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城轨交通用直线感应电机模糊PI矢量控制

1 引言(Introduction)
    直线感应电机以其造价低、振动小、噪声低、爬 坡能力强、牵引性能优越、通过曲线半径小、能耗 低、污染小、安全性能高等优点, 将会在城市轨道交 通中将会扮演重要角色. 直线感应电机在城市轨道 交通中的应用有直线电机地铁、轻轨及低速磁浮列 车. 前两者的轨道可与传统电力机车的轨道合二为 一, 是城市轨道交通新的方式, 也是21世纪无人驾驶 全自动交通系统的发展方向. 近年来, 直线感应电 机驱动研究主要集中在通过矢量控制策略改善电机 动态性能. 文献[1»3]提出基于PI调节器的矢量控制 的实现. 但在负载变化频繁的场合, 基于PI调节器的 矢量控制系统存在超调过大、动态跟踪性能不够理 想等缺点. 模糊逻辑控制能改善电机的矢量控制效 果[4»8]. 文献[9]提出一种基于模糊调节器的直线感 应电机矢量控制系统, 但其未考虑该类型电机的动 态纵向边端效应. 为进一步改善LIM的矢量控制效 果, 本文在考虑直线感应电机动态边端效应的基础 上, 提出一种基于模糊逻辑和PI的复合型模糊PI调 节器, 并对动态边端效应引起LIM推力的衰减进行 了补偿.
    2 LIM的结构(Structure of LIM)
    图1为大气隙直线感应电机结构示意图. 其中: g为直线电机的机械气隙, c为次级板沿宽度方向 单侧伸出的长度, W为次级板宽度, L±为初级铁心 叠厚, ¢为直线感应电机铜(铝)板厚度. 其为复合次 级、单边型短初级的直线感应电机, 在城轨交通系 统中次级固定在轨道上, 初级安装在车辆上, 两者之 间的气隙为12 mm. 初级由硅钢片叠成的铁心与绕 组组成控制工程网版权所有, 次级由非磁性材料铜层(或铝层)与整个铁 板组成. 大气隙直线感应电机复合次级部分通常铜 层大于2 mm而铝层大于4 mm.
    该类型电机由于铁心开断且气隙较大, 存在横向边端效应和纵向边端效应(静态和动态), 横向边端 效应仅使次级电阻率有所增大, 纵向边端效应增加 电机附加损耗、减少电机有效输出, 有时严重影响 直线电机性能. 当该类型电机运行在低速场合时, 动 态纵向边端效应对电机性能影响很小, 可以忽略; 而 当其应用在较高速度场合时, 动态纵向边端效应对 电机的影响较大, 此时不能忽略此类边端效应, 在控 制系统建模时, 必须考虑动态纵向边端效应.
    3 动态边端效应补偿(Compensation of dynamic longitudinal end effect)
    考虑动态纵向边端效应, 在同步速坐标系(d-q-0) 下, 将次级磁链定向于d轴, 则LIM的微分方程[2]如 下:
    
    其中: Rs;Rr;Ls¾;Lr¾;Lm; uds; uqs; Ãds; Ãqs; Ãdr; Ãqr 分别为初、次级电阻, 初、次级漏感, 初次级间互感, 初级直、交轴电压, 初级直、交轴磁链控制工程网版权所有, 次级直、交 轴磁链, p为微分算子, v为电机速度, !1为初级 电角速度控制工程网版权所有, !r为次级电角速度控制工程网版权所有, M为电机质量www.cechina.cn, D 为电机有效长度, ¿为电机极距www.cechina.cn, Fload为负载.
    由于次级磁链定向于d 轴, 即Ãqr = 0, 次级磁 链Ãr =Ãdr, 则动态纵向边端效应对LIM的影响可用 直轴励磁回路的串联电阻Rrf(Q)及Lm(1¡f(Q))来 分别模拟动态纵向边端效应引起的损耗和去磁作 用. 基于此, LIM矢量控制下的等效电路
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