團(tuán)隊(duì)介紹

葛瓊璇，中科院電工研究所研究員，博士生導(dǎo)師，國(guó)務(wù)院特殊津貼專(zhuān)家。中國(guó)電源學(xué)會(huì)變頻電源與電力傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副主任，北京電力電子學(xué)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)。主要從事高壓大功率變流技術(shù)及高性能電機(jī)牽引傳動(dòng)控制技術(shù)研究工作。

先后承擔(dān)了國(guó)家科技支撐、國(guó)家 “863”科技攻關(guān)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多項(xiàng)重大項(xiàng)目的科研工作。在國(guó)內(nèi)首次成功研制了完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于VME總線的高速磁懸浮列車(chē)牽引控制系統(tǒng)，打破了國(guó)外技術(shù)封鎖，填補(bǔ)了該項(xiàng)技術(shù)國(guó)內(nèi)空白。成功研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)基于IGCT的7.5MVA高壓大功率變流器，為單機(jī)容量最大的交直交變流器系統(tǒng)。研發(fā)了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軌道交通牽引系統(tǒng)，在實(shí)際工程及線路上得到推廣應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

相關(guān)成果獲得2009年度北京市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、電工技術(shù)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，2010年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，2013年度北京市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、電工技術(shù)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，目前在國(guó)內(nèi)外核心期刊及國(guó)際會(huì)議上發(fā)表文章逾百篇，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利及軟件著作權(quán)四十余項(xiàng)。

孫鵬琨，博士研究生，主要從事長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)的高性能牽引控制技術(shù)。

導(dǎo)語(yǔ)

磁懸浮列車(chē)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的核心技術(shù)在于如何準(zhǔn)確獲取列車(chē)的速度、位置和電機(jī)角度。本文針對(duì)磁懸浮列車(chē)在高速運(yùn)行時(shí)采用并聯(lián)供電的特殊模式，將旋轉(zhuǎn)電機(jī)的擴(kuò)展反電勢(shì)原理推廣到長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)的控制中，提出了合適的無(wú)速度傳感器控制策略，并通過(guò)半實(shí)物仿真平臺(tái)驗(yàn)證了所提控制策略的可行性。

研究背景

常導(dǎo)電磁吸引型磁懸浮列車(chē)在低速運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)傳感器檢測(cè)定子齒槽和軌道上的定位標(biāo)志板來(lái)確定速度和角度信息，并通過(guò)無(wú)線傳輸裝置發(fā)送給地面的控制系統(tǒng)。但是，列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，無(wú)線傳輸轉(zhuǎn)置導(dǎo)致的過(guò)長(zhǎng)的位置信息獲取周期已經(jīng)無(wú)法保證地面控制系統(tǒng)獲得準(zhǔn)確的動(dòng)子磁場(chǎng)定向角度以及列車(chē)速度，導(dǎo)致列車(chē)控制性能變差。因此，有效的解決方式就是采用無(wú)速度傳感器控制算法，實(shí)時(shí)觀測(cè)并計(jì)算列車(chē)的速度及電機(jī)角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定控制。

論文所解決的問(wèn)題及意義

本文根據(jù)磁懸浮列車(chē)的運(yùn)行特點(diǎn)及牽引條件設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單穩(wěn)定、適用于磁懸浮列車(chē)在雙端供電模式下的無(wú)速度傳感器控制算法。

本文將旋轉(zhuǎn)電機(jī)的擴(kuò)展反電勢(shì)理論應(yīng)用到長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)的無(wú)速度傳感器控制中，首先建立了長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)在雙端供電模式下的數(shù)學(xué)模型，然后設(shè)計(jì)了直線電機(jī)在雙端供電模式下的擴(kuò)展反電勢(shì)觀測(cè)器；并利用正交鎖相環(huán)技術(shù)估算電機(jī)的速度與角度。通過(guò)高速磁浮半實(shí)物仿真系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該算法的有效性和可行性。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文在考慮饋電電纜、定子端覆蓋部分和未覆蓋部分等因素的影響下，建立了長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)在雙端供電模式下的數(shù)學(xué)模型。

與單端供電相比，磁懸浮列車(chē)采用雙端并聯(lián)供電模式時(shí)，位于線路兩端的兩臺(tái)變流器會(huì)同時(shí)驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)定子直線電機(jī)，電壓方程中的輸入變量和輸出變量增多，數(shù)學(xué)模型更加復(fù)雜。如何從復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型中得到擴(kuò)展反電勢(shì)，并設(shè)計(jì)觀測(cè)器對(duì)擴(kuò)展反電勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，是本文的難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)。

根據(jù)長(zhǎng)定子直線電機(jī)在雙端供電時(shí)的電機(jī)電流與變流器電流的關(guān)系，通過(guò)數(shù)學(xué)方法建立了合適的擴(kuò)展反電勢(shì)觀測(cè)器，得到擴(kuò)展反電勢(shì)的分量，如圖1所示。由于擴(kuò)展反電勢(shì)的兩個(gè)分量垂直，可以通過(guò)正交鎖相環(huán)提取擴(kuò)展反電勢(shì)中所包含的電機(jī)角度信息。

圖1 擴(kuò)展反電勢(shì)觀測(cè)器示意圖

本文對(duì)所提方法進(jìn)行了魯棒性分析，結(jié)果表明該方法適用于長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)的無(wú)速度傳感器控制。

圖2 實(shí)際角度與估算角度對(duì)比

圖2為實(shí)際角度與估算角度的對(duì)比圖，該圖表明本文提出的方法具有較高的準(zhǔn)確率。由于磁懸浮列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中存在換步過(guò)程，本文提出在換步過(guò)程中對(duì)列車(chē)兩側(cè)的估算角度交替使用，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮列車(chē)在兩步法模式下的有效控制。

結(jié)論

本文針對(duì)磁懸浮列車(chē)采用的雙端并聯(lián)供電模式，建立了長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)在雙端供電模式下的數(shù)學(xué)模型；基于擴(kuò)展反電勢(shì)的基本原理，設(shè)計(jì)了擴(kuò)展反電勢(shì)的觀測(cè)器。從半實(shí)物仿真的結(jié)果來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的無(wú)速度傳感器算法，適用于磁懸浮列車(chē)的實(shí)際工況，具有較好的魯棒性和較高的準(zhǔn)確率，能夠?qū)崿F(xiàn)磁浮列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)的有效控制，對(duì)高速磁浮列車(chē)的實(shí)際應(yīng)用有很大的價(jià)值。

引用本文

孫鵬琨, 葛瓊璇, 王曉新, 張波. 磁懸浮列車(chē)在雙端供電模式下的無(wú)速度傳感器控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(18): 4249-4256. Sun Pengkun, Ge Qiongxuan, Wang Xiaoxin, Zhang Bo. Speed Sensorless Control of Maglev Train with Double-End Power Supply. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(18): 4249-4256.