基于滑模观测器的高速磁浮无传感器控制.pdf

第38卷第4期
电工.电能新技术
Vol 38. No4
年4月
Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Apr.2019
基于滑模观测器的高速磁浮无传感器控制
孙鹏琨,2,葛琼璇,张波,吕晓美
1.中国科学院电カ电子与电气驱动重点实验室,中国科学院电工研究所,北京100190;
2.中国科学院大学,北京10009)
摘要:常导电磁吸引型磁悬浮列车在高速运行时采用双端供电的供电模式。针对磁悬浮列车采用
双滿并联供电的特殊模式,设计了基于滑模观测器的无传感器控制策略。本文首先建立了在双端
供电模式下长定子直线同步电机的数学模型,并根据给定电流与反馈电流间的误差设计了滑模观
测器,然后由该误差来重构电机的扩展反电势。最后通过正交锁相环技术,提取扩展反电势中的转
子位置信息,实现无传感器控制。在 Simulink中搭建了仿真模型,并通过半实物仿真平台进行验
证,仿真结果证明该控制策略是有效可行的。
关键词:磁悬浮列车;长定子直线同步电机;双端供电;滑模观測器;扩展反电势
DOI:10.12067/ ATEEEI808038
文章编号:1003-3076(2019)04-0022-08
中图分类号:TM359.4
度,导致列车的控制性能变差。因此有效的解决方
式就是采用无传感器控制策略,买吋观测并计算列
磁悬浮列车克服了车辆与轨道的接触和磨损,车的速度以及电机角度,实现对列车高速运行时的
使轨道列车的速度得到了巨大提升。同时,磁悬浮稳定控制。
列车还貝有能耗低、运量大、适合远距离高速运输等
目前,交流旋转电机的无传感器控制方法主要有
优点。我国引进德国技术建成的高速磁悬浮上海示高频信号注入法、扩展卡尔曼滤波法?、模型参
范线最快速度可以达到430km/h,是当时速度最快考自适应法”和滑模观测器法24。高频信号注入
的陆地交通工具。
法与电机转速和反电势无关,能够解决低速甚至零速
对于磁悬浮列车来说,精确的位置检测不仅是下转子位置的估计,并且对电机参数变化不敏感,鲁
位置闭环控制的需要,而且还是电流控制器磁场定棒性好。但是注入的高频信号会造成电流控制器的
向控制的必要前提23。为了精确控制列车的位动态性能变差,逆变器的电床利用率降低等问题。扩
置、速度和加速度,必须得到列车悬浮磁铁相对于定展卡尔曼滤波法可以有效地削弱随机干扰和测量噪
子绕组的精确位置,然后根据反馈得釗的磁极位置,声的影响,观測器的输出能很快跟踪系统际状态,
采用空间矢量控制方法,控制变流器输出特定嗝值、但扩展卡尔曼滤波器算法比较复杂,需要矩阵求逆运
频率和相位的电流波形,驱动列车按给定的操作指算,计算量较大。模型参考自适应法实现比较简单
[4,5
但是观测器的精度依赖于电机参数的准确性。当定
常?电磁吸引式磁悬浮列车在低速时,通过传子电阻随电机温升发生变化时,计算结果的准确性会
感器检测定子齿槽和轨道上的定位标志板来确定速受到影响。滑模观测器法受系统参数变化以及外部
度和角度信息,并通过无线传输裝置发送给地而的扰动的影响小,鲁棒性较好。但是由于该算法采用了
控制系统。但是,列车高速运行时,无线传输装置导不连续的开关状态,使电机引入额外的电压电流噪声
致的过长的位置信息获取周期已经无法保证地而控信号,引起系统发生抖动
制系统获得准确的转子磁场定向角度以及列车速
借琀旋转电机的无传感器控制算法,国内外的
收稿日期:2018-12-19
基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFB1200602-20)
作者简介:孙鹏現(1992-),男,山东籍,博士研究生,研究方向为大功率电力电子与直线驱动技术;
莴琼暶(1967-),女,江西籍,研究员,博士,研究方向为大?率变流器及高性能电机牵引控制技术
孙鹏琨,葛琼璇,张波,等.基于滑模观测器的高速磁浮无传感器控制[.电工电能新技术,2019,38(4):2-29.
科研人员提出了适用于直线电机的无传感器控制策线电机定子绕纽端部电压;,i,。为直线电机定子
略。文献[15]针对扩展卡尔曼滤波方法处理非线绕组三相电流;M为长定子直线同步电机。
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[4]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,
并实现零速平稳启动。文献[16]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
M
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[17]将滑模观测器方法
图2长定子直线同步电机并联供电等效电路
应用到了直线电机的无传感器控制,减小了抖振现
Fig 2 Equivalent circuit of long stator linear synchronous
motor wnt
ith double-end power supply
象,抑制了积分饱和效应。文献[18]采用了基于电
流方程的模型参考自适应算法,减小了观测器在低
根据图2所示的等效电路,可以构建如下所
速吋对电机参数依赖程度,提高了控制的稳定性
的电压方程
本文主要针对磁悬浮列车在高速时采用双端供
电模式的特殊工况,设计了基于滑模观测器的无传
(Lp+R,)in
感器控制算法。在 Simulink中搭建了仿真模型,通
过半实物彷真平台验证了该方法的有效性、可行性。
2双端供电的磁悬浮列车数学模型
(Lep+R2) 112
2
2)
常导电磁吸引式磁悬浮列车的牵引供电系统如
图1所示。位于轨道两端的变电站,通过馈电电缆式中,い,L2为馈电电缆的电感;R1,R为馈电
向定子绕组供电。实际运行中有两种供电模式:单电缆的电阻;ua,-a,ua为变流器A-1的输出电压;
端供电和双端供电。双端供电即线路两端的两个变n,i,a为变流器A-1的输出电流;2,,2为
电站通过馈电电缆并联供电。双端供电模式可以在变流器B-1的输出电压;a,i,2为变流器B-1的
列车高速运行时提供足够大的牵引力,保证足够高输出电流;a,4,u。为电机端电压;p为微分算子。
的爬坡和加速能力,因此,可以减小每台变流器的容
将式(1)、式(2)变换到a-β坐标系下,可以得
量。同时,双端供电模式还可以明显降低馈电线路到
损耗,提高列车运行时的安全冗余性。
Lup Ry
变电站A
馈电电缆广
变电站B
变流器
变流器
(2P+Rュ
(4
轨道左侧长定子分段绕组
轨道右侧长定子分段绕组
变流器
变流器
式中,ua,p为变流器A-1的输出电压;ia,is为
A-2
て标电
B
变流器A-1的输出电流;u。,up为变流器B-1的输
出电压;ia,为变流器B-1的输出电流;a,la为
?1磁悬浮列车的牵引结构
电机端电压。
Fig. 1 Structure of maglev propulsion system
根据扩展反电势理论,在忽略端部效应的前提
下,建立长定子直线电机的数学模型