一种超导磁悬浮直线电机场路运动控制方法和系统 |
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| 申请号 | CN202211455741.X | 申请日 | 2022-11-21 | 公开(公告)号 | CN118057722A | 公开(公告)日 | 2024-05-21 |
| 申请人 | 中国航天科工飞航技术研究院(中国航天海鹰机电技术研究院); | 发明人 | 毛凯; 高天宇; 张艳清; 张志华; 胡道宇; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种超导磁悬浮直线 电机 场路运动控制方法和系统。本发明中所涉及的方法包括获取直线电机相关的第一分段参数计算模型，获取动子磁体的推进方向位移，并基于推进方向位移确定是否需要启动第二分段参数计算模型用于相关参数的计算。其中，第一分段参数计算模型和第二分段参数计算模型是基于最小单元 定子 线圈代替实际全尺寸长度定子建模。利用本方案可以有效降低超导磁悬浮直线电机场路运动控制中的计算规模，同时提高计算的效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种超导磁悬浮直线电机场路运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种超导磁悬浮直线电机场路运动控制方法和系统技术领域[0001] 本发明涉及航天或者交通技术领域，尤其涉及一种超导磁悬浮直线电机场路运动控制方法和系统。 背景技术[0002] 超导磁悬浮系统的超导直线电机具备推力密度大、损耗低、功率因数高等优点，在航天电磁发射、磁悬浮交通等方面具有广阔的应用前景。该系统悬浮间隙大、安全系数高，但动子悬浮姿态的变化与电机控制存在复杂双向耦合关系，对控制系统及悬浮推进稳定性仿真评估带来困难。大长距离超导磁悬浮直线电机为了提高功率因数、降低供电容量，通常选择缩短单个供电分区长度的方式布设。能够提供实现高效率场路‑运动‑控制耦合的电机模型对研究磁悬浮直线电机过分段控制方法及运动‑控制双向耦合影响具有非常重要的意义。文章基于场‑路‑运动耦合模型的超导电动悬浮列车特性研究虽然设计了场‑路‑运动耦合模型的计算方法，但是并未涉及过分段问题的处理。WO2015/035758A1则采用多个系统仿真软件基于多回路法建立电机有限元的联合仿真模型。 [0003] 现有技术通常通过软件的耦合实现场路‑运动‑控制耦合模型搭建，如以maxwell、magnet等电磁场有限元软件搭建电机定动子电磁场模型及定子连接的电路模型计算每个计算步下动子所受六自由度电磁力，然后导出至adams等多体动力学软件中计算在该六自由度载荷影响下动子下一时刻六自由度姿态，再将六自由度姿态导入至matlab、PSIM等电机控制软件中计算该位置下的电机控制电流，再将控制电流引入电磁场有限元软件计算下一时刻六自由度载荷，形成完整闭合的场路运动耦合控制模型搭建。 [0004] 上述通过不同软件耦合实现的电机场路运动耦合控制模型虽然能够实现计算过程的完整闭环，但其目前主要应用场景为旋转电机，其特点为模型能够简化为二维模型，计算效率较高，圆周运动模型规模小，因此计算效率能够满足工程需要。但应用于大长距离、多分段的超导磁悬浮直线电机存在六自由度电磁载荷和运动计算必须为三维建模，软件计算效率极低，长距离多分段有限元模型规模庞大(几百米至上千公里)，现有电磁有限元模型无法满足计算需求，因此常规多软件耦合方式不适用于超导磁悬浮直线电机的场路运动耦合控制模型搭建。如何搭建适用于超导磁悬浮直线电机的场路运动耦合控制模型，并满足计算速度和效率的需要是目前函待解决的问题。 发明内容[0005] 本发明提供了一种超导磁悬浮直线电机场路运动控制方法和系统，解决了通过一种仿真软件即可搭建大长距离、多分段的超导磁悬浮直线电机长路运动耦合模型，在降低计算规模同时提高计算效率的问题。 [0006] 根据本发明的一方面，提供了一种超导磁悬浮直线电机场路运动控制方法，包括以下步骤：基于直线电机的分段情况，获取直线电机相关的至少一个分段参数计算模型，所述至少一个分段参数计算模型包括与第一分段对应的第一分段参数计算模型；获取动子磁体的推进方向位移；基于所述推进方向位移，判断所述动子磁体的运动状态，当所述动子磁体处于从所述第一分段移动至第二分段的过分段状态时，从所述至少一个分段参数计算模型中选择与所述第二分段相对应的第二分段参数计算模型；以及基于所述第一分段参数计算模型和第二分段参数计算模型共同确定超导磁悬浮直线电机场路运动控制的参数。 [0007] 在一些实施例中，所述至少一个分段参数计算模型中的至少一个是基于最小单元定子线圈代替实际全尺寸长度定子建模，所述最小单元定子线圈中包括M组多相定子线圈。 [0008] 在一些实施例中，所述M组多相定子线圈中M的数值是基于动子磁体磁极数确定。 [0009] 在一些实施例中，所述多相定子线圈对应于两极三槽直线电机的三相定子线圈，所述M组多相定子线圈是5组连续的三相定子线圈。 [0010] 在一些实施例中，基于所述第一分段参数计算模型和第二分段参数计算模型共同计算得到的参数确定定子线圈的总反电动势。 [0011] 在一些实施例中，基于所述第一分段参数计算模型和第二分段参数计算模型共同计算得到的参数确定动子质心的六自由度电磁载荷。 [0012] 在一些实施例中，所述定子线圈的总反电动势和/或动子质心的六自由度电磁载荷是基于线积分的方式确定。 [0013] 在一些实施例中，抽取动子线圈和所述定子线圈的线圈中心线，建立一维定动子线圈模型。 [0014] 在一些实施例中，所述判断所述动子磁体的运动状态包括：根据所述推进方向位移和极距的比较判断所述动子磁体是否处于过分段状态。 [0015] 根据本发明的另一方面，提供了一种超导磁悬浮直线电机场路运动控制系统，包括第一分段参数计算模块、第二分段参数计算模块和分段参数计算模块开关，所述第一分段参数计算模块对应于直线电机的第一分段；所述第二分段参数计算模块对应于直线电机的第二分段，所述第一分段和第二分段为相邻的分段；以及所述分段参数计算模块开关配置为基于动子磁体处于过分段状态启动第二分段参数计算模块和第一分段参数计算模块共同确定超导磁悬浮直线电机场路运动控制的参数，其中所述过分段状态是所述动子磁体处于从所述第一分段移动至所述第二分段的过程中。 [0016] 在一些实施例中，所述第一分段参数计算模块中的分段参数计算模型以最小单元定子线圈代替实际全尺寸长度定子建模，所述最小单元定子线圈中包括M组多相定子线圈。 [0017] 在一些实施例中，所述M组多相定子线圈中M的数值是基于动子磁体磁极数确定。 [0018] 在一些实施例中，进一步包括分段定子反电动势计算模块，所述分段定子反电动势计算模块用于确定所述定子线圈的总反电动势。 [0019] 在一些实施例中，进一步包括分段电磁载荷计算模块，所述分段电磁载荷计算模块用于确定所述动子质心的六自由度电磁载荷。 [0020] 在一些实施例中，进一步包括动子磁体六自由度姿态计算模块，所述动子磁体六自由度姿态计算模块用于确定动子磁体的六自由度动力学姿态响应。 [0022] 构成本发明的一部分的说明书附图是用来提供对本发明的进一步理解，是本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。附图中： [0023] 图1为本发明实施例提供的一种超导磁悬浮直线电机场路运动控制系统的模块图； [0024] 图2为本发明实施例提供的超导磁悬浮直线电机场路运动控制的流程图； [0025] 图3为本发明实施例提供的超导磁悬浮直线电机场路运动控制的流程图； [0026] 图4为本发明实施例提供的超导直线电机结构示意图； [0027] 图5为本发明实施例提供的直线电机最小单元定子线圈简化过程示意图； [0028] 图6为本发明实施例提供的动子磁体过分段状态示意图； [0029] 图7为本发明实施例提供的反电势计算流程图；以及 [0030] 图8为本发明实施例提供的六自由度电磁载荷计算的流程图。 具体实施方式[0031] 为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。 [0032] 本发明提出了一种以最小单元定子线圈代替实际全尺寸长度定子的建模方法，通过该方法可以极大提高电磁载荷的计算效率。针对直线电机每个供电分区独立控制的特点，本发明对每个控制分区独立建模，基于位移反馈(例如，推进方向位移)确定用于计算的分段参数计算模块。相比所有分区在一个模型中建模可以降低计算的规模并提高计算的效率。 [0033] 图1为本发明实施例提供的一种超导磁悬浮直线电机场路运动控制系统100的模块图。系统100可以用于大长距离、多分段超导磁悬浮直线电机。系统100可以分别与直线电机和驱动电源相连接，用于超导磁悬浮系统的控制和相关参数的计算。直线电机的初级可以分为多段。每个分段对应一个供电分区。每个电机绕组分段在超导磁悬浮系统中都对应一套切换单元，包括电气开关及其驱动电路等。在一些实施例中，超导磁悬浮系统可以包括位移测量单元用于测量动子磁体的推进位移。所述位移测量单元可以是位移传感器例如编码器系统、激光测距系统等。在一些实施例中，位移测量单元进一步包括位移修正单元。所述位移单元可以是辅助传感器，例如光传感器、电感式接近开关等。 [0034] 图1所示的系统100可以包括分段定子反电动势计算模块110、分段电机控制计算模块120、分段电机定子电流计算模块130、分段电磁载荷计算模块140、动子磁体六自由度姿态计算模块150、分段参数计算模块开关160、分段参数计算模块170。超导磁悬浮系统的定子可以根据其供电情况被被分为一个或多个定子分段。相对应的，分段参数计算模块170可以包括和每个定子分段对应的分段参数计算模块。分段参数计算模块170可以分别对应于相应的分段参数计算模型。仅以其中三个相邻的分段参数计算模块为例，分段参数计算模块170可以包括第N‑1分段参数计算模块171、第N分段参数计算模块172和第N+1分段参数计算模块173。第N‑1分段参数计算模块171、第N分段参数计算模块172和第N+1分段参数计算模块173可以分别基于该分段对应的分段参数计算模型用于参数计算。 [0035] 在一些实施例中，系统100可以基于matlab软件独立构建。以matlab软件独立构建超导磁悬浮直线电机场路运动控制模型，能够在保证计算精度的前提下高效的分析动子磁体的六自由度刚体运动姿态与控制电流的双向耦合问题，解决多软件耦合效率低、数据传输困难等问题。 [0036] 分段定子反电动势计算模块110可以通过电磁场计算获得动子磁体六自由度运动姿态和运动速度下动子磁体在定子线圈上产生的瞬时反电动势。所述六自由度可以包括三个平移方向与三个旋转方向的自由度。在一些实施例中，所述瞬时反电动势可以通过执行程序700中的一个或多个步骤获得。 [0037] 在一些实施例中，分段定子反电动势计算模块110可以和系统100的一个或多个模块通信。例如，分段定子反电动势计算模块110可以接收来自动子磁体六自由度姿态计算模块150、分段参数计算模块170的信号。又例如，分段定子反电动势计算模块110计算得到的结果可以被输出至分段电机控制计算模块120和/或分段电机定子电流计算模块130。 [0038] 分段电机控制计算模块120可以用于计算控制电压和经过变流器后输出的相应分段定子各相端电压。所述各相端电压可以包括A相端电压、B相端电压、C相端电压。具体的，分段电机控制计算模块120可以获取任一计算时刻对应的各相反电动势瞬时值和动子位置，并基于此求解所述控制电压和所述经过变流器后输出的相应分段定子各相端电压。 [0039] 在一些实施例中，分段电机控制计算模块120可以和系统100的一个或多个模块通信。例如，分段电机控制计算模块120可以接收来自分段定子反电动势计算模块110和/或动子磁体六自由度姿态计算模块150的信号。又例如，分段电机控制计算模块120可以将其计算结果输出至分段电机定子电流计算模块130。 [0040] 分段电机定子电流计算模块130可以用于计算定子线圈的实时电流值。所述实时电流值可以包括所述计算时刻所对应的瞬时主动控制电流和瞬时双边感应电流。例如，分段电机定子电流计算模块130可以获取所述各相端电压(例如，由分段电机控制计算模块120输出的各相端电压)和所述瞬时反电动势(例如，由分段定子反电动势计算模块110输出的瞬时反电动势)，并结合给定的定子线圈的阻感参数求解所述定子线圈的实时电流值。所述求解方式可以是基于电路求解方式计算。 [0041] 在一些实施例中，分段电机定子电流计算模块130可以和系统100中的一个或多个模块通信。例如，分段电机定子电流计算模块130可以接收来自分段定子反电动势计算模块110和/或分段电机控制计算模块120的信号。又例如，分段电机定子电流计算模块130可以将计算结果输出至分段电磁载荷计算模块140。 [0042] 分段电磁载荷计算模块140可以用于计算动子磁体线圈相对动子质心的六自由度电磁载荷。具体的，所述分段电磁载荷计算模块140的输入可以包括动子六自由度姿态和定子线圈的实时电流值(例如，分段电机定子电流计算模块130输出的定子线圈的实时电流值)。通过电磁场计算，分段电磁载荷计算模块140可以计算并输出动子磁体线圈相对动子质心的六自由度电磁载荷。在一些实施例中，所述六自由度电磁载荷可以通过执行程序800中的一个或多个步骤获得。 [0043] 动子磁体六自由度姿态计算模块150可以用于计算动子磁体的六自由度动力学姿态响应。具体的，获取所述动子磁体线圈相对动子质心的六自由度电磁载荷后，动子磁体六自由度姿态计算模块150可以通过刚体动力学计算获得给定悬浮导向刚度的动子磁体的六自由度动力学姿态响应。所述动子磁体的六自由度动力学姿态响应可以包括动子磁体的推进方向位移、推进方向速度、垂向、导向和三轴转动方向的姿态响应。 [0044] 在一些实施例中，动子磁体六自由度姿态计算模块150可以和系统100中的一个或多个模块通信。例如，动子磁体六自由度姿态计算模块150输出的动子磁体六自由度速度和六自由度姿态可以输出至分段定子反电动势计算模块110。又例如，动子磁体六自由度姿态计算模块150输出的动子磁体的推进方向位移和推进方向速度可以输出至分段电机电机控制计算模块120。又例如，动子磁体六自由度姿态计算模块150输出的动子磁体的推进方向位移可以输出至分段参数计算模块开关160。 [0045] 分段计算开关160可以基于动子磁体的推进方向位移和相应定子分段的距离关系控制分段参数计算模块170中的一个或者多个相应分段参数计算模块(例如，第N‑1分段参数计算模块171、第N分段参数计算模块172、第N+1分段参数计算模块173)的启用。具体的，对于动子磁体稳定运行在某一定子分段时，只运行该分段的计算模块。例如，动子磁体稳定运行在第N分段时，即动子磁体完全在第N供电分区内，此时由第N分段参数计算模块172进行参数计算。对于动子磁体在过分段时，同时启用相邻两个分段参数计算模块。例如，动子磁体在从第N‑1分段移动至第N分段过程中，此时由第N‑1分段参数计算模块171和第N分段参数计算模块172共同进行参数计算。又例如，当动子磁体完全进入第N分段后，此时由第N分段参数计算模块172进行参数计算。又例如，动子磁体在从第N分段移动至第N+1分段过程中，此时由第N分段参数计算模块172和第N+1分段参数计算模块173共同进行参数计算。所述参数计算中计算的参数包括计算时刻对应的电机每相反电动势瞬时值、电机每相端电压瞬时值、电机每相电流瞬时值、动子质心六自由度合成载荷、动子磁体六自由度姿态、动子磁体六自由度速度数据等。 [0046] 在一些实施例中，由分段参数计算模块开关160可以控制分段参数计算模块170中一个或者多个模块的启用。其中，分段参数计算模块170可以包括每个分段对应的分段定子反电动势计算模块、分段电机控制计算模块、分段电机定子电流计算模块、分段电磁载荷计算模块等。基于分段参数计算模块开关160可以确定针对任意瞬时状态所需要启动的分段参数计算模块，并将对应的启动信号传递至对应的分段参数计算模块170用于启动所确定的分选参数计算模块。 [0047] 图2为本发明实施例提供的超导磁悬浮直线电机场路运动控制程序200的流程图。程序200可以由系统100中的一个或多个模块执行。 [0048] 步骤210，基于直线电机的分段情况，获取直线电机相关的至少一个分段参数计算模型。具体的，可以针对直线电机的每个供电分区，分别建立一个对应的分段参数计算模型。所述分段参数计算模型可以基于matlab搭建。例如，对于存在X个供电分区的情况，则可以搭建X个分段参数计算模型。其中，X可以是任意正整数。具体的，所述分段参数计算模型可以基于最小单元定子线圈代替实际全尺寸长度定子建模。所述最小单元定子线圈中包括任意组连续的多相定子线圈。关于基于最小单元定子线圈搭建分段参数计算模型的详细内容可以参考本申请图3至图6的具体描述。 [0049] 步骤220，获取动子磁体的推进方向位移。所述推进方向位移可以由动子磁体六自由度姿态计算模块150计算得到。所述推进方向位移可以是全局变量。在一些实施例中，在由动子磁体六自由度姿态计算模块150确定推进方向位移后可以进一步将其应用于参与参数计算的分段参数计算模型。 [0050] 步骤230，基于推进方向位移，从至少一个分段参数计算模型中选择一组分段参数计算模型。所述一组分段参数计算模型可以包括一个或一个以上的分段参数计算模型。例如，所述一组分段参数计算模型可以包括当前分段参数计算模型。又例如，所述一组分段参数计算模型可以包括和当前分段参数计算模型相邻的分段参数计算模型。又例如，所述一组分段参数计算模型可以包括当前分段参数计算模型以及和当前分段参数计算模型相邻的分段参数计算模型。所述从至少一个分段参数计算模型中选择一组分段参数计算模型可以是基于动子磁体的运动状态确定。所述动子磁体的运动状态可以是完全处于某一特定分段或者处于过分段的状态。 [0051] 步骤240，基于至少一个分段计算模型，进行参数计算。所述参数计算包括确定计算时刻所对应的电机每相反电动势瞬时值、电机每相端电压瞬时值等。所述至少一个分段计算模型可以是一个分段计算模型。与之相对应的，动子磁体可以是完全处于该分段中的状态。所述至少一个分段计算模型可以是两个相邻的分段计算模型。与之相对应的，此时动子磁体可以是处于过分段的状态。 [0052] 在一些实施例中，如果基于推进方向位移，判断动子磁体仍完全处于当前分段时，继续选择和当前分段对应的分段参数计算模块用于相关参数的计算。例如，如果判断动子磁体仍完全处于第N分段，则继续只使用第N分段参数计算模块172计算相关参数。 [0053] 在一些实施例中，如果基于推进方向位移，判断动子磁体处于从当前分段移动至下一个分段的过分段状态，则选择和下一个分段相对应的分段计算模型共同用于相关参数的计算。例如，如果判断动子磁体处于N分段和第N+1分段的过分段状态，则同时使用第N分段参数计算模块172和第N+1分段参数计算模块173进行相关参数的计算。 [0054] 在一些实施例中，可以基于程序300中所描述的方法判断动子磁体和当前分段以及下一个分段的相对位置关系。具体的，可以基于动子磁体移动位移和其所移动过的整极距的个数判断。 [0055] 图3为本发明实施例提供的超导磁悬浮直线电机场路运动控制程序300的流程图。图3中所示的流程为动子磁体由第N‑1分段移动至第N分段，随后继续移动位置直至处于第N+1分段的过程。为便于说明，本申请中首端是指指向动子磁体移动方向的一端。 [0056] 步骤310，获取动子磁体六自由度姿态和速度。此时设定动子磁体处于第N‑1分段中，并由第N‑1分段移动至第N分段。 [0057] 步骤312，获取动子磁体首端与第N分段末端线圈距离Sbe。 [0058] 步骤314，判断Sbe是否小于τ。 [0059] 如果判断结果为是，则执行步骤316。步骤316为启用第N分段参数计算模块。即如果动子磁体距离第N分段末端线圈的距离小于极距，则认为动子磁体开始进入第N分段并启动第N分段参数计算模块。 [0060] 如果判断结果为否，则执行步骤318，即不启用第N分段参数计算模块。具体的，如果动子磁体距离第N分段末端线圈的距离仍大于极距，则认为动子磁体尚完全处于第N‑1分段中。 [0061] 步骤320，判断动子磁体是否全进入第N分段标记点。如果判断结果为是，则执行步骤322和步骤324。其中，步骤322和步骤324执行的先后顺序不做限定。如果判断结果为否，则执行步骤332。其中第N分段标记点可以是第N分段上的任意一点。具体的，可以是第N分段靠近尾端的一个点。 [0062] 在一些实施例中，动子磁体全进入第N分段标记点可以是沿运动方向的动子磁体尾端距离定子线圈尾端距离超过一个极距τ。如图5所示，动子磁体处于501位置时，动子磁体尾端距离定子线圈尾端的距离已经超过τ，此时可以认为动子磁体已经完全进入第N分段。 [0063] 步骤322，设置极距计数器的数值。例如，可以将极距计数器的数值N设置为0。 [0064] 步骤324，获取动子磁体推进距离Sn。在一些实施例中，可以是获取动子磁体相对标记点在动子磁体移动方向上的推进距离Sn。所述推进距离可以基于对应分段的总长度设置。在一些实施例中，动子磁体推进距离Sn可以对应于动子磁体移动出对应分段的剩余距离。 [0065] 步骤326，判断Sn是否大于τ。如果判断结果为是，则执行步骤328和/或步骤330。其中步骤328和步骤330执行的先后顺序不做限定。如果判断结果为否，则执行步骤332。即，如果动子磁体移动出对应分段需要移动的距离大于极距则继续移动同时维持参数的计算模式不变。如果判断结果为否，则意味着动子磁体处于过分段的状态，则根据动子六自由度姿态、速度计算电机反电动势、动子磁体六自由度载荷。 [0066] 步骤328，更新Sn。具体的可以更新Sn为Sn‑τ。 [0067] 步骤330，更新极距计数器的数值。例如，将N更新为N+1。 [0068] 步骤332，根据六自由度姿态、速度计算电机反电势、动子磁体六自由度电磁载荷。在一些实施例中，步骤332中的电机反电势计算可以根据程序700执行。步骤332中的动子磁体六自由度电磁载荷可以根据程序800执行。 [0069] 步骤334，判断N是否小于等于Nτ。如果判断结果为是，则执行步骤326。如果判断结果为否，则执行步骤336。其中，Nτ可以是建模时省略的极距个数。Nτ可以是任何大于1的正整数。在一些实施例中，Nτ可以是5。 [0070] 步骤336，获取动子磁体末端与第N分段首端线圈的距离Seb。 [0071] 步骤338，判断动子磁体末端与第N分段首端线圈距离Seb是否大于τ。如果判断结果为是，则执行步骤332。具体的，如果判断结果为是则意味着动子磁体已经移动出第N分段并进入第N+1分段。 [0072] 如果判断结果为否，则执行步骤318，即不启用第N分段参数计算模块。 [0073] 图4为本发明实施例提供的超导直线电机结构示意图。所述电机可以是两极N槽超导直线电机。其中N可以是3、6、8、12、24等任意数值。图4中以N等于3为实施例展示两极三槽超导直线电机的结构示意图。图4中所示的直线电机包括动子和定子。其中，所述定子可以设置于轨道上。所述动子可以连接于悬浮体。 [0074] 在一些实施例中，所述动子可以包括至少一个动子磁体410。所述至少一个动子磁体410沿所述悬浮体运动方向设置。其设置方式可以是依次、均匀间隔设置在一个平面上。所述动子磁体410可以是超导线圈、满足励磁磁场要求的电励磁线圈或永磁体等中的一种或多种。 [0075] 在一些实施例中，所述定子可以包括多个定子线圈组420(例如，定子线圈组421、定子线圈组422等)。每个定子线圈420可以包括一个定子线圈A、一个定子线圈B和一个定子线圈C。所述定子线圈A、所述定子线圈B和所述定子线圈分别设置于两极三槽直线电机的一个槽中。所述定子可以包括包括多个定子分段。每个定子分段可以包括一个或多个定子线圈组420(例如，Nτ组定子线圈在图4中被省略)。每个定子分段上可以设置一个分段标记点。所述分段标记点可以是定子分段上的任意一点。在一些实施例中，分段标记点可以是对应定子分段沿悬浮体移动方向上的端点。在一些实施例中，所述分段标记点可以是任何可用于标记定子位移的参考点。例如，所述分段标记点可以是任何和定子端点存在已知几何关系的参考点。通过一定的数值运算，可以将该参考点转换成和定子端点的相对位移后使用。 [0076] 图5为本发明实施例提供的直线电机最小单元定子线圈简化过程示意图。所述最小单元定子线圈可以用于代替实际全尺寸长度定子以用于场路运动控制耦合模型的搭建以提高模型的运算效率。图6为本发明实施例提供的动子磁体过分段状态示意图。 [0077] 如图4和图5中的两极三槽直线电机的实施例所示，τ是超导磁体的一个整极距。动子磁体410在完全进入一个定子分段内，即沿运动方向尾端的超导线圈距离尾端的定子线圈距离超过一个极距τ后，可认为前一分段定子线圈电流与动子磁体相互作用已可以忽略不计。例如，状态501对应动子磁体经由位置520完全进入第N分段标记点，此时动子磁体完全进入第N分段的定子分段内。状态502对应动子磁体继续向前运行一个整极距(τ)和/或动子磁体首端距离当前分段的首端标记点距离大于一个整极距(即>τ)，此时动子磁体同样被认为是完全进度第N分段的定子分段内。由于定子单个控制分段内单相定子线圈电流均相同，因此动子磁体在其余五个自由度姿态位置不变的条件下，在分段内处于推进位置S1与S1+τ处，其与A、B、C三相线圈的相对位置是一致的，所受到的电磁力完全一致，同理其对定子线圈产生的反电势也完全一致。其中，S1可以是任何动子磁体完全进入一个分段后的任意位置。因此，在考虑动子磁体端部效应作用条件下，其定子最小单元可定义为5组连续的A、B、C线圈，从而在建模过程中省略长定子线圈中间的N组A、B、C线圈。所述定子最小单元可以包括M组定子线圈。所述定子线圈数量M的确定受动子磁体端部效应的约束，同时受动子磁体磁极数的影响。在一些实施例中，可以基于动子磁体磁极数确定M的数值。动子磁体磁极数增大，则模型中使用的定子最小单元的数量M相应增大。 [0078] 动子磁体全进入第N分段标记点后，只要监控其推进方向相对标记点的运行距离超过τ，即在六自由度姿态中的的推进姿态(位置)数据减τ且保留其他5自由度姿态数据，并用极距计数器记录所减去的τ的个数。 [0079] 在极距计数器记录的数据与建模时省略的极距个数N相等时停止该循环，动子驶出该分段，此时模型开启过分段模式，第N分段与第N+1分段同时启动对动子电磁力和定子反电势的计算，控制模块进入过分段控制模式。图6所展示的即为动子磁体处于第N分段和第N+1分段的过分段模式。如图6所示，位置605指示的是第N分段(例如，分段610)和第N+1分段(例如，分段620)的分界点。位置611指示的是动子磁体开始进度第N+1分段的标记点，同时指示动子磁体开始驶出第N分段标记点。位置621指示的是动子磁体完全进度第N+1分段标记点，同时指示动子完全驶出第N分段标记点。位置611和位置621之间对应的区间即动子磁体处于过分段状态的区间。当动子磁体完全进入第N+1分段标记点时，过分段状态结束，模型终止第N分段参数计算模块参与计算。 [0080] 图7为本发明实施例提供的反电势计算程序700的流程图。分段定子反电动势计算模块110可以基于程序700所示的过程计算瞬时反电动势并将计算结果输出至分段电机控制计算模块120。程序700包括以下步骤： [0081] 步骤710，基于动子线圈和定子线圈，建立定动子模型。具体的，可以将任意形状的闭合定子线圈、动子线圈抽取中心线，建立所述定动子模型。所述定动子模型可以是一维模型。所述定动子模型可以包括动子线圈模型和定子线圈模型。通过建立所述定动子模型可以将三维模型的计算转化为一维模型的计算，从而简化模型和计算过程并提升计算的效率。 [0082] 步骤720，对定动子模型以一定距离离散为连续的线单元。 [0083] 步骤730，给动子线圈模型赋予给定方向的直流电流。赋予所述给定方向的直流电流后，可以得到带电动子线圈模型。 [0084] 步骤740，基于带电动子线圈模型建立空间三维磁场计算程序。所述建立空间三维磁场计算程序可以依据毕奥‑萨伐尔定律(Biot‑Savart Law)建立。 [0085] 步骤750，计算定子线圈线单元上的反电动势和每相定子线圈的总反电动势。其中，所述定子线圈单元是闭环定子线圈单元。所述定子线圈线单元上的反电动势的计算可以基于公式E＝B×L×v进行。其中，E代表反电动势，B代表分段微元中心所受三向外部磁感应强度矩阵，L代表动子磁体分段微元在三坐标上的投影长度矩阵，v代表动子磁体整体三向运动速度矩阵。所述每相定子线圈的总反电动势可以通过线积分的方式确定。 [0086] 步骤760，将获得的反电动势作为反馈输入电机控制模型。所述电机控制模型可以是图1中所示的分段电机控制模块120。 [0087] 图8为本发明实施例提供的六自由度电磁载荷计算程序800的流程图。分段电磁载荷计算模块140可以基于程序800所示的过程计算六自由度电磁载荷并将计算结果输出至动子磁体六自由度姿态计算模块150。程序800包括以下步骤： [0088] 步骤810，基于动子线圈和定子线圈，建立定动子模型。在一些实施例中，步骤810和步骤710可以代表相同的步骤。 [0089] 步骤820，对定动子模型以一定距离离散为连续的线单元。在一些实施例中，步骤820和步骤720可以代表相同的步骤。 [0090] 步骤830，给定子线圈模型中的每相赋予该相对应的瞬时主动控制电流和被动感应电流。所述定子线圈模型可以是以最小单元定子线圈代替实际全尺寸长度定子建模方法得到的定子线圈模型。以图4至图6所示的两极三槽电机为例，其定子线圈中包括A相、B相和C相三相。其中，每相的被动感应电流值可以是由分段电机定子电流计算模块130计算获得并输出至分段电磁载荷计算模块140。赋予所述瞬时主动控制电流和被动感应电流后，可以得到带电定子线圈模型。 [0091] 步骤840，基于带电定子线圈模型建立空间三维磁场计算程序。所述三维磁场计算程序可以依据毕奥‑萨伐尔定律(Biot‑Savart Law)建立。 [0092] 步骤850，计算动子线圈相对动子质心的六自由度电磁载荷。具体的，可以通过F＝B×I×L计算带电闭环动子线圈线单元上相对于动子质心的三向电磁力。其中，B代表磁感应强度，I代表电流值，L代表动子磁体简化为一维后的长度。可以通过T＝R×F求解三轴电磁转矩。其中，T代表分段微元中心点三轴转矩矩阵，R代表分段微元中心点至动子质心的三坐标距离矩阵，F代表分段微元中心点所受三自由度电磁力矩阵。此后，可以通过积分求解动子线圈相对动子质心的六自由度电磁载荷。所述积分方式可以是线积分。 [0093] 步骤860，将六自由度电磁载荷反馈给动子磁体六自由度姿态计算模型。具体的，可以将所述六自由度电磁载荷输入动子磁体六自由度姿态计算模型150。 [0094] 综上所述，本发明所提供的超导磁悬浮直线电机场路运动控制系统和模型和现有技术相比具有以下的优点。第一，本发明建立的超导磁悬浮直线电机场路运动控制耦合模型，能够完全复现动子磁体在悬浮态下，动子姿态变化与控制响应之间的双向耦合关系，相比常规的一维解析程序，能够更完整的复现实际运行情况，为控制系统的针对性改进及悬浮质量评估提供依据。第二，本发明建立的超导磁悬浮直线电机场路运动控制耦合模型可以在matlab软件中完成全流程计算，相比多软件耦合计算消除了软件耦合时接口间的数据传递和转换，提高了计算效率。第三，本发明建立的超导磁悬浮直线电机场路运动控制耦合模型中的电磁场计算模块采用按照发明逻辑自编解析程序计算，相比常规三维电磁场有限元计算，无需建立空气包、三维有限元网格，计算效率极大提高。经对比，以最小单元模型为例的相同工况下，解析计算时间可达到1s一个计算步，而三维有限元仿真最快需要20‑30min一个计算步，效率提高一千倍以上，且基于必奥萨法定律求解的空间磁场经过有限元对比及实际试验对比，误差在3％以内，具备极高的计算精度。第四，本发明建立的超导磁悬浮直线电机场路运动控制耦合模型中的以最小单元定子线圈代替实际全尺寸长度定子的建模方法，在应用于磁悬浮轨道交通等常用场景的大长距离分段应用中，能够极大降低参与计算的定子线圈个数，且精度保持不变。另外该建模方法使得所有分段参数计算模块具备通用性，仅需要在每个模块启用前提前设置该模块内隐藏的极距数N即可进行计算，且简化建模完全不影响计算精度。 [0095] 如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。“/”连接的两个词汇表示两个词汇之间是“和”或者“或”的关系。 [0096] 除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。 [0097] 在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。 [0099] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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