高推力密度容錯式軌道交通永磁直線電機及其協(xié)調(diào)控制

直線電機城市軌道交通是新型的資源節(jié)約型技術(shù)方式。直線感應(yīng)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點，但其效率較永磁電機差；而傳統(tǒng)的永磁直線同步電機，需將繞組或永磁體沿軌道全線鋪設(shè)，增加工程造價。本項目提出一種新型永磁直線電機，其繞組和永磁體均置于車輛側(cè)的初級，而軌道側(cè)的次級僅由導(dǎo)磁性材料組成，兼具高效率、低成本、大推力和強容錯。按照計劃，開展了電機結(jié)構(gòu)研究、電磁性能分析、優(yōu)化控制策略、驅(qū)動系統(tǒng)等方面的工作，取得了創(chuàng)新性研究成果。提出了多種初級永磁型直線電機系統(tǒng)，降低了電機制造成本和系統(tǒng)運行維護費用，提升了推力密度、容錯能力和動靜態(tài)性能。研究永磁體陣列，提出優(yōu)化方案，實現(xiàn)了聚磁效應(yīng)，提升了電機的氣隙磁密；運用電樞電流引起的脈動力與定位力互相抵消，抑制了電機推力波動。設(shè)計了多種結(jié)構(gòu)磁場調(diào)制永磁直線電機，提升了電機的推力密度，優(yōu)化設(shè)計雙動子互補結(jié)構(gòu)，合理采用導(dǎo)磁體隔開動子，形成模塊化互補結(jié)構(gòu)，在保證電機推力密度同時，提高了電機的容錯性能。建立了電機等效磁網(wǎng)絡(luò)模型、有限元模型、場路耦合電機系統(tǒng)仿真模型，精確計算電機的電磁特性，為先進控制策略的實施提供保障。研制了電機數(shù)字控制器，實現(xiàn)了永磁直線電機的閉環(huán)控制、直接推力控制、開繞組控制等，綜合評估系統(tǒng)性能。相關(guān)成果發(fā)表SCI收錄論文22篇，授權(quán)發(fā)明專利11項，獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎；項目執(zhí)行期內(nèi)，負責人獲批國家優(yōu)秀青年基金、江蘇省杰出青年基金。 2100433B

開展了城市軌道交通用新型永磁直線電機設(shè)計與容錯控制研究。該類電機的繞組和永磁體均置于車輛側(cè)的初級，而軌道側(cè)的次級僅由導(dǎo)磁性材料組成，集高效率和低成本于一身。運用附加齒，減小電機的邊端效應(yīng)；提出模塊化結(jié)構(gòu)，降低齒槽力；引入容錯齒，增強相間獨立性；研究容錯控制策略，實現(xiàn)系統(tǒng)帶故障運行。相關(guān)成果發(fā)表（含錄用）論文29篇，其中SCI收錄13篇（11篇為IEEE Transactions期刊），累計SCI影響因子超過27；授權(quán)發(fā)明專利6項。. 擬開展高推力密度容錯式多初級永磁直線電機及其協(xié)調(diào)控制研究。兼顧推力密度和容錯性能，探尋電機優(yōu)化的邊界條件，滿足軌道交通領(lǐng)域?qū)﹄姍C系統(tǒng)可靠性和力能指標的一致性要求；基于軌道交通直線電機的“多初級、單次級”特性，提出多初級直線電機協(xié)調(diào)運行的控制策略，提高直線式軌道交通系統(tǒng)的牽引性能，并探索多初級直線電機協(xié)調(diào)容錯運行控制的一般性規(guī)律。

直線電機城市軌道交通系統(tǒng)是新型的資源節(jié)約型軌道交通模式。直線感應(yīng)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點，但其效率和功率因數(shù)較永磁電機差；而傳統(tǒng)的永磁直線同步電機，需將繞組或永磁體沿軌道全線鋪設(shè)，增加工程造價。本項目提出一種新型永磁直線電機，其繞組和永磁體均置于車輛側(cè)的初級，而軌道側(cè)的次級僅由導(dǎo)磁性材料組成，集高效率和低成本于一身。本項目旨在開發(fā)出結(jié)構(gòu)新穎合理的初級永磁型直線電機結(jié)構(gòu)；探索該類電機電磁參數(shù)計算、設(shè)計和分析的一般方法；構(gòu)建基于dSPACE的數(shù)字化驅(qū)動控制系統(tǒng)實驗平臺；研究電機優(yōu)化控制的一般性規(guī)律；建立容錯控制策略，提高系統(tǒng)可靠性；嘗試總結(jié)出也同樣適用于其它類型直線電機的一般規(guī)律和方法。該初級永磁型直線電機及其控制系統(tǒng)的研制成功，將為城市軌道交通領(lǐng)域直線驅(qū)動系統(tǒng)提供新的解決方案。不僅具有重要的科學意義和學術(shù)價值，而且具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

開展了城市軌道交通用新型永磁直線電機設(shè)計與控制策略研究。該類電機的繞組和永磁體均置于車輛側(cè)的初級，而軌道側(cè)的次級僅由導(dǎo)磁性材料組成，集高效率和低成本于一身。提出了帶附加齒的初級永磁型直線電機，通過在電機端部增加輔助齒，不僅可以補償其端部繞組的磁路，而且可以減小電機總的定位力；提出了磁路互補型、模塊化的初級永磁型直線電機，其初級動子由兩個在空間上互差180°的模塊組成，具有反電勢對稱、定位力小、易于加工等優(yōu)點。針對地鐵牽引試驗的要求，設(shè)計了“雙逆變器——電機”結(jié)構(gòu)的地鐵牽引試驗平臺。推導(dǎo)了電流諧波注入法補償定位力矩的控制策略，通過注入諧波電流，降低了電機的轉(zhuǎn)矩脈動。設(shè)計了兩電機調(diào)速系統(tǒng)的解耦控制器，實現(xiàn)了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行。研究了單極性永磁磁鏈定子永磁型電機的容錯控制策略，考慮其梯形波反電勢特性，實現(xiàn)了容錯運行；研究了雙極性永磁磁鏈定子永磁型電機的容錯控制策略，建立了基于轉(zhuǎn)子坐標系的電機數(shù)學模型，提出了基于定子磁場定向的容錯矢量控制策略；分析了冗余式定子永磁型電機的繞組結(jié)構(gòu)特點以及電磁特性，基于諧波轉(zhuǎn)矩相互抵消的原則，提出了容錯控制策略。建立了初級永磁型直線電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的場路耦合仿真模型，為系統(tǒng)的精確分析提供了良好的仿真平臺。設(shè)計并制造了初級永磁型直線電機試驗樣機，基于DSP和dSPACE構(gòu)建了電機數(shù)字驅(qū)動控制系統(tǒng)，實驗驗證了電機在多種工況情況下的高性能運行。共發(fā)表論文26篇，其中SCI收錄14篇（11篇論文發(fā)表于IEEE Transactions匯刊），累計SCI影響因子超過37；授權(quán)發(fā)明專利6項；相關(guān)成果獲軍隊科技進步一等獎、教育部技術(shù)發(fā)明一等獎、全國優(yōu)秀博士學位論文提名獎等6項獎勵。 2100433B

當今時代，永磁直線電機在高速度、高精度、高載荷的運動控制中應(yīng)用廣泛，同時也帶來了更多的模型不確定性和更強的外部擾動問題。因此，兼顧高動態(tài)和高精度的運動控制指標，降低上述問題帶來的影響是至關(guān)重要的。

《有鐵芯直線電機推力波動的分析與補償方法》以尖端精密設(shè)備——光刻機中的雙工件臺系統(tǒng)為研究背景，針對有鐵芯直線電機存在的推力波動問題，進行了深入的理論分析和擾動補償方案研究。

《有鐵芯直線電機推力波動的分析與補償方法》可作為從事精密機電系統(tǒng)研發(fā)的科研人員和工程師的參考書。