一种长定子分段直线电机协同控制系统及方法

本发明涉及直线电机控制，具体涉及一种长定子分段直线电机协同控制系统及方法。

背景技术：

1、长定子直线电机系统在磁浮轨道交通、高速及超高速电磁驱动系统等得到越来越多应用，为降低电机系统所需供电电源的电压等级、提高定子绕组运行效率，长定子直线电机系统采用定子分段供电方式，根据动子所在位置为相应定子段供电。当动子同时被多个定子段覆盖时，每个覆盖定子段均连接一个供电变流器。一个变流器和其连接的定子段，以及该定子段内覆盖的动子部分共同构成一个单元电机，系统由多个单元电机共同组成。

2、对于多个单元电机的电流控制方法，文献《分段供电双三相永磁同步直线电机电流解耦与扰动抑制》（郭科宇[j] 电工技术学报, 2022,37(24):6332-6344）采用单元电机的电流各自独立控制的方法；文献《初级绕组分段永磁直线电机段间推力优化控制》（李立毅[j] 电机与控制学报, 2014,18(04):79-87）采用多个单元电机的电流交替跟踪的控制方法。

3、由于多个单元电机共用一个动子，对于单个单元电机而言，电机内的动子长度随动子运动过程而时刻变化，使得单元电机的动子磁链的幅值也随动子运动过程而时刻变化，单元电机产生的电磁推力占系统总电磁推力的比值随动子运动过程而时刻变化，而电机系统在高速及超高速运行时，难以测量准确的动子位置，增加了电机系统输出电磁推力平稳的控制难度。此外，随动子运动过程而时刻变化的单元电机动子磁链幅值也增加了单元电机电流高性能控制的难度，造成了电机系统的推力波动。

技术实现思路

1、为克服上述技术问题，本发明提出一种长定子分段直线电机协同控制系统及方法，直线电机长定子共有(m+1)n个定子段，同一时间内系统仅有n个连续定子段被通入电流，且动子全部位于该n个连续的定子段内，同一时间内系统由n个单元电机组成，每个单元电机包括一台变流器和由该变流器供电的一个定子段，以及该定子段内覆盖的动子部分，将第j单元电机相电流矩阵ijabcdef坐标变换到同步坐标系下的电流矩阵ijdqz1z2，计算n个单元电机电流的平均值矩阵，进一步得到n个单元电机电流平均值与第2个至第n个单元电机电流之间的差值，利用电流控制器得到第j单元电机的输出电压参考值。通过对n个单元电机的电流平均值的控制，实现对电机系统输出的电磁推力大小的控制；通过对n个单元电机电流的平均值与第2个至第n个单元电机电流与之间的差值的控制，抑制了动子穿过连续定子段的过程对电机系统的电磁推力的干扰。本发明实现了电机系统推力平稳，减小了推力波动。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种长定子分段直线电机协同控制系统，同一时刻系统包含n个单元电机，每个单元电机包括一个变流器、由该变流器供电的一个定子段以及定子段内的直线电机动子部分；n个单元电机的定子段长度之和大于直线电机动子长度；第2_0、2_ n、2_2n、···、2_(mn)定子段通过第3_0、3_ n、3_2n、···、3_ (mn)切换开关连接至第一个变流器的输出端，第2_1、2_ (n+1)、2_(2n+1)、···、2_ (mn +1)定子段通过第3_1、3_ (n+1)、3_(2n+1)、···、3_ (mn +1)切换开关连接至第二个变流器的输出端，···，第2_(n-1)、2_ (2n-1)、2_(3n-1)、···、2_((m+1)n-1)定子段通过第3_(n-1)、3_ (2n-1)、3_(3n-1)、···、3_((m+1)n-1)切换开关连接至第n个变流器的输出端， 直线电机长定子共有(m+1)n个定子段，m为自然数。

4、进一步地，分段的各定子段的长度相等或不相等。

5、进一步地，长定子分段直线电机为长定子分段直线异步电机或长定子分段直线同步电机。

6、进一步地，长定子分段直线定子是单边结构形式的定子或双边结构形式的定子。

7、进一步地，电机的类型为三相电机、双三相电机、五相电机或其他多相电机。

8、进一步地，同一时间内系统仅有n个连续定子段被通入电流，且动子位于该n个连续的定子段内。

9、本发明提供一种长定子分段直线电机协同控制方法，包括：设第j单元电机相电流矩阵为ijabcdef=[ija, ijb, ijc, ijd, ije, ijf]t，通过坐标变换得到同步坐标系下第j单元电机的电流矩阵ijdqz1z2=[ijd, ijq, ijz1, ijz2, ijo1, ijo2]t，进一步得到n个单元电机电流的平均值矩阵，其中ija、 ijb、 ijc、 ijd、 ije和 ijf分别是第j单元电机的a相、b相、c相、d相、e相和f相电流，ijd, ijq, ijz1, ijz2, ijo1和 ijo2分别是第j单元电机的d轴、q轴、z1子平面、z2子平面、o1子平面和o2子平面的电流。

10、进一步地，n个单元电机电流的平均值与第2个至第n个单元电机电流与之间的差值分别为（）、（）、···、（），即：(i1dqz1z2-(n-1) i2dqz1z2+···+ indqz1z2)/n、···、(i1dqz1z2+ i2dqz1z2+···+i(n-1)dqz1z2-(n-1) indqz1z2)/n；这里因计算了n个单元电机电流的平均值，所以不再需要计算n个单元电机电流的平均值与第1个单元电机电流之间的差值。

11、进一步地，设计电流控制器，所述电流控制器可以设计成pi控制器、谐振控制器、滑模控制器等各类控制器。

12、进一步地，将电流值、(i1dqz1z2-(n-1) i2dqz1z2+···+ indqz1z2)/n、···(i1dqz1z2+ i2dqz1z2+···+i(n-1)dqz1z2-(n-1) indqz1z2)/n作为电流控制器的输入量，得到控制器的输出电压参考值、(u1dqz1z2-(n-1)u2dqz1z2+···+ undqz1z2)/n、···(u1dqz1z2+ u2dqz1z2+···+u(n-1)dqz1z2-(n-1) undqz1z2)/n，根据所述控制器的输出电压参考值，计算得到同步坐标系下第j单元电机的电压参考值ujdqz1z2，进一步通过坐标反变换得到第j单元电机相电压参考值ujabcdef。

13、进一步地，对于长定子分段永磁同步直线电机，n个单元电机的电磁推力fem为：

14、；

15、其中，np为极对数，α1、α2···、αn为第一单元电机、第二单元电机···、第n单元电机的耦合因数矩阵, x为动子位移，为hadamard积运算；控制(i1dqz1z2-(n-1) i2dqz1z2+···+ indqz1z2)/n、···(i1dqz1z2+ i2dqz1z2+···+i(n-1)dqz1z2-(n-1) indqz1z2)/n为零，(i1abcdef -(n-1)i2abcdef +···+inabcdef)t/n、···(i1abcdef+i2abcdef+···+i(n-1)abcdef -(n-1)inabcdef) t/n的值也为零，电机系统的电磁推力自动消除动子运动造成的动态变化的耦合因数的影响，实现推力平稳；所述上式坐标变换得到：

16、；

17、通过对n个单元电机q轴电流平均值的控制，确定电机系统输出的电磁推力大小；通过对n个单元电机的电流值、、、(i1d-(n-1)i2d+···+ind)/n、(i1q-(n-1)i2q+···+inq)/n、(i1z1-(n-1)i2z1+···+inz1)/n、(i1z2-(n-1)i2z2+···+inz2)/n、···(i1d+i2d+···-(n-1)ind)/n、(i1q+i2q+···-(n-1)inq)/n、(i1z1+i2z1+···-(n-1)inz1)/n、(i1z2+i2z2+···-(n-1)inz1)/n的控制，抑制动子穿过连续定子段的过程对电机系统的电磁推力的干扰。

18、进一步地，用于长定子分段直线异步电机或长定子分段直线同步电机。

19、进一步地，所述的第j单元电机相电流矩阵ijabcdef=[ija, ijb, ijc, ijd, ije, ijf]t和坐标变换后得到同步坐标系下j单元电机的电流矩阵ijdqz1z2=[ijd, ijq, ijz1, ijz2, ijo1,ijo2]t的电机类型是以双三相单元电机为例。

20、本发明提出的协同控制方法包含的单元电机类型可以是三相电机、五相电机、六相电机以及其他类型多相电机。

21、本发明的有益效果是：

22、本发明将系统输出电磁推力大小和动子穿过连续定子段的过程对电机系统产生的电磁推力波动分别独立控制，根据n个单元电机的电流平均值对应的状态方程和n个单元电机的电流平均值与第2个至第n个单元电机的电流之间的差值对应的状态方程的各自特点，分别设计所需的电流控制器，将电机系统推力与第1、2···、n单元电机的耦合因数α1、α2···、αn解耦，即将n个单元电机视为一台定子和动子全耦合的旋转电机，实现了电机系统推力平稳，减小了推力波动。

技术特征：

1.一种长定子分段直线电机协同控制系统，其特征在于，同一时刻系统包含n个单元电机，每个单元电机包括一个变流器、由该变流器供电的一个定子段以及定子段内的直线电机动子部分；n个单元电机的定子段长度之和大于直线电机动子长度；第2_0、2_ n、2_2n、···、2_ (mn)定子段通过第3_0、3_ n、3_2n、···、3_ (mn)切换开关连接至第一个变流器的输出端，第2_1、2_ (n+1)、2_(2n+1)、···、2_ (mn +1)定子段通过第3_1、3_ (n+1)、3_(2n+1)、···、3_ (mn +1)切换开关连接至第二个变流器的输出端，···，第2_(n-1)、2_ (2n-1)、2_(3n-1)、···、2_((m+1)n-1)定子段通过第3_(n-1)、3_ (2n-1)、3_(3n-1)、···、3_((m+1)n-1)切换开关连接至第n个变流器的输出端，直线电机长定子共有(m+1)n个定子段，m为自然数。

2.根据权利要求1所述的一种长定子分段直线电机协同控制系统，其特征在于，分段的各定子段的长度相等或不相等。

3.根据权利要求1所述的一种长定子分段直线电机协同控制系统，其特征在于，同一时间内系统仅有n个连续定子段被通入电流，且动子位于该n个连续的定子段内。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种长定子分段直线电机协同控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，将电流值、(i1dqz1z2-(n-1)i2dqz1z2+···+ indqz1z2)/n、···(i1dqz1z2+ i2dqz1z2+···+i(n-1)dqz1z2-(n-1) indqz1z2)/n作为电流控制器的输入量，得到控制器的输出电压参考值、(u1dqz1z2-(n-1)u2dqz1z2+···+ undqz1z2)/n、···(u1dqz1z2+ u2dqz1z2+···+u(n-1)dqz1z2-(n-1) undqz1z2)/n，根据所述控制器的输出电压参考值，计算得到同步坐标系下第j单元电机的电压参考值ujdqz1z2，进一步通过坐标反变换得到第j单元电机相电压参考值ujabcdef。

6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，对于长定子分段永磁同步直线电机，n个单元电机的电磁推力fem为：

技术总结
本发明提出一种长定子分段直线电机协同控制系统及方法，系统包含n个单元电机，每个单元电机包括一台变流器和由该变流器供电的一个定子段，以及该定子段内覆盖的动子部分，将第j单元电机相电流矩阵I<subgt;jABCDEF</subgt;坐标变换到同步坐标系下的电流矩阵I<subgt;jdqz1z2</subgt;，计算n个单元电机电流的平均值矩阵，进一步得到n个单元电机电流平均值与第2至第n单元电机电流之间的差值，利用电流控制器得到第j单元电机的输出电压参考值。本发明实现了多个单元电机之间的协同控制，能够减小多个变流器之间的电流差，进而抑制电机系统的输出电磁推力波动。

技术研发人员：史黎明,刘进海,周世炯,李子欣,李耀华
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23