时,由式(24)可知,法向力与次级d轴磁链的平方正相关,因而可通过控制次级d轴磁链从而实现法向力的控制。
[0101] 图3是本发明实施例中直线感应电机法向力控制原理图,具体实施步骤如下:
[0102] (1)采集直线感应电机初级电流iA、iB;
[0103] (2)由电机初级电流iA、iB结合次级磁链角度通过ABC-dq坐标变换后计算获得初级d轴电流ids与初级q轴电流iqs;
[0104] (3)基于获得的初级d轴电流ids与初级q轴电流iqs计算滑差角频率 结合电机次级角频率ωr计算初级角频率ωs=ωr+ωsl以及转差 进而计算初级行波电流层幅值 其中,Lme、Rre分别为计及边端效应影响的
等效励磁电感与等效次级电阻, 为次级磁链相量,ms为初级相数,Ws为初级每相串联匝数,kws为初级绕组系数,npp为直线感应电机实际极对数,τ为极距,Lr为等效次级电阻;电机次级角频率ωr为 式中v2为电机速度;
[0105] (4)计算法向力 其中,ls为直线感应电机长度,λs为电机宽度,μ0为真空磁导率,s为转差,Rm为磁雷诺数,τ为极距,ge为等效电磁气隙长度,J1为初级行波电流层幅值,π为圆周率;
[0106] (5)将计算获得的法向力Fn与法向力给定值 比较后,经PI调节获得次级d轴磁链控制量 将次级d轴磁链ψdr与次级d轴磁链控制量 比较后,经PI调节获得初级d轴电流控制量 将次级角频率ωr与给定值 比较后经PI调节获得初级q轴电流控制量
[0107] (6)将初级d轴电流ids与初级d轴电流控制量 比较后,经PI调节获得初级d轴电压控制量 将初级q轴电流iqs与初级q轴电流控制量 比较后,经PI调节获得初级q轴电压控制量 将初级d轴电压控制量 初级q轴电压控制量 经过dq-αβ坐标变换后进行空间矢量脉宽调制,控制逆变器驱动直线感应电机运行。
[0108] 图3给出实现上述方法得直线感应电机法向力控制系统,包括:
[0109] 控制器,用于按照上述方法检测法向力Fn;
[0110] 第一比较器,用于将法向力Fn与给定值 进行比较;
[0111] 第一PI调节器,用于将所述第一比较器比较后的结果进行调节获得次级d轴磁链控制量
[0112] 第二比较器,用于将次级d轴磁链ψdr与次级d轴磁链控制量 进行比较;
[0113] 第二PI调节器,用于将所述第二比较器比较后的结果进行调节获得初级d轴电流控制量
[0114] 第三比较器,用于将电机次级角频率ωr与给定值 进行比较;
[0115] 第三PI调节器,用于将所述第三比较器比较后的结果进行调节获得初级q轴电流控制量
[0116] 第四比较器,用于将初级d轴电流ids与初级d轴电流控制量 进行比较;
[0117] 第四PI调节器,用于将所述第四比较器比较后的结果进行调节获得初级d轴电压控制量
[0118] 第五比较器,用于将初级q轴电流iqs与初级q轴电流控制量 进行比较;
[0119] 第五PI调节器,用于将所述第五比较器比较后的结果进行调节获得初级q轴电压控制量
[0120] 所述控制器,还用于将初级d轴电压控制量 初级q轴电压控制量 经过dq-αβ坐标变换后进行空间矢量脉宽调制(SVPWM),控制逆变器驱动直线感应电机运行。
[0121] 本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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