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磁悬浮列车在双端供电模式下的无速度传感器控制

针对磁悬浮列车在高速运行时采用并联供电的特殊模式,将交流电机的扩展反电动势原理推广到长定子直线同步电机的控制中,建立长定子直线同步电机供电系统的数学模型;借鉴旋转电机的扩展反电动势原理,设计磁浮列车的扩展反电动势观测器;采用锁相环的方法得到磁悬浮列车的速度以及转子角度。在半实物仿真平台上验证了该无速度传感器控制策略的有效性。


磁悬浮列车克服了车辆与轨道的接触和磨损,使轨道列车的速度得到了巨大提升。德国的TR系统采用的是常导电磁吸引式磁悬浮技术;日本的MLX系统采用的是超导电动排斥式磁悬浮技术[1];我国在上海建造的磁悬浮运营线,采用了长定子直线电机进行驱动[2,3]。本文以长定子直线电机为研究对象[4,5],针对磁悬浮列车的运行特点,提出了一种适用于磁悬浮列车在双端供电模式下的无传感器控制策略。


磁悬浮列车实现稳定运行的核心技术在于如何准确获取列车运行时的速度、位置信息以及电机的角度信息。通常在低速时,可以通过传感器检测定子齿槽和轨道上的定位标志板来确定速度和角度信息,并通过无线传输装置发送给地面的控制系统。


但是,列车高速运行时,无线传输装置导致的过长的位置信息获取周期已经无法保证地面控制系统获得准确转子磁场定向角度以及列车速度,导致列车控制性能变差。因此,有效的解决方式就是采用无速度传感器控制算法,实时观测并计算列车的速度以及电机角度,实现对列车高速运行时的稳定控制。


目前,交流电机的无传感器控制方法主要分为两类:一类是适用于零速和低速的高频信号注入法;另一类是适用于中高速的基于电机模型的方法。高频信号注入法[6-8]通过给电机注入高频电压和电流,并检测相应的电压、电流响应来获取转子位置和转速。


此种方法主要利用电机本身凸极特性或者由饱和引起的凸极效应。高频信号注入法与电机转速和反电动势无关,能够解决低速甚至零速下转子位置的估计,并且对电机参数变化不敏感,鲁棒性好。但是注入的高频信号会造成电流控制器的动态性能变差,逆变器的电压利用率降低等问题。


基于电机数学模型的无传感器算法包括开环算法和以观测器为基础的闭环算法。开环算法主要有直接计算法、基于电感变化的估算方法、反电动势积分法。直接计算法计算过程简单直接,动态响应比较快,但是受电机参数变化影响比较大。基于电感变化的估算方法虽然计算简单,但是会受到电感饱和效应的影响。反电动势积分法,由于引进了纯积分环节,会带来零漂、相移等问题,而且该方法对电机参数的依赖性比较大。


基于电机数学模型的无传感器控制闭环算法主要有扩展卡尔曼滤波法、模型参考自适应法和滑模观测器法。扩展卡尔曼滤波法[9,10]可以有效地削弱随机干扰和测量噪声的影响,观测器的输出能很快跟踪系统实际状态,但扩展卡尔曼滤波器的算法比较复杂,需要矩阵求逆运算,计算量较大。


模型参考自适应法[11,12]实现比较简单,但是观测器的精度依赖于电机参数的准确性。当定子电阻随电机温升发生变化时,计算结果的准确性会受到影响。滑模观测器法受系统参数变化以及外部扰动的影响小,鲁棒性较好。但是由于该算法采用了不连续的开关状态,使电机引入额外的电压电流噪声信号,引起系统发生抖动。


借鉴旋转电机的无传感器控制算法,国内外的科研人员提出了适用于直线电机的无传感器控制策略。文献[13]针对扩展卡尔曼滤波方法处理非线性滤波问题的不足,采用了Unscented卡尔曼滤波方法设计无传感器控制算法。


文献[14]通过给直线电机定子中注入可控的电压矢量,估计出动子位置,并实现零速平稳起动。文献[15]提出了一种基于神经网络的全阶Luenberger自适应观测器,与传统的模型参考自适应方法相比,可以工作在更低的额定速度(1.4%)。但是该方法需要设计复杂的状态方程,实现比较困难。


文献[16]将滑模观测器方法应用到了直线电机的无传感器控制,减小了抖振现象,抑制了积分饱和效应。文献[17]采用基于电流方程的模型参考自适应算法,减小了观测器在低速时对电机参数依赖程度,提高了控制的稳定性。


本文根据磁悬浮列车的运行特点及牵引条件,设计了一种简单稳定、适用于磁悬浮列车在双端供电模式下的无传感器控制算法。文献[18]提出了旋转电机的扩展反电动势理论,通过数学的方式,将凸极同步电机不对称的电压方程转换为类似于隐极同步电机的对称结构,可以更加方便地设计反电动势观测器。


本文将旋转电机的扩展反电动势理论,应用到长定子直线同步电机的无传感器控制中,设计了长定子直线同步电机在双端供电模式下的扩展反电动势观测器。利用正交锁相环估算电机的速度与角度。在高速磁浮半实物仿真系统上进行相关实验,验证了该算法的有效性和可行性。


图4  磁悬浮列车半实物实验平台

磁悬浮列车在双端供电模式下的无速度传感器控制


结论

本文针对磁悬浮列车采用的双端并联供电模式,建立了长定子直线同步电机在双端供电模式下的数学模型;基于扩展反电动势的基本原理,设计了扩展反电动势的观测器。从半实物仿真的结果来看,本文设计的无速度传感器算法,适用于磁悬浮列车的实际工况,具有较好的鲁棒性和较高的准确率,能够实现磁浮列车高速运行时的有效控制,对高速磁浮列车的实际应用有很大的价值。


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