初级绕组分段式永磁直线电机无传感器驱动系统的基础研究

In this project, the fundamental problem of sensorless drive and control will be solved systematically via studying the regularity of the permanent magnet linear motor with segment winding(SW-PMLM).The effect of parameters of the end and the half-open magnetic field on SW-PMLM is studied. The precise mathematical model is established on the basis of the research on SW-PMLM modeling method of non-periodic parameters; The mover position is estimated by the method based on the predictive control theory, combined with the characteristics of saliency in the wide speed range. The fundamental problem is solved by studying the sensorless control in the pass-through section based on the taking thrust vector synthesis as the input variable. In order to improve the robustness of the mover position estimation, the accuracy of the estimated position is analyzed under the variation of the parameters on the SW-PMLM and the load disturbance.The method of current drive and control is studied to improve the current bandwidth and reduce the thrust ripple. The impact of the DC bus voltage limit and the current of the inverter limit is discussed to improve the system performance.Finally, the system test platform will be built, and experimental verification will be carried out. The above research will provide a theoretical basis and technical support for the development of new high-speed, high-reliability electromagnetic propulsion device.

本项目通过研究初级绕组分段永磁直线电机运行中的规律性特征，系统地解决无传感技术在多段初级电机中应用的基础问题。研究分段永磁电机中端部、半开域等特殊电磁场问题对参数估计的影响；对具有非周期参数的特种电机建模方法开展研究，构建绕组分段式永磁直线电机系统精确的数学模型；基于预测控制理论，结合凸极特性研究长行程电机宽调速范围运行的位置检测方法，重点解决以推力矢量合成为输入变量的段间过渡区域无传感技术的基础问题，探讨电磁参数摄动、负载扰动等条件对位置预估精度的影响，提高无传感技术的鲁棒性；研究分段供电模式下的电流高动态驱动控制方法，探讨直流母线电压限制和逆变器电流限制对系统性能的影响。最后搭建系统测试平台，进行相关的实验验证。上述研究成果将为新型高速高可靠性电磁推进装置的开发提供理论依据和技术支撑。

初级绕组分段永磁直线同步电机作为一种新型结构的直线电机，具有推力密度高、功率损耗小、动态响应快和驱动电压低等优点，然而位置传感器一直制约着初级绕组分段直线电机系统的发展，因此本项目以初级绕组分段直线电机为研究对象，针对电机绕组分段的结构特点，开展分段电机反电势观测方法和段间区域位置及速度估算方法等无传感器控制关键技术的研究，对促进其在轨道交通、电磁弹射等领域的发展具有重要意义。.首先，针对初级分段电机段间区域电磁参数呈现非周期性变化的特点，采用理论计算和有限元分析方法研究段间区域电感和磁链参数随磁极位置的变化规律，并在此基础上建立分段电机全行程变参数数学模型。针对分段电机动子段间平稳过渡问题，研究段间电流同步控制策略和分段供电策略，并构建分段电机全行程矢量控制系统作为实现电机无传感器控制的基础。.其次，研究基于扰动观测器的反电势观测方法，分析观测器极点配置方案和观测器理论误差，并提出角度误差补偿方法，以提高观测器位置估算精度。通过对观测器暂态响应和参数误差影响的分析，证明基于扰动观测器的反电势观测方法具有响应速度快及对参数误差不敏感的特点，在初级分段直线电机参数摄动较大的条件下也具有较好的观测精度，适用于分段电机无传感器控制。.再次，针对分段电机段间区域单段定子反电势相位产生偏差，无法直接估算段间位置问题，提出利用相邻两段定子的合成反电势进行位置估算的方法，以消除段间位置估算的盲点。针对常规速度估算方法在段间区域产生波动的问题，研究基于电机动力学方程的全阶速度观测器方法，分析观测器反馈增益配置方法，并通过系统仿真验证全阶速度观测器方法能够有效降低段间区域估算速度波动，提高速度估算精度。.最后，在理论分析的基础上搭建初级分段直线电机驱动控制系统实验平台，设计驱动控制器硬件电路和软件算法，通过实验验证无传感器控制方法的正确性和有效性。