團隊介紹

葛瓊璇，中科院電工研究所研究員，博士生導(dǎo)師，國務(wù)院特殊津貼專家。中國電源學(xué)會變頻電源與電力傳動專業(yè)委員會副主任，北京電力電子學(xué)會副秘書長。主要從事高壓大功率變流技術(shù)及高性能電機牽引傳動控制技術(shù)研究工作。

先后承擔(dān)了國家科技支撐、國家 “863”科技攻關(guān)、國家重點研發(fā)計劃等多項重大項目的科研工作。在國內(nèi)首次成功研制了完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于VME總線的高速磁懸浮列車牽引控制系統(tǒng)，打破了國外技術(shù)封鎖，填補了該項技術(shù)國內(nèi)空白。成功研制了國內(nèi)首臺基于IGCT的7.5MVA高壓大功率變流器，為單機容量最大的交直交變流器系統(tǒng)。研發(fā)了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的軌道交通牽引系統(tǒng)，在實際工程及線路上得到推廣應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的社會和經(jīng)濟效益。

相關(guān)成果獲得2009年度北京市科技進步一等獎、電工技術(shù)學(xué)會科技進步一等獎，2010年度國家科技進步二等獎，2013年度北京市科技進步一等獎、電工技術(shù)學(xué)會科技進步一等獎，目前在國內(nèi)外核心期刊及國際會議上發(fā)表文章逾百篇，申請發(fā)明專利及軟件著作權(quán)四十余項。

孫鵬琨，博士研究生，主要從事長定子直線同步電機的高性能牽引控制技術(shù)。

導(dǎo)語

磁懸浮列車實現(xiàn)穩(wěn)定運行的核心技術(shù)在于如何準(zhǔn)確獲取列車的速度、位置和電機角度。本文針對磁懸浮列車在高速運行時采用并聯(lián)供電的特殊模式，將旋轉(zhuǎn)電機的擴展反電勢原理推廣到長定子直線同步電機的控制中，提出了合適的無速度傳感器控制策略，并通過半實物仿真平臺驗證了所提控制策略的可行性。

研究背景

常導(dǎo)電磁吸引型磁懸浮列車在低速運行時，可以通過傳感器檢測定子齒槽和軌道上的定位標(biāo)志板來確定速度和角度信息，并通過無線傳輸裝置發(fā)送給地面的控制系統(tǒng)。但是，列車高速運行時，無線傳輸轉(zhuǎn)置導(dǎo)致的過長的位置信息獲取周期已經(jīng)無法保證地面控制系統(tǒng)獲得準(zhǔn)確的動子磁場定向角度以及列車速度，導(dǎo)致列車控制性能變差。因此，有效的解決方式就是采用無速度傳感器控制算法，實時觀測并計算列車的速度及電機角度，實現(xiàn)對列車高速運行時的穩(wěn)定控制。

論文所解決的問題及意義

本文根據(jù)磁懸浮列車的運行特點及牽引條件設(shè)計了一種簡單穩(wěn)定、適用于磁懸浮列車在雙端供電模式下的無速度傳感器控制算法。

本文將旋轉(zhuǎn)電機的擴展反電勢理論應(yīng)用到長定子直線同步電機的無速度傳感器控制中，首先建立了長定子直線同步電機在雙端供電模式下的數(shù)學(xué)模型，然后設(shè)計了直線電機在雙端供電模式下的擴展反電勢觀測器；并利用正交鎖相環(huán)技術(shù)估算電機的速度與角度。通過高速磁浮半實物仿真系統(tǒng)的相關(guān)試驗，驗證了該算法的有效性和可行性。

論文方法及創(chuàng)新點

本文在考慮饋電電纜、定子端覆蓋部分和未覆蓋部分等因素的影響下，建立了長定子直線同步電機在雙端供電模式下的數(shù)學(xué)模型。

與單端供電相比，磁懸浮列車采用雙端并聯(lián)供電模式時，位于線路兩端的兩臺變流器會同時驅(qū)動長定子直線電機，電壓方程中的輸入變量和輸出變量增多，數(shù)學(xué)模型更加復(fù)雜。如何從復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型中得到擴展反電勢，并設(shè)計觀測器對擴展反電勢進行準(zhǔn)確估計，是本文的難點和創(chuàng)新點。

根據(jù)長定子直線電機在雙端供電時的電機電流與變流器電流的關(guān)系，通過數(shù)學(xué)方法建立了合適的擴展反電勢觀測器，得到擴展反電勢的分量，如圖1所示。由于擴展反電勢的兩個分量垂直，可以通過正交鎖相環(huán)提取擴展反電勢中所包含的電機角度信息。

圖1 擴展反電勢觀測器示意圖

本文對所提方法進行了魯棒性分析，結(jié)果表明該方法適用于長定子直線同步電機的無速度傳感器控制。

圖2 實際角度與估算角度對比

圖2為實際角度與估算角度的對比圖，該圖表明本文提出的方法具有較高的準(zhǔn)確率。由于磁懸浮列車運行過程中存在換步過程，本文提出在換步過程中對列車兩側(cè)的估算角度交替使用，便可實現(xiàn)對磁懸浮列車在兩步法模式下的有效控制。

結(jié)論

本文針對磁懸浮列車采用的雙端并聯(lián)供電模式，建立了長定子直線同步電機在雙端供電模式下的數(shù)學(xué)模型；基于擴展反電勢的基本原理，設(shè)計了擴展反電勢的觀測器。從半實物仿真的結(jié)果來看，本文設(shè)計的無速度傳感器算法，適用于磁懸浮列車的實際工況，具有較好的魯棒性和較高的準(zhǔn)確率，能夠?qū)崿F(xiàn)磁浮列車高速運行時的有效控制，對高速磁浮列車的實際應(yīng)用有很大的價值。

引用本文

孫鵬琨, 葛瓊璇, 王曉新, 張波. 磁懸浮列車在雙端供電模式下的無速度傳感器控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2018, 33(18): 4249-4256. Sun Pengkun, Ge Qiongxuan, Wang Xiaoxin, Zhang Bo. Speed Sensorless Control of Maglev Train with Double-End Power Supply. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(18): 4249-4256.