初级励磁型永磁直线电机是从传统永磁直线电机衍生而来的一类新型特种电机，具有高推力密度、高效率、高精度和高可靠性等优点。在长行程直驱式直线运动领域，该类电机有其独特的性能与成本优势，具有很高的研究价值和广阔的应用前景。

初级励磁型永磁直线电机的驱动方式与传统永磁直线电机一致，采用正弦波驱动，因而针对传统永磁直线电机的控制策略也适用于初级励磁型永磁直线电机，如空间矢量脉宽调制、速度闭环控制、位置闭环控制与直接推力控制等。另外，也有一些高性能控制策略用于改善初级励磁型永磁直线电机的性能，主要包括定位力与推力波动抑制、无位置传感器控制及容错控制等。

1定位力与推力波动抑制

初级励磁型永磁直线电机双凸极的结构本质使其具有定位力与推力波动较大的缺点。因此，除了在电机结构设计上需要利用斜极、边端辅助齿等方式对定位力进行削弱外，还需要在控制策略上进一步采取补偿措施。根据推力波动产生的机制，主要可以从以下两个方面对其进行抑制：

（1）研究具有高动态响应、高稳态精度且强鲁棒性的电流控制策略，从提高电流品质的角度出发直接提高输出推力的响应速度和稳态精度。

（2）研究高性能的推力波动估计或观测方法，从推力波动抑制的角度出发直接提高输出推力的平稳性。

针对传统永磁直线电机推力波动抑制问题，不少学者展开了深入的研究。传统永磁直线电机一般采用电流和位置双闭环控制结构以保证系统的高动态响应，电流环作为最内环，其性能直接决定了系统的品质。

有学者采用预测电流控制以提高电流响应速度，并保证暂态时间内的高精度控制。相比于滞环电流控制和PI控制，该方法可以实现较高的稳态电流精度和较低的电流谐波，但其本质上是一种基于模型的控制方法，其控制性能非常依赖电机参数的准确度。

有学者对推力波动的特征进行了分析，并利用离线或在线辨识结果对其进行前馈补偿。该方法对推力波动抑制具有一定的作用，但其本质上也是一种基于模型的控制方法，辨识或补偿效果依赖推力波动模型的准确度。

在实际系统中，推力波动建模不准确、模型参数时变等因素会导致前馈补偿效果受限。因此，很多学者从改进控制方法的角度来间接抑制推力波动。有学者将PID反馈控制、自适应前馈控制和滑模控制相结合，提出一种摩擦力和推力波动自适应补偿方法。美国普渡大学的YaoBin教授将自适应鲁棒控制用于直线电机运动控制中，在提高跟踪精度的同时又可以保证系统镇定。

区别于改进反馈控制策略，不少学者从改进观测方法的角度来改善推力波动抑制性能并提高位置控制精度，如基于自适应控制的扰动观测器、滑模扰动观测器、扩张状态观测器、通用比例积分观测器、扩展卡尔曼滤波器等。

借鉴传统永磁直线电机推力波动抑制的方法，初级励磁型永磁直线电机也可以采用。有学者提出了一种将谐波抑制算法和扰动观测器相结合的联合控制策略，用于抑制磁通切换型永磁直线电机的推力波动，其控制框图如图1所示。

该研究通过q轴电流谐波注入的方式补偿定位力，并设计扰动观测器对电机模型误差和外部干扰所带来的系统扰动进行在线估计和补偿。该控制策略具有一定的扩展性，可为相似结构的初级励磁型永磁直线电机控制研究提供参考。有学者将时变的t域信号，变换为具有固定周期的x域信号，再对其进行重复控制器的设计，从而达到抑制定位力和速度脉动的目的。

图1扰动观测器及定位力补偿联合控制图

有学者提出了一种模型预测推力控制策略用于降低模块化磁通切换型永磁直线电机运行时的推力波动，其控制策略如图2所示。利用有效电压矢量选择（ActiveVoltageVectorSelection，AVVS）可以降低控制计算量，最优双电压矢量合成（Two-VoltageVectorSynthesis，TVVS）可以提高电机的稳态性能。研究结果表明，该控制策略与传统滞环电流控制和模型预测控制相比，可以有效降低谐波电流与推力波动。

图2电机模型预测推力控制框图

2无位置传感器控制

初级励磁型永磁直线电机在长行程直驱式直线运动领域具有较大优势。在一些对位置精度要求不高的场合，可以利用无位置传感器控制策略对动子位置进行估计，从而省去在长行程范围内铺设的位置传感器，如光栅、磁栅等，进一步降低成本。

有学者提出了一种基于模型参考自适应系统的无位置传感器控制策略，其控制框图如图3所示。结果显示，该控制策略在速度突变、低速运行、负载突变及带载工况下速度波动小且估算准确，系统鲁棒性好，具有良好的动静态特性。此外，也有文献利用滑模观测器、扩展卡尔曼滤波、改进的扰动观测器及磁链观测器等方式，对磁通切换型和游标型永磁直线电机进行无位置传感器控制，均具有不错的控制精度与动态性能。

图3电机模型参考自适应控制系统

3容错控制

在可靠性非常重要的应用场合，电机系统需要在故障条件下继续运行一段时间。因此，针对高可靠性应用场合，除了采用常规的控制方式外，还需要额外增加容错控制功能。

江苏大学的赵文祥教授对游标型永磁直线电机的容错控制展开了系统研究，针对开绕组结构下逆变器开关管故障提出了一系列新的容错控制策略。有学者通过驱动电路容错重构、电压矢量重新合成，可以将容错后的电压利用率提高到正常状况下的75%，为开绕组结构下初级励磁型永磁直线电机的容错控制策略研究提供了新思路，其控制框图如图4所示。

有学者提出了一种单位功率因数容错控制策略，连接到直流电源的主逆变器，负责提供有功功率，连接到浮式电容器的电容逆变器用于补偿无功功率，该控制策略可以有效改善故障状态下的功率因数。有学者提出了一种采用混合调制方法的容错控制策略，通过在主逆变器侧采用六拍调制方法，在保证容错运行的同时可以有效降低开关频率与损耗。

图4电机故障容错重构图

本文摘编自年第11期《电工技术学报》，论文标题为“初级励磁型永磁直线电机研究现状与展望”，作者为浙江大学电气工程学院的沈燚明、卢琴芬。

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkjg/1302.html