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高速磁懸浮列車(chē)是目前世界上最快的陸上交通工具，它采用長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)作為牽引系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)，所以，對(duì)長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)的高性能控制是高速磁懸浮列車(chē)系統(tǒng)的一項(xiàng)核心技術(shù)。高速磁懸浮列車(chē)的牽引供電系統(tǒng)如圖1所示，為了滿(mǎn)足高速運(yùn)行的要求，磁懸浮列車(chē)在低速時(shí)采用單端供電模式，高速時(shí)采用雙端供電模式。雙端供電模式相當(dāng)于兩端的功率模塊并聯(lián)給定子繞組供電，可以提供足夠大的牽引力，并且降低了每臺(tái)變流器單元的設(shè)計(jì)容量。

圖1 磁懸浮列車(chē)的牽引供電系統(tǒng)

列車(chē)在定子段換步時(shí)采用了兩步法，換步一側(cè)的定子電流會(huì)降為零再增加。當(dāng)磁懸浮列車(chē)運(yùn)行在雙端模式時(shí)，是多變量、強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)。在列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)參數(shù)極容易受到列車(chē)運(yùn)行環(huán)境的影響。

不同的電流、不同的工作溫度以及不同的工作頻率等變化也會(huì)給電機(jī)和饋電電纜的電阻、電感造成較大的攝動(dòng)變化，而系統(tǒng)模型的建立又依賴(lài)于這些參數(shù)，所以參數(shù)攝動(dòng)必然會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)控制性能，并且?guī)?lái)大量的電流諧波，造成列車(chē)牽引力波動(dòng)。因此，需要對(duì)磁懸浮列車(chē)用長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)在雙端供電模式下的高性能控制策略展開(kāi)研究。

高速磁懸浮列車(chē)是一個(gè)大慣量系統(tǒng)，電流內(nèi)環(huán)的控制是電機(jī)控制的核心。對(duì)于電流環(huán)控制，要求其具有較快的響應(yīng)速度和較高的魯棒性。傳統(tǒng)的比例積分控制雖然具有算法簡(jiǎn)單、參數(shù)易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，但是在換步時(shí)不能滿(mǎn)足快速響應(yīng)的要求，在電機(jī)參數(shù)攝動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生電流諧波，存在抗擾性能和跟蹤性能相矛盾的缺點(diǎn)，所以不能滿(mǎn)足高性能電機(jī)控制的要求。

滑模變結(jié)構(gòu)控制具有對(duì)內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)和外部擾動(dòng)不敏感、魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快并且易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，故在電機(jī)電流控制中有很好的應(yīng)用前景?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制本身存在抖振的固有問(wèn)題，因此，在采用滑模變結(jié)構(gòu)控制進(jìn)行電流環(huán)控制時(shí)，如何消除抖振也成為了控制策略的關(guān)鍵。

“高速磁懸浮列車(chē)運(yùn)行在雙端供電模式時(shí)，電機(jī)和饋電電纜的電感、電阻參數(shù)的攝動(dòng)將會(huì)造成較為嚴(yán)重的電流波動(dòng)，影響列車(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行，”中科院電工研究所中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的研究人員曹學(xué)謙、葛瓊璇、朱進(jìn)權(quán)、孫鵬琨、王曉新，在2022年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，“而傳統(tǒng)的線性控制方法對(duì)參數(shù)攝動(dòng)較為敏感，依賴(lài)于電機(jī)的估計(jì)參數(shù)?！彼麄?cè)谖恼轮蟹治鰠?shù)攝動(dòng)對(duì)電流環(huán)控制性能的影響，提出了一種基于積分滑模的電流控制策略。

圖2 速度電流雙閉環(huán)控制框圖

圖3 高速磁懸浮牽引半實(shí)物仿真平臺(tái)

該策略將狀態(tài)變量的積分項(xiàng)引入到滑模面中，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性能好，避免了高頻噪聲的干擾，并改進(jìn)了指數(shù)趨近律以削弱抖振，使得電流的動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗參數(shù)攝動(dòng)性能都得到改善。研究人員最后進(jìn)行了高速磁懸浮半實(shí)物系統(tǒng)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該策略可提高磁懸浮列車(chē)在定子段換步過(guò)程中的電流跟隨性能，并且對(duì)電機(jī)參數(shù)攝動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性。他們的研究成果對(duì)高速磁懸浮列車(chē)的高性能運(yùn)行具有實(shí)際應(yīng)用意義。

本文編自2022年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于積分滑模的高速磁懸浮列車(chē)牽引控制策略”。本課題得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目的支持。