直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、單邊激磁、結(jié)實(shí)耐用和造價(jià)低廉等特點(diǎn)，在軌道交通中磁懸浮列車與直線振動(dòng)電機(jī)城軌車輛的應(yīng)用取得了很大成功。邊緣效應(yīng)與法向力是直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)區(qū)別旋轉(zhuǎn)感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)的2個(gè)最重要特點(diǎn)。直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有限性導(dǎo)致在行進(jìn)方向上的磁路不閉合，是邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的根本原因。邊緣效應(yīng)是直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)特有的物理現(xiàn)象，此效應(yīng)隨著速度的變化而劇烈非線性變化，嚴(yán)重影響初級(jí)到次級(jí)的能量傳遞。

而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性則致使在旋轉(zhuǎn)感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)中不對(duì)外體現(xiàn)的法向力在直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)中對(duì)外表現(xiàn)出來，此區(qū)別在磁懸浮列車和城軌車輛常使用的單邊型直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)中表現(xiàn)更加明顯，數(shù)值通常為水平推力的數(shù)倍。法向力通常表現(xiàn)為引力，在輪軌支撐的運(yùn)輸系統(tǒng)中直接作用在走行軌上，產(chǎn)生附加運(yùn)行阻力造成能量損失，也增加了逆變器的容量和造價(jià)。本文通過引入邊緣效應(yīng)參數(shù)建立直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。使用次級(jí)磁場(chǎng)定向策略，推導(dǎo)出控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)依據(jù)，將推力與磁通解耦，設(shè)計(jì)磁通、推力與電流神經(jīng)控制環(huán)節(jié)。通過對(duì)法向力的建模與分析，在解耦控制的基礎(chǔ)上結(jié)合最優(yōu)化理論與實(shí)際約束條件，建立損耗最小的目標(biāo)函數(shù)，得出最優(yōu)磁通與q軸指令電流，從而實(shí)現(xiàn)在滿足水平推力的條件下對(duì)振動(dòng)電機(jī)銅耗與法向力造成的損耗進(jìn)行最優(yōu)控制。

1直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

旋轉(zhuǎn)感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)與直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)最根本的不同在于后者在行進(jìn)方向上的磁路有限，此開放的磁路導(dǎo)致直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)特有的邊緣效應(yīng)。其原因是邊緣效應(yīng)的影響造成等效勵(lì)磁電感的減小?？梢娺吘壭?yīng)導(dǎo)致沿用旋轉(zhuǎn)感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)的控制策略并不可以維持磁通的恒定。

2直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)的電流神經(jīng)控制器

2.1問題提出

當(dāng)選定一個(gè)工作點(diǎn)整定PID控制器時(shí)，隨著速度的增大或者減小，整定的Kp、Ki、Kd將必然逐步失去作用，直接導(dǎo)致上述3個(gè)環(huán)節(jié)不能實(shí)現(xiàn)良好的控制效果?？梢娪捎谶吘壭?yīng)的影響，直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)的非線性以及時(shí)變程度比旋轉(zhuǎn)感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)更加嚴(yán)重且特點(diǎn)鮮明，因此本文選擇神經(jīng)元自適應(yīng)控制器。

2.2適合直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)的神經(jīng)控制器

神經(jīng)元的輸入輸出特性可表示為此時(shí)，神經(jīng)元學(xué)習(xí)規(guī)則通過自動(dòng)調(diào)整各輸入狀態(tài)變量的權(quán)重，即相當(dāng)于一個(gè)變系數(shù)的自適應(yīng)PID控制器。此時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能只依賴于其誤差信號(hào)，少受直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)模型時(shí)變以及非線性的影響，可以實(shí)現(xiàn)高性能、強(qiáng)魯棒的傳動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.3直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)的神經(jīng)控制器設(shè)計(jì)電流控制環(huán)節(jié)因考慮邊緣效應(yīng)，是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。d軸電流控制器SNAC完成時(shí)變一節(jié)慣性環(huán)節(jié)映射關(guān)系。

3磁通觀測(cè)器與推力觀測(cè)器

4法向力的建模與分析

直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)的法向力分為2個(gè)分量：法向斥力和法向引力。對(duì)于通常的直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)而言，法向斥力較小，主要是由次級(jí)渦流與其在初級(jí)的反應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生的。法向引力較大，產(chǎn)生于初級(jí)和次級(jí)鐵軛之間，產(chǎn)生的原因是穿過氣隙的主磁通，其大小與有效勵(lì)磁電流的平方以及勵(lì)磁電感成正比，即決定于氣隙中存儲(chǔ)的能量。

5法向力的最優(yōu)控制

車輛在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，具有大推動(dòng)力、短時(shí)間的特點(diǎn)，而在恒速區(qū)段所需推力較小，因此要控制法向力，減少由其阻力帶來的損耗。在恒速段可以通過減少λder來得到較低的法向力。根據(jù)推力表達(dá)式可知，當(dāng)減少λder時(shí)水平推力必然要減少，若要保持水平推力滿足給定的條件，需要加大iqes，則必然得到較高的銅耗。針對(duì)該問題，使用優(yōu)化策略，即在滿足需要的推力前提條件下，求得滿足何種條件的次級(jí)磁通和初級(jí)q軸電流可以得到最小的銅耗和法向力。

6仿真與結(jié)果討論

最優(yōu)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)次級(jí)磁場(chǎng)定向控制回路，推力控制器和磁通控制器輸出送入電流控制器，電流控制器考慮邊緣效應(yīng)對(duì)d軸電流和q軸電流的影響。磁通觀測(cè)器、推力觀測(cè)器和同步旋轉(zhuǎn)速度計(jì)算按照式進(jìn)行。電流控制器是補(bǔ)償邊緣效應(yīng)的重要部分，其設(shè)計(jì)主要根據(jù)式對(duì)d軸和q軸電流指令進(jìn)行補(bǔ)償并轉(zhuǎn)換為電壓指令。振動(dòng)電機(jī)帶載啟動(dòng)，負(fù)載力為1200N，磁通設(shè)定為先觀察圖5中振動(dòng)電機(jī)速度指令、最優(yōu)磁通指令和推力指令。最優(yōu)磁通指令首先按照最大值啟動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)之后以低于恒定磁通的優(yōu)化值0.135Wb運(yùn)行。d軸電流有一定“凹”的現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)著法向力的合力較小。由于動(dòng)態(tài)過程各個(gè)量的幅值較大，曲線不容易看出減小的量。

7試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的最優(yōu)法向力變化過程。振動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)階段，按照額定磁通進(jìn)行d軸電流控制方式；當(dāng)速度逐漸趨于穩(wěn)定時(shí)，法向力按照最優(yōu)控制方式進(jìn)行。電流的測(cè)量如圖15~16所示。在速度指令的斜坡上升階段，電流的幅值和頻率都隨指令逐步增加；達(dá)到平穩(wěn)時(shí)，電流的幅值和頻率也均穩(wěn)定。

8結(jié)論

本文通過引入邊緣效應(yīng)參數(shù)建立直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，給出了在次級(jí)磁場(chǎng)定向策略下磁通、推力與電流神經(jīng)控制環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)方法；并提出基于解耦策略的直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)法向力自適應(yīng)最優(yōu)控制策略。計(jì)算機(jī)仿真與試驗(yàn)表明該策略對(duì)直線感應(yīng)牽引振動(dòng)電機(jī)特有邊緣效應(yīng)引起的非線性與時(shí)變性均有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，而且在運(yùn)行速度穩(wěn)定之后，可將將法向力控制在最優(yōu)化值，從而提高了該振動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行效率。