中低速磁懸浮列車控制方式的比較與選擇

中低速磁懸浮列車控制方式的比較與選

擇摘要：中低速磁懸浮列車是新時(shí)代的一種新型交通方式，由常導(dǎo)電磁鐵實(shí)現(xiàn)懸浮，通過(guò)直線感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)。本文通過(guò)研究中低速磁懸浮列車控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)核心一一直線感應(yīng)電機(jī)的控制方式并對(duì)其進(jìn)行比較，擇出最優(yōu)控制方式。關(guān)鍵詞：磁懸浮列車控制方式比較選擇引言中低速磁懸浮列車已逐漸成為新時(shí)代的主要交通方式之一。運(yùn)行控制系統(tǒng)是保中速磁懸浮列車正常運(yùn)行的核心系統(tǒng)。它是磁懸浮列車運(yùn)行控制的“大腦”和“神經(jīng)系統(tǒng)”。其主要功能是操作指揮和安全防護(hù)。然而，目前的磁懸浮運(yùn)行控制系統(tǒng)幾乎都是借鑒了傳統(tǒng)地鐵采用的基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，沒(méi)有形成一套適用于中速磁懸浮列車的成熟的運(yùn)行控制方法。因此，研究中速磁浮列車運(yùn)行控制算法，選擇具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中速磁浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，對(duì)保證列車平穩(wěn)運(yùn)行，提高工作效率起重大作用。1.中低速磁懸浮列車控制方式隨著科技的進(jìn)步，磁懸浮列車這種新型軌道交通方式技術(shù)越來(lái)越成熟。列車通過(guò)電磁吸力或斥力在軌道上方呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)，再利用直線感應(yīng)電機(jī)做驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行。磁懸浮列車無(wú)車輪及相應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，與軌道無(wú)直接接觸，無(wú)摩擦損失，操作維護(hù)起來(lái)更加簡(jiǎn)便，因此其具有良好的發(fā)展前景。采用直線感應(yīng)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)是中低速磁懸浮列車正常運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)對(duì)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制方式的研究分析，選擇出最適宜的控制方式，對(duì)促進(jìn)我國(guó)磁懸浮列車技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。1.1基于位置速度閉環(huán)的PID控制方法PID控制是目前最簡(jiǎn)單的控制方式之一，也是目前工作人員最常使用的一種控制方式。在這種控制方式下，通過(guò)將理想值與實(shí)際檢測(cè)到的直線感應(yīng)電機(jī)的移動(dòng)距離或速度相比較，計(jì)算出偏差值e，再以此決定出具體的控制方式。圖1PID控制基本框圖在中低速磁懸浮列車的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的直線感應(yīng)電機(jī)中，常常應(yīng)用P位置控制和P/PI速度控制。然而，直線感應(yīng)電機(jī)存在著一定的不足之處，例如其具有邊緣效應(yīng)。所以簡(jiǎn)單的PID控制方式往往做不到很好地控制直線感應(yīng)電機(jī)。1.2矢量控制矢量控制方法有兩種，一種是通過(guò)滑差頻率控制，另一種是直接轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)控制。第一種方法是在穩(wěn)態(tài)的磁通控制方程下，不考慮矢量控制方程及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，直接加入開環(huán)磁通控制方程的應(yīng)用進(jìn)行矢量控制，使控制方式更為便捷。將這種矢量控制方法應(yīng)用到直線感應(yīng)電機(jī)的控制方式之中，目前能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)F推35N、r0.3m/min的超低速直線感應(yīng)電機(jī)的控制。并且在步進(jìn)負(fù)載和步進(jìn)速度指令下，直線感應(yīng)電機(jī)能夠得到及時(shí)響應(yīng)，這對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)說(shuō)是一步很大的發(fā)展。第二種方法是完全解耦磁通和扭矩，分別控制勵(lì)磁電流和扭矩電流。在考慮動(dòng)態(tài)電機(jī)等效電路的基礎(chǔ)上，建立了磁場(chǎng)定向直線感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)模型，并根據(jù)動(dòng)態(tài)縱向端效應(yīng)的影響進(jìn)行模擬。1.3直接力控制這種控制方式是通過(guò)人工計(jì)算并調(diào)節(jié)從定子坐標(biāo)系電機(jī)的的F推，從而產(chǎn)生PWM信號(hào)并利用空間矢量實(shí)現(xiàn)直接調(diào)節(jié)直線感應(yīng)電機(jī)啟停狀態(tài)的逆變器,以達(dá)到更高的對(duì)F推的控制能力。促使直線感應(yīng)電機(jī)的推力響應(yīng)更快，不受電機(jī)相關(guān)影響因素的影響，特別適用于模型模糊不清晰的直線感應(yīng)電機(jī)。在直接力控制中，電機(jī)的F推和速度v的實(shí)際值不能提前知道，并且難以通過(guò)人工直接測(cè)量。所以，應(yīng)觀察并估算這兩個(gè)值。F推和v的計(jì)算過(guò)程和計(jì)算精度將會(huì)直接影響到對(duì)直線感應(yīng)電機(jī)的控制精度。目前的測(cè)量方法有電壓模型觀測(cè)法、電流模型觀測(cè)法、Romberg狀態(tài)觀測(cè)法等。第一種觀測(cè)方法是目前最簡(jiǎn)單的磁通量觀測(cè)方法。，它實(shí)際上就是在初級(jí)電壓方程中采用微積分計(jì)算磁通量。但是在電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)使用本方法容易造成很大的誤差。第二種觀測(cè)方法則是利用電機(jī)參數(shù)并對(duì)其使用高級(jí)的電壓方程來(lái)計(jì)算磁通量。所以本方法的控制精度直接取決于電機(jī)參數(shù)的穩(wěn)定性。第三種觀測(cè)方法目前可以成功地控制雙邊直線感應(yīng)電機(jī)，磁通量由擴(kuò)展卡爾曼濾波器觀測(cè)器進(jìn)行初步觀測(cè)估算，再將簡(jiǎn)化的Romberg狀態(tài)觀測(cè)器用于更精細(xì)的磁通觀測(cè)，在實(shí)際應(yīng)用于控制3kw直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，在其高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)F推響應(yīng)曲線非常平穩(wěn)，但在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)F推響應(yīng)曲線卻十分波折，故該方法更適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的直線感應(yīng)電機(jī)。1.4無(wú)速度傳感器控制隨著科技的快速發(fā)展，無(wú)速度傳感器控制技術(shù)已成為機(jī)電行業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。一些機(jī)械行業(yè)發(fā)展度較高的國(guó)家從上個(gè)世紀(jì)70年代就開始對(duì)無(wú)速度傳感器控制技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。發(fā)展到目前，無(wú)速度傳感器控制技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品種類繁多。然而，對(duì)直線感應(yīng)電機(jī)使用無(wú)速度傳感器控制技術(shù)的研究及實(shí)例卻很少。目前直線感應(yīng)電機(jī)的無(wú)速度傳感器推力控制是通過(guò)使用高頻注入速度估計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，且無(wú)速度傳感器控制不受直線感應(yīng)電機(jī)的電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行條件的影響。相關(guān)試驗(yàn)表明，無(wú)速度傳感器控制在電機(jī)轉(zhuǎn)速處于低頻段時(shí)也具有較高的速度觀測(cè)精度，這將成為直線感應(yīng)電機(jī)在極低速下的最佳控制方式，但目前無(wú)速度傳感器控制技術(shù)應(yīng)用到直線感應(yīng)電機(jī)的控制系統(tǒng)中仍在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程，離大量地投入實(shí)際應(yīng)用的時(shí)間還比較遠(yuǎn)。2.中低速磁懸浮列車控制方式比較綜上所述，目前直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的主要控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：(1)基于位置速度閉環(huán)的PID控制方法是應(yīng)用起來(lái)最簡(jiǎn)單的控制方法。將其應(yīng)用到直線感應(yīng)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)直線感應(yīng)電機(jī)的平穩(wěn)調(diào)速，從而促使列車平穩(wěn)運(yùn)行。但美中不足的是它對(duì)直線感應(yīng)電機(jī)的控制方式是通過(guò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值，這就造成了其穩(wěn)定性、起停及慢速時(shí)性能都不太理想。(2)矢量控制是將一次電流中的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量轉(zhuǎn)化為標(biāo)量，并對(duì)它們分別進(jìn)行控制，使直線感應(yīng)電機(jī)能夠迅速地對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈實(shí)現(xiàn)控制功能。其滑差頻率控制方式的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。并且這種控制方式可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)列車也能平穩(wěn)運(yùn)行，因此在許多接近零速的系統(tǒng)中其具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。然而，該控制方式基于矢量方程，因此控制性能會(huì)受到轉(zhuǎn)子參數(shù)影響。其直接轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)控制方式本應(yīng)具有最好的控制性能，但在實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)這個(gè)影響因素的干擾作用較大，雙解耦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也過(guò)于繁瑣，降低了控制性能匕。(3)直接力控制方式減促使直線感應(yīng)電機(jī)的推力響應(yīng)更快，由直線感應(yīng)電機(jī)自身發(fā)力。按理說(shuō)應(yīng)該是最優(yōu)選擇，但是目前來(lái)說(shuō)其在控制直線感應(yīng)電機(jī)時(shí)只有在電機(jī)高速運(yùn)作時(shí)才具有最優(yōu)控制性能，在電機(jī)低速運(yùn)作時(shí)F推響應(yīng)曲線卻十分波折，導(dǎo)致控制性能大打折扣。(4)無(wú)速度傳感器控制方式不僅省去了復(fù)雜的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，也省去了價(jià)格昂貴的轉(zhuǎn)速觀測(cè)器件，節(jié)約了成本。但目前其還在試驗(yàn)階段，距離實(shí)際投入使用還有一定的時(shí)間。綜上所述，矢量控制模式具有最大的優(yōu)勢(shì)。在這種控制模式下，電機(jī)的F推基本上可以保持在一個(gè)恒定值。這樣，在啟動(dòng)/停止時(shí)可以獲得較大的F推，有利于中低速磁懸浮列車的快速啟動(dòng)和制停，同時(shí)也有利于列車懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，保證系統(tǒng)的安全。結(jié)語(yǔ)本文通過(guò)對(duì)中低速磁懸浮列車的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)核心----直線感應(yīng)電機(jī)的控制方式進(jìn)行了研究分析并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，選擇出了目前最合適的控制方式一一矢量控制方式。但其也有一