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高速磁懸浮列車是目前世界上最快的陸上交通工具，它采用長定子直線同步電機作為牽引系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)，所以，對長定子直線同步電機的高性能控制是高速磁懸浮列車系統(tǒng)的一項核心技術(shù)。高速磁懸浮列車的牽引供電系統(tǒng)如圖1所示，為了滿足高速運行的要求，磁懸浮列車在低速時采用單端供電模式，高速時采用雙端供電模式。雙端供電模式相當于兩端的功率模塊并聯(lián)給定子繞組供電，可以提供足夠大的牽引力，并且降低了每臺變流器單元的設計容量。

圖1 磁懸浮列車的牽引供電系統(tǒng)

列車在定子段換步時采用了兩步法，換步一側(cè)的定子電流會降為零再增加。當磁懸浮列車運行在雙端模式時，是多變量、強耦合、非線性系統(tǒng)。在列車高速運行時，電機參數(shù)極容易受到列車運行環(huán)境的影響。

不同的電流、不同的工作溫度以及不同的工作頻率等變化也會給電機和饋電電纜的電阻、電感造成較大的攝動變化，而系統(tǒng)模型的建立又依賴于這些參數(shù)，所以參數(shù)攝動必然會影響系統(tǒng)的動靜態(tài)控制性能，并且?guī)泶罅康碾娏髦C波，造成列車牽引力波動。因此，需要對磁懸浮列車用長定子直線同步電機在雙端供電模式下的高性能控制策略展開研究。

高速磁懸浮列車是一個大慣量系統(tǒng)，電流內(nèi)環(huán)的控制是電機控制的核心。對于電流環(huán)控制，要求其具有較快的響應速度和較高的魯棒性。傳統(tǒng)的比例積分控制雖然具有算法簡單、參數(shù)易調(diào)節(jié)等優(yōu)點，但是在換步時不能滿足快速響應的要求，在電機參數(shù)攝動時容易產(chǎn)生電流諧波，存在抗擾性能和跟蹤性能相矛盾的缺點，所以不能滿足高性能電機控制的要求。

滑模變結(jié)構(gòu)控制具有對內(nèi)部參數(shù)攝動和外部擾動不敏感、魯棒性強、動態(tài)響應快并且易于實現(xiàn)等優(yōu)點，故在電機電流控制中有很好的應用前景。滑模變結(jié)構(gòu)控制本身存在抖振的固有問題，因此，在采用滑模變結(jié)構(gòu)控制進行電流環(huán)控制時，如何消除抖振也成為了控制策略的關(guān)鍵。

“高速磁懸浮列車運行在雙端供電模式時，電機和饋電電纜的電感、電阻參數(shù)的攝動將會造成較為嚴重的電流波動，影響列車的穩(wěn)定運行，”中科院電工研究所中國科學院電力電子與電氣驅(qū)動重點實驗室、中國科學院大學的研究人員曹學謙、葛瓊璇、朱進權(quán)、孫鵬琨、王曉新，在2022年第14期《電工技術(shù)學報》上撰文指出，“而傳統(tǒng)的線性控制方法對參數(shù)攝動較為敏感，依賴于電機的估計參數(shù)。”他們在文章中分析參數(shù)攝動對電流環(huán)控制性能的影響，提出了一種基于積分滑模的電流控制策略。

圖2 速度電流雙閉環(huán)控制框圖

圖3 高速磁懸浮牽引半實物仿真平臺

該策略將狀態(tài)變量的積分項引入到滑模面中，實現(xiàn)簡單、動態(tài)性能好，避免了高頻噪聲的干擾，并改進了指數(shù)趨近律以削弱抖振，使得電流的動態(tài)跟隨性能和抗參數(shù)攝動性能都得到改善。研究人員最后進行了高速磁懸浮半實物系統(tǒng)硬件在環(huán)實驗，驗證了該策略可提高磁懸浮列車在定子段換步過程中的電流跟隨性能，并且對電機參數(shù)攝動具有較強的魯棒性。他們的研究成果對高速磁懸浮列車的高性能運行具有實際應用意義。

本文編自2022年第14期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“基于積分滑模的高速磁懸浮列車牽引控制策略”。本課題得到國家重點研發(fā)計劃資助項目的支持。