高推力密度容錯(cuò)式軌道交通永磁直線(xiàn)電機(jī)及其協(xié)調(diào)控制結(jié)題摘要

直線(xiàn)電機(jī)城市軌道交通是新型的資源節(jié)約型技術(shù)方式。直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但其效率較永磁電機(jī)差；而傳統(tǒng)的永磁直線(xiàn)同步電機(jī)，需將繞組或永磁體沿軌道全線(xiàn)鋪設(shè)，增加工程造價(jià)。本項(xiàng)目提出一種新型永磁直線(xiàn)電機(jī)，其繞組和永磁體均置于車(chē)輛側(cè)的初級(jí)，而軌道側(cè)的次級(jí)僅由導(dǎo)磁性材料組成，兼具高效率、低成本、大推力和強(qiáng)容錯(cuò)。按照計(jì)劃，開(kāi)展了電機(jī)結(jié)構(gòu)研究、電磁性能分析、優(yōu)化控制策略、驅(qū)動(dòng)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(jí)永磁型直線(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)，降低了電機(jī)制造成本和系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，提升了推力密度、容錯(cuò)能力和動(dòng)靜態(tài)性能。研究永磁體陣列，提出優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)了聚磁效應(yīng)，提升了電機(jī)的氣隙磁密；運(yùn)用電樞電流引起的脈動(dòng)力與定位力互相抵消，抑制了電機(jī)推力波動(dòng)。設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)調(diào)制永磁直線(xiàn)電機(jī)，提升了電機(jī)的推力密度，優(yōu)化設(shè)計(jì)雙動(dòng)子互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，合理采用導(dǎo)磁體隔開(kāi)動(dòng)子，形成模塊化互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，在保證電機(jī)推力密度同時(shí)，提高了電機(jī)的容錯(cuò)性能。建立了電機(jī)等效磁網(wǎng)絡(luò)模型、有限元模型、場(chǎng)路耦合電機(jī)系統(tǒng)仿真模型，精確計(jì)算電機(jī)的電磁特性，為先進(jìn)控制策略的實(shí)施提供保障。研制了電機(jī)數(shù)字控制器，實(shí)現(xiàn)了永磁直線(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制、直接推力控制、開(kāi)繞組控制等，綜合評(píng)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(zhuān)利11項(xiàng)，獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)；項(xiàng)目執(zhí)行期內(nèi)，負(fù)責(zé)人獲批國(guó)家優(yōu)秀青年基金、江蘇省杰出青年基金。 2100433B

開(kāi)展了城市軌道交通用新型永磁直線(xiàn)電機(jī)設(shè)計(jì)與容錯(cuò)控制研究。該類(lèi)電機(jī)的繞組和永磁體均置于車(chē)輛側(cè)的初級(jí)，而軌道側(cè)的次級(jí)僅由導(dǎo)磁性材料組成，集高效率和低成本于一身。運(yùn)用附加齒，減小電機(jī)的邊端效應(yīng)；提出模塊化結(jié)構(gòu)，降低齒槽力；引入容錯(cuò)齒，增強(qiáng)相間獨(dú)立性；研究容錯(cuò)控制策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)帶故障運(yùn)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(jì)SCI影響因子超過(guò)27；授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利6項(xiàng)。. 擬開(kāi)展高推力密度容錯(cuò)式多初級(jí)永磁直線(xiàn)電機(jī)及其協(xié)調(diào)控制研究。兼顧推力密度和容錯(cuò)性能，探尋電機(jī)優(yōu)化的邊界條件，滿(mǎn)足軌道交通領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)系統(tǒng)可靠性和力能指標(biāo)的一致性要求；基于軌道交通直線(xiàn)電機(jī)的“多初級(jí)、單次級(jí)”特性，提出多初級(jí)直線(xiàn)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行的控制策略，提高直線(xiàn)式軌道交通系統(tǒng)的牽引性能，并探索多初級(jí)直線(xiàn)電機(jī)協(xié)調(diào)容錯(cuò)運(yùn)行控制的一般性規(guī)律。

直線(xiàn)電機(jī)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(xiàn)感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但其效率和功率因數(shù)較永磁電機(jī)差；而傳統(tǒng)的永磁直線(xiàn)同步電機(jī)，需將繞組或永磁體沿軌道全線(xiàn)鋪設(shè)，增加工程造價(jià)。本項(xiàng)目提出一種新型永磁直線(xiàn)電機(jī)，其繞組和永磁體均置于車(chē)輛側(cè)的初級(jí)，而軌道側(cè)的次級(jí)僅由導(dǎo)磁性材料組成，集高效率和低成本于一身。本項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)新穎合理的初級(jí)永磁型直線(xiàn)電機(jī)結(jié)構(gòu)；探索該類(lèi)電機(jī)電磁參數(shù)計(jì)算、設(shè)計(jì)和分析的一般方法；構(gòu)建基于dSPACE的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；研究電機(jī)優(yōu)化控制的一般性規(guī)律；建立容錯(cuò)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(lèi)型直線(xiàn)電機(jī)的一般規(guī)律和方法。該初級(jí)永磁型直線(xiàn)電機(jī)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(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供新的解決方案。不僅具有重要的科學(xué)意義和學(xué)術(shù)價(jià)值，而且具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

開(kāi)展了城市軌道交通用新型永磁直線(xiàn)電機(jī)設(shè)計(jì)與控制策略研究。該類(lèi)電機(jī)的繞組和永磁體均置于車(chē)輛側(cè)的初級(jí)，而軌道側(cè)的次級(jí)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(jí)永磁型直線(xiàn)電機(jī)，通過(guò)在電機(jī)端部增加輔助齒，不僅可以補(bǔ)償其端部繞組的磁路，而且可以減小電機(jī)總的定位力；提出了磁路互補(bǔ)型、模塊化的初級(jí)永磁型直線(xiàn)電機(jī)，其初級(jí)動(dòng)子由兩個(gè)在空間上互差180°的模塊組成，具有反電勢(shì)對(duì)稱(chēng)、定位力小、易于加工等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)地鐵牽引試驗(yàn)的要求，設(shè)計(jì)了“雙逆變器——電機(jī)”結(jié)構(gòu)的地鐵牽引試驗(yàn)平臺(tái)。推導(dǎo)了電流諧波注入法補(bǔ)償定位力矩的控制策略，通過(guò)注入諧波電流，降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。設(shè)計(jì)了兩電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的解耦控制器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。研究了單極性永磁磁鏈定子永磁型電機(jī)的容錯(cuò)控制策略，考慮其梯形波反電勢(shì)特性，實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)運(yùn)行；研究了雙極性永磁磁鏈定子永磁型電機(jī)的容錯(cuò)控制策略，建立了基于轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，提出了基于定子磁場(chǎng)定向的容錯(cuò)矢量控制策略；分析了冗余式定子永磁型電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(cuò)控制策略。建立了初級(jí)永磁型直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的場(chǎng)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(tái)。設(shè)計(jì)并制造了初級(jí)永磁型直線(xiàn)電機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)，基于DSP和dSPACE構(gòu)建了電機(jī)數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電機(jī)在多種工況情況下的高性能運(yùn)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(jì)SCI影響因子超過(guò)37；授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利6項(xiàng)；相關(guān)成果獲軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文提名獎(jiǎng)等6項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。 2100433B

當(dāng)今時(shí)代，永磁直線(xiàn)電機(jī)在高速度、高精度、高載荷的運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用廣泛，同時(shí)也帶來(lái)了更多的模型不確定性和更強(qiáng)的外部擾動(dòng)問(wèn)題。因此，兼顧高動(dòng)態(tài)和高精度的運(yùn)動(dòng)控制指標(biāo)，降低上述問(wèn)題帶來(lái)的影響是至關(guān)重要的。

《有鐵芯直線(xiàn)電機(jī)推力波動(dòng)的分析與補(bǔ)償方法》以尖端精密設(shè)備——光刻機(jī)中的雙工件臺(tái)系統(tǒng)為研究背景，針對(duì)有鐵芯直線(xiàn)電機(jī)存在的推力波動(dòng)問(wèn)題，進(jìn)行了深入的理論分析和擾動(dòng)補(bǔ)償方案研究。

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