[发明专利]基于系统损耗模型法的直线电机最小损耗控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于伺服系统及自动控制领域，具体指一种基于系统损耗模型法的直线电机最小损耗控制系统及方法。 

背景技术

随着数字信号处理器，高性能计算机，电力电子技术，传感器技术及永磁材料技术等相关技术的快速发展，PMSLM的性能有了很大程度的提高，这使得以PMSLM作为执行电机的高性能交流永磁伺服系统应运而生。由于数控机床加工等场合的特殊要求，用直线伺服系统取代旋转伺服系统的呼声越来越强烈，直线伺服系统己经逐步成为电气传动控制的主要方向。同时随着现代工业生产方式日趋机械化、自动化和复杂化，对现代伺服系统也提出了更高的性能要求和控制要求，尤其是为了满足一些特殊的生产设备发展的需要，更加快了现代电机朝着智能化、高性能、数字化的方向发展，而PMSLM更是以其高转矩电流比、高效率及宽调速范围己日益成为电机伺服系统执行电动机的主流。 

PMSLM在实际运行中，由于电动机产品容量的不连续性、安全系数选择过高等因素，使绝大部分的电动机处于轻载运行状态，很大一部分电能白白浪费，“大马拉小车”的现象十分普遍。 

虽然蓬勃发展起来的各种变频调速技术对节能降耗和改善系统特性起到了关键性作用，但是，无论是采用高性能的矢量控制，还是普通的恒压频比控制，其本质都是控制电机在额定恒磁通下运行，因此轻载低效的问题依然存在。由此可以看出，进一步研究PMSLM系统的最小损耗控制问题是十分必要的。 

近年来涌现出来的电机最小损耗控制策略主要有损耗模型法和搜索寻优法。 

损耗模型法是基于电机的损耗模型(有时也包括逆变器的模型),控制合适的自变量来优化目标函数，实现电机的损耗最小控制，此方法实现最小损耗控制的趋势在于建立不同工况和应用场合下的电机损耗模型，该模型要求简单、准确并且实用。 

搜索寻优法是通过测量逆变器直流母线侧的功率并利用搜索寻优算法调节被控量寻找最小输入功率值。此方法对输入功率的检测精度要求较高，因此对系统增加了较高的硬件要求，这样就为系统的实现带来了不便；而且算法的收敛时间较长，在寻优过程中存在磁链、推力脉动的问题，尤其是当输入功率函数在最小值附近比较平滑时，容易引起系统的振荡和不稳定。 

目前关于电机损耗模型法的研究都是单纯的针对电机的损耗模型，通过对电机损耗函数求导得到损耗最小时转子或定子磁链值，从而实现对电机的最小损耗控制。其忽略了逆变器的损耗模型，这样大大的影响了对系统最小损耗控制的准确性。 

发明内容

针对以上问题我们提出了一种基于系统损耗模型的PMSLM最小损耗控制策略，这种控制策略的目标是控制整个系统的损耗最小，为实现电机驱动系统高效率运行提供了理论基础。 

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案： 

基于系统损耗模型法的直线电机最小损耗控制系统，包括速度调节模块、推力滞环比较模块、磁链滞环比较模块、电压矢量选择模块、逆变器、磁链和推力估算模块，以及PMSLM。其特征在于：所述系统还包括最小损耗控制模块，其中速度调节模块连接推力滞环比较模块，推力滞环比较模块和磁链滞环比较模块连接电压矢量选择模块，电压矢量选择模块连接逆变器，逆变器分别连接PMSLM、磁链和推力估算模块，磁链和推力估算模块连接电压矢量选择模块、推力滞环比较模块、磁链滞环比较模块和最小损耗控制模块，最小损耗控制模块连接磁链滞环比较模块，PMSLM连接速度调节模块。

基于系统损耗模型法的直线电机最小损耗控制系统的控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤： 

步骤1：推导PMSLM的数学模型：

   电压方程为        

式中， 、为初级绕组M、T轴电压为初级绕组M、T轴电流为初级磁为次级等效角为初级为初级电流；

磁链方程为：     

为初级绕组M、T轴磁为初级绕组电感，L_d、L_q为初级绕组d、q轴为永磁体磁链；

步骤2：推导并建立系统中PMSLM和逆变器的损耗模型，得出损耗最小时初级磁链的表达式为：    

步骤3：将步骤2中初级磁链的表达式作为系统中初级磁链给定参考值；

步骤4：PMSLM运行中实际的初级磁链值利用反电势积分法来估算，初级磁链在轴轴的分量为：

   

初级磁链幅值为：

；

步骤5：在初静止坐标系下对电磁推力进行估算，根据公式：

；