悬挂式磁悬浮列车系统多模态优化驱动控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种悬挂式磁悬浮列车系统多模态优化驱动控制方法。悬挂式磁悬浮列车在轨道上运行时，根据列车所处状态提供不同的直线电机驱动策略，当列车处于空载启动状态时，提供转差频率控制；当列车处于平直负载或下坡运行状态，通过中断程序切换到矢量控制；当检测到列车处于上坡或转弯状态，切换到直接推力控制。通过检测单元检测列车所处状态，切换不同的控制方法，可以实现悬挂式磁悬浮走行系统的多模态优化驱动，大大降低能耗。

【技术实现步骤摘要】
悬挂式磁悬浮列车系统多模态优化驱动控制方法
本专利技术涉及悬挂式磁悬浮空中轨道交通领域，特指悬挂式直线感应电机控制方法。
技术介绍
近年来，城市的发展越来越迅速，人们的出行方式有了更多选择，但随之也带来了交通拥堵及环境污染的问题，成为城市发展的瓶颈。为解决这些问题，应大力发展城市公共轨道交通系统，悬挂式磁悬浮空中轨道交通系统作为一种新型轨道交通制式，有利于改善城市公共交通环境，解决“最后一公里”问题，改变人的出行方式，并且占用公共空间及土地更少，最终会推动稀土冶金、现代制造、新能源、旅游观光等相关产业发展和转型升级。长定子直线感应电机作为一种新型的直线驱动设备，结构简单，易于维护，加速快，爬坡能力强，转弯半径小，选线灵活，可作为悬挂式磁悬浮轨道交通系统的牵引机构。对于悬挂式直线感应电机的控制策略，为了获得理想的控制效果，通常采用转差频率控制、矢量控制和直接推力控制。各种直线电机控制方式，包括转差频率控制、矢量控制、直接推力控制以及由它们衍变改进得到的控制策略，对于直线电机本身来说，只是最后发出的电压矢量有所不同。悬挂式磁悬浮列车作为一种公共交通工具，长时间高负载运行，经常性启动制动，突发状况下的快速响应，以及稳态运行低噪声低抖动等，都要求有一个优异的控制策略。
技术实现思路
通常情况下，单独的转差控制、矢量控制或直接推力控制难以全面满足这些多种多样的性能要求，因此，在设计悬挂式直线感应电机驱动控制策略时，需要综合考虑其他控制方法的特点，提出一种将这三种控制方式有机结合在一起的混合控制方法，取长补短，使得用户可以根据实际控制系统不同模态的要求，灵活地选择最有效的控制方式，而且这三种控制方式之间的切换可以在线进行，不需要硬件的改动，使控制方法能够适应多模态控制。专利技术目的：本专利技术针对悬挂式磁悬浮系统的多模态设计直线感应电机优化驱动控制策略，其目的在于不同工况下应用不同驱动策略，主要是获得良好的控制效果，使得控制智能化，功耗节能化。为实现上述控制策略，本专利技术具体采用以下技术方案实现：悬挂式磁悬浮走行系统多模态优化驱动控制方法，其中，悬挂式磁悬浮列车系统包括轨道系统、悬挂系统、控制系统和轿厢系统，所述控制系统包括驱动系统、导向系统、悬浮控制系统，轨道系统通过立柱悬于空中，轿厢系统通过悬挂系统悬挂在轨道系统的垂直下方，驱动系统和导向系统协同作用，驱动轿厢系统在轨道系统中前进，该方法包括：(1)转差频率控制：由直线感应电机动子磁场角速度ωr，转差角速度ωs得到定子磁场角速度ωe，由直线感应电机的电压方程和磁链方程得到定子电压与角速度的关系，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转；(2)矢量控制：采用速度作为控制信号，产生速度误差信号经PI控制生成推力分量isq，经过磁通控制产生与直线感应电机磁通观测到的ψrd比较产生磁链误差，通过PI控制生成励磁分量isd，两路电流信号经电压解耦控制生成两相电压信号，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转；(3)直接推力控制：采用定子磁链和推力作为控制信号，通过与推力磁链观测器的推力和磁链比较，产生误差信号经过滑膜控制器生成两相电压信号，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转。优选地，步骤(2)还包括：高速区时对定子q轴电流进行补偿，补偿为：其中，τ为极距，np为初级绕组极对数，Lr为转子等效两相绕组的自感，Lm为定子与转子同轴等效绕组间的互感，ψrd为动子磁链，Lσr为次级漏感，D为初级长度，Rr为动子电阻，v为电机线速度，Fe为电磁推力，isd、isq为定子dq轴电流；优选地，步骤(3)还包括：建立直线感应电机数学模型的电压方程和磁链方程：由此得到：ψrd带入Fe得到：优选地，在模态间切换时，设定切换判据，满足切换条件时，先设立一个模态切换过渡区，当轿厢从初始模态进入过渡区时，等待一定的时间或空间尺度，在完全进入另一模态区才进行切换操作。本专利技术针对不同工况分别采用转差频率控制、矢量控制、直接推力控制；悬挂式直线感应电机采用长初级短次级结构，即在天梁内铺设电枢绕组，在列车转向架上装备铜铝复合感应板。在初级绕组中通入三相正弦电流，产生水平移动的交变磁场，称之为行波磁场，在次级感应板中感生出电流，两者相互作用产生电磁推力，推动列车前进。直线感应电机相对旋转感应电机而言，初级铁心开断、存在动静态边缘效应、电磁气隙较大等问题，驱动控制更为困难。控制策略切换必须遵循一个合理的准则，应选取最能代表模态的变量作为切换判决准则，当模态完全进入下一个模型“负责”区间时，进行切换操作。在切换调度中，若不加任何修正方法或准则，外部高频扰动和模态变化会引起模型频繁切换，产生切换抖动，不利于控制性能稳定，故有必要对切换方法进行修正。附图说明图1为本专利技术实施例中的悬挂式直线感应电机；图2为悬挂式直线感应电机控制流程图；图3为本实施例的多模态驱动控制框图；图4为滞后切换示意图。图5是本专利技术的悬挂式磁悬浮列车整体结构示意图。图6是本专利技术的轨道系统、驱动系统和导向系统的组装关系图。图7是本专利技术的倒U形抱轨的下端结构示意图。图8是本专利技术的六组式的悬浮转向架的俯视图。图9是本专利技术的四组式的悬浮转向架的俯视图。图10是本专利技术的六个悬浮点的俯视图。图11是本专利技术的四个悬浮点的俯视图。图12是本专利技术的倒U形抱轨结构示意图。具体实施方式本专利技术将转差控制、矢量控制、直接推力控制整合在一个控制系统中，在不改变硬件条件下根据不同模态要求在线切换驱动策略。下面结合附图详细地描述本专利技术实施例的目的、技术方案和优点。本实施例中直线感应电机采用长初级短次级结构，参照图1。为适应悬浮轨道不同路况(上坡、下坡、转弯)及轿厢操作要求，悬挂式直线感应电机采用三种控制策略相互切换，同时保障切换系统的稳定性。在实际悬挂式直线感应电机控制中，对运行时的数据作以下处理：启动模态：牵引传动系统工作于典型的低速、轻载、低效状态下；加速模态：牵引系统处于效率很高的额定状态；匀速模态：牵引系统保持在一个稳定的工作状态，通常具有较高的效率，速度和牵引力在理论上讲是连续可调的；惰行模态：牵引系统不做功，轿厢靠惯性滑行，轿厢动能克服阻力做功，合理地运用惰行可以有效减少牵引力做功，但过多的采用惰行则会浪费运行时间；制动模态：轿厢的制动方式分为空气制动、电力制动和联合制动。在悬挂式直线感应电机的控制策略整合中：当轿厢处于空载启动状态时，提供转差频率控制当轿厢处于平直负载或下坡运行状态，通过中断程序切换到矢量控制；当检测到轿厢处于上坡或转弯状态，切换到直接推力控制。考虑动态纵向边端效应，建立次级磁场定向的dq坐标系下的系统数学模型，直线感应电机按转子磁场定向的坐标系中，规定d轴沿着转子中磁链矢量ψr的方向，其边缘效应不影响q轴，则有ψrd＝ψr,ψrq＝0：电压方程：usd＝Rsisd+Rrf(Q)(isd+ird)+pψsd-ωeψsqusq＝Rsisq+pψsq+ωeψsdurd＝Rrird+Rrf(Q)(isd+ird)+pψrd＝0urq＝Rrirq+(ωe-ωr)ψrd＝0磁链方程：ψsd＝(Ls-Lmf(Q))isd+Lm(1-f(Q))本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种悬挂式磁悬浮列车系统多模态优化驱动控制方法，所述悬挂式磁悬浮列车系统包括轨道系统、悬挂系统、控制系统和轿厢系统，所述控制系统包括驱动系统、导向系统、悬浮控制系统，轨道系统通过立柱悬于空中，轿厢系统通过悬挂系统悬挂在轨道系统的垂直下方，驱动系统和导向系统协同作用，驱动轿厢系统在轨道系统中前进，其特征在于，该方法包括：(1)转差频率控制：由直线感应电机动子磁场角速度ωr，转差角速度ωs得到定子磁场角速度ωe，由直线感应电机的电压方程和磁链方程得到定子电压与角速度的关系，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转；(2)矢量控制：采用速度作为控制信号，产生速度误差信号经PI控制生成推力分量isq，经过磁通控制产生

【技术特征摘要】
1.一种悬挂式磁悬浮列车系统多模态优化驱动控制方法，所述悬挂式磁悬浮列车系统包括轨道系统、悬挂系统、控制系统和轿厢系统，所述控制系统包括驱动系统、导向系统、悬浮控制系统，轨道系统通过立柱悬于空中，轿厢系统通过悬挂系统悬挂在轨道系统的垂直下方，驱动系统和导向系统协同作用，驱动轿厢系统在轨道系统中前进，其特征在于，该方法包括：(1)转差频率控制：由直线感应电机动子磁场角速度ωr，转差角速度ωs得到定子磁场角速度ωe，由直线感应电机的电压方程和磁链方程得到定子电压与角速度的关系，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转；(2)矢量控制：采用速度作为控制信号，产生速度误差信号经PI控制生成推力分量isq，经过磁通控制产生与直线感应电机磁通观测到的ψrd比较产生磁链误差，通过PI控制生成励磁分量isd，两路电流信号经电压解耦控制生成两相电压信号，经坐标变换得到SVPWM逆变器的三相电压控制信号，经逆变器输出信号控制电机运转。(3)直接推力控制：采用定子磁链和推力作为控制信号，通过与推力磁链观测器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪涛，韩树人，袁胜利，胡海林，张江华，杨斌，杨杰，
申请(专利权)人：江西理工大学，西南交通大学，
类型：发明
国别省市：江西,36