一种长定子直线电机的无速度传感器测速方法

技术领域

本发明涉及无速度传感器测速技术领域，尤其是涉及一种长定子直线电机的无速度传感器测速方法。

背景技术

长定子直线同步电机可应用于高速磁悬浮系统中作为牵引系统和悬浮系统。磁悬浮列车在高速运行时，需要采用双端并联供电的方式。所谓双端供电方式，就是从一个磁悬浮列车运行区间两端的两套变流器同时向列车所在定子段并联供电的方式。双端供电的长定子直线同步电机可以提供更大的驱动电流，满足磁悬浮列车高速运行时的需求，同时，可以降低单个变流器的输出容量并保证供电的可靠性，提高系统的灵活性。

精确的位置检测是磁悬浮列车实现稳定运行的核心技术。通常在低速时，可以通过位置传感器获得速度和位置信息，并通过无线传输系统发送给地面的控制系统。但是当列车运行在高速区间时，无线传输系统的更新周期太长，无法满足牵引控制系统的实时性要求，因此高速时必须采用无速度传感器控制方法，实时观测并计算列车的速度和位置，实现对列车的精确控制。

目前，对于直线电机的无速度传感器控制方法主要基于直接计算法、高频信号注入法、扩展反电势法、滑模观测器法、扩展卡尔曼滤波器法、模型参考自适应法等。但是上述方法都是针对单端供电的直线电机，现有技术中少有对于双端供电的长定子直线同步电机的无速度传感器测速的研究，无法保证使用长定子直线同步电机时的位置和速度的估计准确度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种长定子直线电机的无速度传感器测速方法，方法选用比例积分自适应律输出的速度估计值反馈到可调模型中，使得可调模型与参考模型的输出误差趋于零，同时速度估计值也逐渐逼近实际值，实现了对双端供电的长定子直线电机的无速度传感器测速。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种长定子直线电机的无速度传感器测速方法，包括以下步骤：

S1、构建基于双端供电的长定子直线同步电机的模型参考自适应系统，所述模型参考自适应系统包括参考模型、可调模型和自适应机构，所述自适应机构修改参数的规则为自适应律，所述自适应律为比例积分自适应律；

S2、将参考模型减去可调模型，得到定子电流矢量误差，所述定子电流矢量误差为自适应机构的输入；

S3、依据波波夫超稳定性理论，将自适应机构输出的速度估计值反馈到可调模型中，使得可调模型的输出跟踪参考模型的期望输出，定子电流矢量误差趋于0，并且速度估计值趋于参考模型的实际值，实现电机系统稳定运行，稳定运行下，计算角速度估计值；

S4、基于角速度估计值计算直线电机的速度估计值和位置角度估计值。

进一步地，参考模型基于长定子直线同步电机双端供电模式下的电压电流方程构建，参考模型的表达式为：

其中，R

进一步地，可调模型基于参考模型构建。

进一步地，可调模型的表达式为：

其中，

进一步地，角速度估计值基于辨识算法计算得到，所述辨识算法采用比例积分自适应律。

进一步地，角速度估计值的表达式为：

其中，

d轴定子电流和等效q轴定子电流，k

进一步地，直线电机的速度估计值的表达式为：

其中，

进一步地，位置角度估计值的表达式为：

其中，

进一步地，模型参考自适应系统基于双端供电的长定子直线同步电机的电压电流方程构建，构建的过程具体为：

构建三相静止坐标系下双端供电的长定子直线同步电机的电压电流方程，并将方程转换到两相同步旋转坐标系下，得到两相同步旋转坐标系下的电压方程、电流方程和磁链方程，基于两相同步旋转坐标系下的方程构建模型参考自适应系统。

进一步地，三相静止坐标系下双端供电的长定子直线同步电机的电压电流方程的参数包括：一侧变流器的三相输出电压和电流、另一侧变流器的三相输出电压和电流、直线电机定子绕组三相电流、直线电机定子绕组三相磁链、两侧变流器到直线电机定子绕组的馈电电缆的电阻和电感和直线电机定子绕组电阻。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过采用模型参考自适应法实现状态估计，能够实时检测直线电机的速度和位置角度，实现了对双端供电的长定子直线电机的无速度传感器测速，不但可以保证位置和速度的估计准确度，而且具有动态跟随性能好、鲁棒性强、抗干扰能力强的优点。

(2)本发明将直线电机的实际运行情况作为参考模型，将含有估算转速的电机模型作为可调模型，这两个模型的输出量具有相同的物理意义，都为电流值，选用比例积分自适应律输出的速度估计值反馈到可调模型中，使得可调模型与参考模型的输出误差趋于零，同时速度估计值也逐渐逼近实际值，从而实现电机稳定运行的目的。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的长定子直线同步电机双端供电模式的等效电路图；

图3为模型参考自适应控制系统原理结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以高速磁浮交通系统中应用的长定子直线电机为例，高速磁浮列车在高速运行时，需要采用双端供电的方式，这是因为双端供电可以提供更大的驱动电流，满足高速运行时加减速的需求，同时能够降低单个变流器的输出容量并保证供电的可靠性，提高系统的冗余度。长定子直线同步电机采用双端供电模式时的等效电路图如图2所示。

本发明提供一种长定子直线电机的无速度传感器测速方法，方法选用比例积分自适应律输出的速度估计值反馈到可调模型中，使得可调模型与参考模型的输出误差趋于零，同时速度估计值也逐渐逼近实际值，实现了对双端供电的长定子直线电机的无速度传感器测速。方法的流程图如图1所示，方法包括以下步骤：

S1、构建基于双端供电的长定子直线同步电机的模型参考自适应系统，模型参考自适应系统包括参考模型、可调模型和自适应机构，自适应机构修改参数的规则为自适应律，自适应律为比例积分自适应律；

S2、将参考模型减去可调模型，得到定子电流矢量误差，定子电流矢量误差为自适应机构的输入；

S3、依据波波夫超稳定性理论，将自适应机构输出的速度估计值反馈到可调模型中，使得可调模型的输出跟踪参考模型的期望输出，定子电流矢量误差趋于0，并且速度估计值趋于参考模型的实际值，实现电机系统稳定运行，稳定运行下，计算角速度估计值；

S4、基于角速度估计值计算直线电机的速度估计值和位置角度估计值。

模型参考自适应控制系统原理结构图如图3所示。本发明通过采用模型参考自适应系统实现双端供电的长定子直线同步电机的测速，模型参考自适应系统(MRAS)包含一个参考模型和一个可调模型，参考模型的输出代表系统期望的动态响应，当它与可调模型的输出有差异时，就会通过自适应机构去修改可调模型中的参数，使得可调模型的输出快速跟踪参考模型中的期望输出，从而使误差渐近为0，自适应机构修改参数的规则称为自适应律。

S1中，模型参考自适应系统基于双端供电的长定子直线同步电机的电压电流方程构建，构建的过程具体为：

构建三相静止坐标系下双端供电的长定子直线同步电机的电压电流方程，并将方程转换到两相同步旋转坐标系下，得到两相同步旋转坐标系下的电压方程、电流方程和磁链方程，基于两相同步旋转坐标系下的方程构建模型参考自适应系统。

根据长定子直线同步电机双端供电模式的等效电路图，三相静止坐标系下双端供电的长定子直线同步电机的电压电流方程如下：

其中u

、、、、、u

、、、、、直线电机定子绕组三相电流，ψ

以上公式变换到两相同步旋转坐标系d-q下的电压方程为：

其中，u

综合公式(1)、(2)、(3)得到：

令

参考模型基于长定子直线同步电机双端供电模式下的电压电流方程构建，所以参考模型的表达式为：

其中，R

由公式(6)构造模型参考自适应的可调模型为：

其中，可调模型中

S2中，由参考模型减去可调模型得到了自适应机构的输入量，获得定子电流矢量误差。定义电流矢量：

则定子电流矢量误差为：

将参考模型和可调模型做差，得到电流矢量误差方程：

S3中，依据波波夫超稳定性理论，选用比例积分自适应律输出的速度估计值反馈到可调模型中，使得可调模型与参考模型的输出误差趋于0，同时速度估计值也逐渐逼近实际值，使系统稳定运行。为了保证模型参考自适应系统是渐进稳定，辨识算法可以采用比例积分自适应律，基于辨识算法计算得到角速度估计值，角速度估计值的表达式为：

其中，

轴定子电流，k

根据公式(9)，

将公式：

代入公式(9)，得到估计的角速度为：

S4中，根据角速度估计值

直线电机的速度估计值的表达式为：

其中，

位置角度估计值的表达式为：

其中，

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。