绕组分段永磁直线同步电机高效V/f控制研究

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永磁直线同步电机(Permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)同时具备永磁电机和直线电机的优点,是无绳提升系统最理想的驱动源,在超高深矿井提升、轨道交通、电磁弹射和舰载升降机等领域都有着较广泛的应用,是国内外研究的热点。而PMLSM应用于远距离、长行程应用场合时,为了便于安装、节约能耗,长初级直线电机通常将初级设计为分段结构。绕组分段永磁直线同步电机(Segment winding permanent magnet linear synchronous motor,SW-PMLSM)采用初级阵列式安装结构,这样使得安装结构变得方便灵活,同时可以带来更大的优化设计空间。与普通PMLSM不同,SW-PMLSM在动子运行过程中,初、次级之间相对位置在时刻变化着,这会引起电机的磁路结构和电磁参数发生变化,这也就造成了SW-PMLSM建模与控制方法具有一定的特殊性。本文首先针对SW-PMLSM在运行过程中关键电磁参数变化进行分析研究,采用理论计算和有限元分析的方法研究电感和磁链随定子、动子相对位置改变而变化的规律,在此基础上建立了SW-PMLSM全行程运动坐标系下变参数数学模型。其次,本文选用的SW-PMLSM次级动子长度要远大于单段初级长度,为解决长初级电机的供电问题,采用了分段供电技术,即对电机初级段进行分区间段供电策略:只将次级所处的初级区间位置及临近区间进行通电,其它段初级区间不通电,并随着次级的运动,对初级段进行分区间逐段递进切换供电。由于现场供电条件限制,供电方式采用单电源有效段并联供电的供电方式,在节约成本的同时也简化了供电策略。分有效段多控制器分段同步矢量控制方法无疑是最适合SW-PMLSM的稳定驱动方式,但每个段中配给独立的控制器无疑增加了系统的成本投入,并且在正常的系统电源设计中,多电源分段切换供电设计也增加了电源切换控制设计的难度。并且由于应用于长行程远距离传输场合,速度位置传感器问题也一直制约着矢量控制在SW-PMLSM驱动控制系统中的发展。针对SW-PMLSM结构特点,结合本文选用的电机供电方式,本文提出了一种新颖的V/f闭环控制结构,同时结合传统V/f控制无需传感器以及矢量控制控制精度高的优点,本方法的创新之处在于设计了两路闭环调校结构来同时满足SW-PMLSM稳定运行与提高推力输出效率两个目标,并通过系统仿真验证了控制方法的可行性。最后,在理论分析的基础上,搭建SW-PMLSM高效V/f驱动控制实验平台,设计绕组供电切换控制单元以及半实物仿真模型算法构架,并通过实验验证了低成本高效V/f控制方法在长行程PMLSM中的实用性。
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