基于电流预测控制的绕组分段永磁直线同步电机高精度推力控制研究

The thrust control with high precision of the seconded winding permanent magnet linear synchronous motor (SW-PMLSM) is essential to be used widely and furthermore decline system loss, improve efficiency and enhance dynamic performance. According to the former investigation experience, it’s observed that the current predictive control is an effective method for thrust control. In order to control the thrust precisely, some research need to be carried out, such as: motor model, motor parameters, the time delay and the thrust ripple.. Thus in this project the couple mechanism of the magnetic field in the cross-section (CS) will be investigated; full range decoupled model of the SW-PMLSM will be constructed; the principles of direct axis and quadrature axis inductances will be studied as well as the secondary flux linkage; the optimal distribution scheme of the voltage vector of the adjacent sections in the CS will be investigated to improve system efficiency. We should analyze the causes that lead to time delay for the current predictive control and study the effect to the sample signal of the time delay in digital signal process method and furthermore find an effective complementary method; analyze the effect to the feedback signal of the time delay and find the correct method; analyze the elements due to thrust ripple, construct the ripple synthetical model and investigate the ripple suppress scheme.. The thrust control with high precision of the SW-PMLSM will be achieve with these research effort, which will set a firm foundation for its widespread use in the speed and position servo systems.

绕组分段永磁直线同步电机推力的高精度控制是其得以广泛应用进而降低系统损耗、提高效率、增强动态响应特性的前提。前期研究结果表明：电流预测控制是实现这一目的的有效方法。为了达到推力精确控制效果，尚需从电机模型、电机参数、控制延时和推力波动几方面再深入研究。因此本课题将研究段交界处相邻电机段的磁场耦合机理，构建电机的全区域解耦模型，推导段交界处电机的直交轴电感和磁链变化规律，研究动子在段交界处时相邻电机段电压矢量最优分配策略以提高系统效率；全面分析导致电流预测控制延时的因素，研究控制延时对采样信号的影响并寻求有效补偿方法；分析控制延时对反馈信号的影响规律并研究其校正方法；分析造成电机推力波动的主要因素，建立推力波动的多变量遗传算法函数综合模型，研究推力波动的前馈补偿策略。通过此研究将实现电机推力的高精度控制，为其进一步在速度、位置伺服系统中得到广泛应用奠定基础。

绕组分段永磁直线同步电机（Sectioned Winding PMLSM，SW-PMLSM），由于其初级绕组分段的结构特点，降低了直流母线的供电电压，方便了电机的维护，提高了系统安全性。并且，通过有效的供电、控制，可以降低电机损耗，提高系统效率。因此，实现SW-PMLSM的有效控制，对其应用推广具有积极的意义。首先，基于电磁场理论，根据有无动子将电机模型分为有动子区域和无动子区域，利用分层等效模型，解析了电机的磁场并得到了气隙磁密。推导得到了单段电机绕组自感、互感与两电机段间绕组的互感闭式表达式，并采用有限元软件Ansoft对解析结果加以验证。最后通过实验测试验证了解析、仿真结果的有效性；根据磁场定向控制理论求解了电机的直交轴电感，为电机驱动控制提供必要的参数支持。其次，剖析了系统延时产生的机理，研究了动子运动状态的判别方法及不同运动状态下，系统延时对动子速度和位置反馈信号的影响规律，并分别推导了相应的补偿方法。再次，提出了基于边界处各段电机的三相反电势获取永磁体磁链的方法；针对电机存在定位力这一缺陷，在一个定位力波动周期内对其进行仿真研究，得到了定位力的变化曲线；通过曲线拟合识别出定位力的变化规律，为定位力的补偿控制奠定了基础。本项目的研究为绕组分段永磁直线同步电机的控制提供了理论基础和关键参数支持，为其进一步工业控制和军事控制中得到广泛应用奠定基础。