新型Halbach阵列永磁电动悬浮系统垂向稳定性

针对永磁电动悬浮系统的垂向动态稳定性问题, 研究了永磁电动悬浮系统的临界稳定特性; 提出了一种永磁铁加常导线圈混合构成的新型Halbach阵列, 通过在永磁体表面缠绕有源常导线圈, 实现了永磁电动悬浮系统阻尼的主动控制, 并对比了新型Halbach阵列与其他2种主动电磁阻尼控制方案; 建立了新型Halbach阵列永磁电动悬浮系统垂向动力学模型, 并采用经典PID闭环控制方法设计了悬浮控制器, 分别在无外界干扰、外界扰动力干扰和轨道不平顺干扰3种情况下仿真分析了该系统的垂向动态稳定性。研究结果表明: 永磁电动悬浮系统在扰动力作用下将进行等幅震荡而不能稳定悬浮, 连续扰动力干扰下甚至可能撞轨; 提出的新型Halbach阵列具有磁场耦合计算方便、力调节范围大的优点; 设计的悬浮控制器能使系统稳定悬浮于额定气隙0.03 m的平衡位置, 且线圈电流为0, 不产生损耗, 仿真分析所得系统悬浮气隙和线圈电流与理论分析结果的相对误差小于0.01%;当出现轨道不平顺干扰时, 系统能快速稳定悬浮于额定气隙0.03 m的平衡位置, 稳定后的线圈电流仍为0, 实现了永磁电动悬浮系统的零功率平衡; 当外界扰动力为±1 500 N时, 系统能快速稳定悬浮于额定气隙0.03 m的平衡位置, 稳定后的线圈电流分别为29.68和-30.40 A, 表明新型Halbach阵列永磁电动悬浮系统能够实现垂向动态稳定。      

基于混合式磁浮平台的解耦及控制分析

为了研究磁悬浮平台系统中存在的多自由度耦合问题,提出一种利用永磁体之间的被动受力来减少竖直方向上主动控制的设计思路,给出一种混合斥力式磁浮平台的结构设计,该磁悬浮结构的定子由永磁体和电磁线圈共同组成,由永磁体提供主要的悬浮力,电磁线圈提供水平方向的驱动力,以此减少负责主动悬浮的线圈数量,减小线圈功耗及产热. 基于磁荷模型推导出磁标量势满足的拉普拉斯方程,利用分离变量法求出磁标量势的解析表达式,并对浮子在整个磁场中的受力进行精确的计算;充分研究探讨了定子与动子永磁体之间被动悬浮力的稳定区域,简化忽略了竖直方向上力的解耦,建立被控对象的数学模型,并研制了以微控制单元为中心的数字集成控制器,通过试验研究了平台的悬浮性能. 研究结果表明:本文所提出的混合斥力式磁浮平台在悬浮高度23 mm水平范围 ± 4 mm内,能够实现稳定的水平运动,并且浮子在垂直方向的位移变化不超过0.2 mm.      

轨道车辆永磁直驱技术综述

概述了国内外采用永磁直驱技术的轨道车辆发展状况，归纳了永磁直驱转向架的结构形式，讨论了抱轴式直驱结构与弹性架悬式直驱结构的特点及其适用情形，分析了永磁直驱转向架的蛇行运行稳定性与曲线通过性；针对轨道车辆应用，从磁性材料、冷却系统、温升效应、电机质量、气隙磁密、反电势抑制、失磁故障、电路结构等方面论述了永磁直驱牵引电机的结构设计与优化方法，分析了传统的牵引电机控制策略，讨论了模型预测控制技术和无位置传感器控制技术的研究现状及其用于永磁直驱电机的可行性和存在的问题；总结了轨道车辆永磁直驱技术的现存问题并展望了其未来发展方向。研究结果表明:刚性抱轴式永磁直驱结构紧凑，但电机受轮轨振动影响较大且增加了列车簧下质量，仅适用于低速轨道车辆；高速轨道车辆直驱技术宜采用弹性架悬式直驱结构，但需要进一步研究永磁牵引电机和直驱转向架的弹性连接方式和最优匹配参数，优化簧上、簧下质量分布；内置式永磁直驱转向架可缩短车轴长度和减少轴距，具有质量轻、动力特性好等优势，较适用于复杂的地形环境应用；需要研究更为快速准确的永磁电机故障在线诊断、预警与抑制方法，可结合基于故障诊断及预测的智慧运维技术，为车辆提供维修决策建议；需对永磁直驱电机定子、转子拓扑结构进一步优化，并提出更为有效的冷却结构及精确的温升计算方法；传统矢量控制与直接转矩控制难以兼顾高转矩动态响应和低转矩脉动，模型预测控制因其结构简单、动态响应快等优点，较适用于轨道车辆这类低开关频率大功率应用，但仍需进一步研究以降低其运算负荷并提升其稳态性能；无位置传感器技术可节省电机内部空间体积，且能防止编码器故障带来的可靠性问题，适用于内部空间狭小的直驱转向架，现有中高速无位置传感器技术已具有较好的性能，零速和低速下采用高频信号注入法虽能实现较准确的位置估计，但其对电机控制性能带来的一系列不利影响还需要进一步研究。      

永磁电磁混合Halbach阵列电动悬浮的稳定性控制

为了研究不同控制方法下永磁电磁混合Halbach阵列的电动悬浮稳定性,首先,利用电磁场理论对系统悬浮力2D解析式进行了推导,并搭建有限元模型对其进行了验证;其次,建立了系统垂向动力学模型,设计了基于气隙反馈的定气隙PID控制器和变气隙PID控制器;最后,仿真分析了系统受到外界扰动时的悬浮气隙及线圈电流波形. 研究结果表明:当系统受到1 mm轨道沉降扰动时,两种控制器均能使系统稳定运行于额定状态,且动态过程一致;当系统受到 ±1000 N扰动力作用时,定气隙PID控制器可使系统稳定悬浮于额定气隙30 mm位置,且稳态线圈电流分别为2.12 A/mm2和 ?2.17 A/mm2,变气隙PID控制器则使系统分别稳定悬浮于28.5 mm及31.6 mm位置,且稳态线圈电流均为0.      

单自由度磁悬浮系统无模型自适应控制的研究

针对单自由度磁悬浮系统的非线性及难以建立精确数学模型的问题，将全格式无模型自适应控制（FFDL-MFAC）方法应用于单自由度磁悬浮系统，首先，采用无模型自适应控制算法、伪梯度估计算法、伪梯度重置算法和单自由度磁悬浮系统的动态化数据模型，设计单自由度磁悬浮系统的控制器；然后，仿真分析MFAC控制参数对单自由度磁悬浮系统控制效果的影响及对阶跃响应信号、干扰信号和噪声信号的响应特性；最后，在磁悬浮球实验装置上进行实验验证. 研究结果表明:全格式无模型自适应控制方法只需采集单自由度磁悬浮系统在工作状态下的I/O数据，无需建立单自由度磁悬浮系统精确数学模型，通过设定全格式无模型自适应控制器参数即可使控制器具备良好的自适应性和鲁棒性，实现高精度稳定悬浮控制；与PID相比，FFDL-MFAC将系统的超调量降低了0.005，稳定悬浮位移的误差均方根减小了0.2607.      

基于低通滤波补偿积分器的直驱型永磁风力发电机无位置传感器控制

针对永磁直驱风力发电机的特点,本文采用一种基于低通滤波补偿积分器的无位置传感器零d轴电流控制技术．在论述该控制技术实现原理的基础上,深入分析了低通滤波补偿积分器特点,最后通过仿真和小功率直驱型永磁风力发电实验平台,验证了其有效性．结果表明,该方法具有较好的稳态与转矩动态响应性能,且工程实现较为简单．     

桥梁柔性对中低速磁浮车辆平曲线通过的影响

为研究桥梁柔性对中低速磁浮车辆在曲线半径为70.0 m的平曲线上运行时的动态响应影响,对通过柔性桥梁和刚性轨道时的车辆动态响应开展了对比分析. 首先,建立了122个自由度的车辆空间动力学模型,模型中考虑了具有主动悬浮与被动导向特性的二维磁轨关系;其次,利用三维铁木辛柯梁参数化建模方法,建立了由柔性桥梁组成的平曲线有限元模型;最后,通过悬浮力的联系形成了车辆-曲线桥梁系统刚柔耦合动力学模型. 研究结果表明:17.0 m跨径的圆曲线桥梁的自振特性和动位移响应满足相关标准要求;与车辆通过刚性轨道相比,柔性桥梁作用下的车辆系统动态响应更为剧烈,这种差异在车辆系统的横向动态响应上体现明显,而悬浮间隙和车体垂向加速度的响应差异较小,考虑刚性轨道时将高估车辆的曲线通过能力;柔性桥梁和刚性轨道两种模型计算得到的电磁铁最大横向位移不超过6.0 mm,悬浮间隙可在额定值的 ± 4.0 mm内波动,表明在开展对比计算的工况下车辆具有良好的曲线通过性能.      

基于液压泵/马达逆向驱动的电机启动电流控制方法

针对蓄电池轨道工程车续航里程短、永磁同步牵引电机启动电流大等问题，基于液压泵/马达能量逆向传递特性，提出了利用液压泵/马达逆向驱动的电机启动电流控制新方法. 通过使液压泵/马达工作在马达模式将电机驱动至一定初始转速后接通电源实现电机带速启动，抑制或削弱电机启动电流；永磁同步电机带速启动采用无位置矢量控制方式，结合短路电流矢量法对电机启动时刻的转子转速和位置进行计算，并通过AMESim与MATLAB/Simulink进行联合仿真. 研究结果表明:所提出的电机启动电流控制新方法能让电机的启动峰值电流最大降低70%左右；启动电流与电机接通电源启动时的初始转速有关，且初始转速越接近需求转速则启动电流越小；电机转速稳定后电流大小仅与电机负载有关；液压泵/马达工作排量或蓄能器充液压力越大，电机被逆向驱动时的转速响应越快.      

基于模糊滑模控制的永磁同步液压电机泵变速控制的研究

提出一种永磁同步液压电机泵模型,即把永磁同步电机转子作为液压泵缸体,以进一步提高液压传动的整机效率．通过控制电机转速直接调节泵的输出流量,使电机泵提供的功率与负载匹配,从根本上提高液压调速系统的效率．同时建立了该液压电机泵变速控制系统的数学模型．针对永磁同步电机非线性、多变量、强耦合的特点,将模糊和滑模控制理论运用到永磁同步电机直接转矩控制中,以提高系统的鲁棒性和快速性．对转速阶跃变化进行仿真研究,仿真结果表明该策略具有良好的鲁棒性和快速性．     

可变磁路式永磁悬浮平台的起浮控制方法

磁悬浮技术应用于超洁净传送，可有效减少粉尘污染. 可变磁路式永磁悬浮平台具有低功耗、抗吸附的特性，可避免电磁悬浮传送平台温升大和混合磁悬浮平台安全性差的弊端. 为解决永磁悬浮平台起浮过程易发散的问题，提出并验证分散控制、集中控制和积分分离法3种起浮控制方法. 首先，分析可变磁路式永磁悬浮平台的磁力控制原理，建立系统动力学模型，并采用分散控制实现悬浮平台起浮；然后，针对起浮后平台倾斜的问题，提出了三自由度集中控制方法，其中平台的垂向控制为PD （proportional differential），侧倾与俯仰方向为PID（proportional integral differential ）；最后，应用积分分离法进行分段控制，以实现垂向的精确定位. 研究结果表明:集中控制方法实现了平台倾斜角的自纠偏，可有效解决分散控制下各磁极磁力特性差异引起的平台倾斜问题，调节时间为0.5 s；垂向采用积分分离方法后，平台垂向的稳态误差由0.23 mm可减小为0，调节时间为3.0 s.      

永磁悬浮平台的分散串级控制方法

针对各悬浮单元磁力特性差异导致的倾斜问题，设计一种用于无接触传送的永磁悬浮平台，提出了具有气隙偏差积分反馈的分散式串级控制方法. 首先，分析了悬浮平台的动力学模型与平衡条件，获得各悬浮单元气隙与平台三自由度之间的变换关系；其次，根据悬浮单元系统特点设计了双闭环串级控制系统，外环是以气隙为被控对象的主调节回路，内环是以转角为被控对象的随动回路，并引入气隙偏差进行积分反馈；最后，通过悬浮实验进行验证. 结果表明:引入积分反馈后，起浮后各磁悬浮单元气隙一致，向不同位置施加0.1 kg重物，各悬浮单元气隙同步增大0.12 mm；悬浮平台能够通过调节内环转角弥补磁力特性差异并实现偏载下水平悬浮，但系统的调节时间比无积分反馈的分散串级控制系统增加约1.4倍.      

KEY TECHNOLOGY FOR PRACTICAL 1-mm-DIAMETER ELECTROMAGNETIC MICROMOTOR

IntroductionThe development of microfabricated motors hasbecome an expanding field in microtechnology.The efforts have been concentrated on the use ofelectrical forces,mostly with electrostaticdrive[1～ 7] .Electrostatic micromotors with typi-cal rotor diameters of1 0 0 μm have been fabricat-ed entirely by planar IC- processes.Their maindrawbacks are small output torque( 1 0 -9N· m-scale) and high driving voltage( about1 0 0 V) .In contrast,electromagnetic drives which are ef-ficient as th…     

直驱永磁风电系统PWM变流器的非线性控制研究

为分析直驱永磁风电系统在小扰动下的稳态性能和动态特性,建立了以PWM变流器为控制目标的数学模型,通过对PWM导通情况的调节来实现对直驱永磁风电系统输出的控制,设计了非线性控制策略。Matlab/Simulink 的仿真结果表明该控制策略能增强系统的稳定性控制性能,保证系统在较大的风速变化范围内实现功率地有效调节,并能较好的实现风电系统在小扰动状况下的稳定。     

基于瞬态有限元永磁同步电机静止位置检测策略

无传感器控制的永磁同步电机在低速和静止时一直存在着转子位置难以检测和估算的问题,本文针对该情况提出了一种基于瞬态有限元分析的转子位置和永磁极极性检测的策略和方法.以两相凸极永磁同步电机为例,通过对永磁同步电机瞬态磁场的有限元分析,考虑铁心饱和与注入信号瞬态特性的影响,提出一种对转子位置非常敏感的组合电感的计算算法,并给出基于该组合电感的转子位置和永磁极极性检测的策略和优化转子位置检测的方法.计算结果表明,该方法能在电机静止和低速时,快速准确地判断出转子位置和永磁极极性.     

混合励磁同步发电机电压控制原理分析与实现

为解决永磁发电机输出电压不可控的问题,研究了一种新型结构的混合励磁同步发电机.利用有限元方法计算了电机中永磁和电励磁的磁场分布.根据对永磁发电机输出电压的要求,制定了励磁调节系统的控制策略,讨论了调节过程.为验证混合励磁同步发电机的电压调节能力,设计制造了2.5 kW实验样机及励磁调节系统,并进行实验测试.结果表明:空载运行时,混合励磁同步发电机输出电压为永磁与电励磁部分的合成电势;负载运行时,随着负载的增加,通过调节励磁电流的大小改变了气隙磁通,输出电压稳定在135 V.     

永磁同步电机MTPA控制系统设计

为有效提高永磁同步电机控制器资源的利用率和数据采集的精度,利用模块化方法设计了永磁同步电机的最大转矩电流比(MTPA)矢量控制系统,通过CAN通信的方式将转速和电角度等信息发送到上位机。通过对系统的实验测试,验证了该控制方法以及CAN通信功能的有效性。针对工程实践中出现的电角度误差和相电流直流偏差问题,提出了误差补偿量的计算方法和实现方法,具有较强的实际工程应用价值。     

轨道交通永磁同步牵引系统发展概况与关键技术综述

为系统分析和总结轨道车辆永磁牵引系统控制技术研究与发展趋势,介绍了永磁同步电机作为牵引电机应用于轨道交通领域的优缺点和国内外永磁同步牵引系统的应用情况;回顾了大功率牵引逆变器在低开关频率下的控制技术和永磁同步电机牵引控制技术,分析了脉宽调制策略、弱磁控制等关键技术的设计思想、研究方法等;总结了近几年国内外研究成果,讨论了各类控制方法的优点和局限,并展望了永磁同步电机在轨道交通牵引领域的发展前景和面对的挑战。研究结果表明:内置式永磁同步电机适用于直驱系统,具有体积小、效率高等优势;牵引逆变器通常采用混合脉宽调制策略,低频段采用异步调制,中频段为同步调制,方波工况下采用单脉冲调制,其中特殊同步调制下系统动态性能的提升和不同调制方法之间的平滑切换是牵引逆变器脉宽调制技术的难点;电机控制策略主要针对基于双电流调节器、电压矢量角弱磁控制和方波工况下弱磁控制这3种高速运行区的弱磁控制方法进行研究;在前期研究的基础上,应进一步考虑永磁同步电机的无位置传感器技术、故障在线诊断与预测和高精度参数辨识问题;牵引传动系统的机电耦合特性和短路故障处理是今后重点关注的研究方向。      

车用永磁式缓速器制动力矩的计算方法

为了优化永磁式缓速器的结构参数和提高永磁式缓速器的制动性能,应用复矢量磁位方法,分析了缓速器内部的磁位分布,计算了转子鼓中的涡流损耗,推导了永磁式缓速器的制动力矩计算公式,以反映永磁式缓速器制动力矩与各设计参数之间的相互关系。复矢量计算方法的计算结果与缓速器台架试验结果比较和分析表明,试验值与理论值吻合较好,最大误差不大于6%,采用复矢量磁位计算方法计算永磁式缓速器制动力矩具有很好的逼近效果。     

基于柔性神经网络自适应PID的磁轴承径向力控制

针对电机磁轴承径向力控制的严重非线性,提出了利用神经网络自适应整定PID参数,从而直接调节磁轴承径向悬浮绕组电流实现转子径向稳定悬浮的控制方案.在利用BP神经网络结合PID控制实现转子径向稳定悬浮的基础上,为改善径向位移跟踪的动静态性能,提出了基于柔性神经网络的径向力控制,给出了详细的控制算法,并仿真比较了柔性神经网络控制与BP神经网络控制下转子在空载和突加负载时径向悬浮情况,仿真结果表明柔性神经网络控制具有更好的动静态性能,为智能控制的进一步应用研究提供了基础.     

轴-径向混合磁轴承动态特性及控制研究

为了减小三自由度轴-径向混合磁轴承（ARHMB）的涡流损耗并增加轴向磁力，提出轴向采用软磁复合材料（SMCs）制备的推力轴承，在推力盘与转子的气隙处引入Halbach阵列以增强轴向气隙磁密，径向采用叠片结构. 首先，基于动态磁通分布及等效磁路法，建立综合考虑涡流、漏磁及交叉耦合效应的等效磁阻模型；其次，对比分析了材料类型及交叉耦合效应对等效磁阻频率响应、动态刚度的影响；最后，采用计及涡流、漏磁及交叉耦合效应不完全微分PID控制对ARHMB进行研究. 研究结果表明:SMCs制备的ARHMB相比碳钢材料可以提供更大、更稳定的磁力以及更大的工作带宽，在高频条件下具有更好的动态特性；考虑交叉耦合效应时，SMCs制备的ARHMB动态特性在高频时变化率较大，不可忽略；对于低带宽工作的碳钢轴承，交叉耦合效应不明显；电磁轴承系统响应速度很快、超调量小、稳态误差近似为0，具有良好的控制特性.