本发明公开了一种直线电机单电流传感器直接推力控制方法，该方法包括以下步骤：(1)通过采样电路测得外部直流母线电流idc，动子位置角θe；(2)计算推力控制值、磁链控制值、定子磁链扇区编号；(3)计算沦陷时间和计算切换指令；(4)重新计算推力控制值，磁链控制值；(5)根据推力控制值、磁链控制值、定子磁链扇区编号和电压矢量表选择电压矢量。本发明的方法与传统DFC方法相比，本发明减少了两个电流传感器的使用，降低了控制系统的硬件成本，减小了控制系统体积，保证了三相电流估计值的精度；此外，还保持了稳态性能和动态性能的不变。
1.一种直线电机单电流传感器直接推力控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)通过采样电路测得直线电机外部直流母线电流idc，动子位置角θe；
(2)根据直流母线电流idc和动子位置角θe，计算直线电机磁链控制值、直线电机推力控制值，确定直线电机定子磁链扇区编号，进而基于电压矢量表选择电压矢量；
并且，计算直线电机磁链控制值、直线电机推力控制值，确定直线电机定子磁链扇区编号，方法如下：(2.1)根据上一个采样周期，得到任一相电流和相模式：其中，SA、SB、SC分别表示IGBT三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，iA，iB，iC分别表示永磁直线电机的A、B、C相电流；
(2.2)根据上个采样周期电流测量值和另外两相中最新更新的一相电流作为间接测量值由下式得到三相电流：iA+iB+iC＝0
(2.3)通过坐标变换，得到直线电机定子电流在两相静止坐标系α、β下的α、β轴分量：其中，iα、iβ分别表示直线电机定子电流在两相静止坐标系α、β下的α、β轴分量；
(2.4)计算得到直线电机定子磁链在两相静止坐标系α、β下的α、β轴分量：其中，ψf表示直线电机永磁磁链，ψα、ψβ分别表示直线电机定子磁链在两相静止坐标系α、β下的α、β轴分量，Ls表示直线电机定子相电感；
(2.5)计算得到直线电机定子磁链幅值和相角：其中，ψs表示直线电机定子磁链幅值，θ表示直线电机定子磁链相角；
其中，τ表示直线电机定子极距，Fe表示直线电机电磁推力；
(2.8)通过比例积分调节器得到直线电机电磁推力的参考值：其中，v*表示给定的直线电机速度参考值，v表示直线电机实际的速度反馈值，Δv表示直线电机速度偏差量， 表示直线电机电磁推力的参考值，kp、ki分别比例积分调节器比例系数、比例积分调节器积分系数；
其中， 表示直线电机电磁推力参考值，Fe表示直线电机实际的电磁推力，eF表示直线电机电磁推力的误差，ΔF表示直线电机推力控制器环宽设定值，εF表示直线电机推力控制值；
其中， 表示直线电机定子磁链幅值参考值，ψs表示直线电机定子磁链幅值，eψ表示直线电机定子磁链幅值的误差，Δψ表示直线电机磁链控制器环宽设定值，εψ表示直线电机磁链控制值；
(3)根据所选择的电压矢量计算相模式、沦陷时间和切换指令，方法如下：(3.1)计算沦陷时间ts：
若相模式连续两个或两个以上采样周期保持不变时，则将这若干个采样周期记为沦陷时间ts；
其中，εt表示切换指令，ts表示沦陷时间，tl表示极限时间设定值；
(4)重新计算直线电机磁链控制值、直线电机推力控制值；
(5)如果切换指令为1，则根据直线电机推力控制值、直线电机磁链控制值、直线电机定子磁链扇区编号N和电压矢量表重新选择电压矢量，实现直线电机的直接推力控制。
2.根据权利要求1所述的一种直线电机单电流传感器直接推力控制方法，其特征在于，步骤(4)中，重新计算直线电机磁链控制值、直线电机推力控制值，方法如下：(4.1)若εt＝0，表示测量延迟误差在可接受范围之内，满足双目标优化原则，即选择的电压矢量能同时跟踪推力和磁链，直线电机推力控制值εF、直线电机磁链控制值εψ保持不变；
(4.2)若εt＝1，表示测量延迟误差不在可接受范围之内，根据单目标优化原则，即选择的电压矢量优先满足推力或磁链，得到直线电机误差标幺值：其中，eψ表示直线电机定子磁链幅值的误差，ψf表示直线电机永磁磁链值，eF表示直线电机电磁推力的误差，Fr表示直线电机电磁推力的额定值， 表示直线电机磁链误差标幺值， 表示直线电机推力误差标幺值；
其中，εp表示直线电机控制值标幺值， 表示直线电机磁链误差标幺值， 表示直线电机推力误差标幺值；
其中，εp表示直线电机控制值标幺值，εF表示直线电机推力控制值，εψ表示直线电机磁链控制值。
一种直线电机单电流传感器直接推力控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于电机驱动与控制技术领域，尤其涉及一种直线电机单电流传感器直接推力控制方法。
背景技术
[0002] 20世纪80年代，德国和日本学者分别提出了直接转矩控制理论。相对于旋转电机的直接转矩控制，有学者提出了直线电机的直接推力控制(Direct Force Control，DFC)。众所周知，DFC具有鲁棒性强、响应速度快、结构简单、易于实现等优势，因此得到了越来越多的青睐。
[0003] 通常情况下，传统DFC的实现需要三个电流传感器的使用。一个电流传感器位于外部直流母线侧，测量直流母线电流并用于过流保护；另外两个电流传感器则位于电机输入端，用于测量相电流。为了降低控制系统成本和减小控制系统的体积，许多学者提出了减小电流传感器的使用数量甚至不用电流传感器来实现DFC的方法。目前，减少电流传感器来实现DFC的方法主要包括一下两大类：
[0004] (1)单电流传感器实现DFC
[0005] 此类方法通过采样电路测得外部直流母线电流，根据相电流与母线电流的对应关系来重构三相电流。虽然这类方法具有结构简单，易于实现，对硬件要求低等优点，但是，在一个采样周期内只能得到一相电流，无法保证三相电流在短时间内获得均等的重构机会。一旦出现某一相电流长期得不到更新，那么三相电流的重构值的精度无法得到保证，降低了DFC的控制性能。
[0006] (2)无电流传感器实现DFC
[0007] 此类方法不使用电流传感器，根据外部直流母线电压、动子位置角和电机的数学模型来计算三相电流。但是，数学模型需要用到精确的电机的参数来确保三相电流的计算精度。而电机参数的严格要求降低了DFC的鲁棒性，降低了控制系统的可靠性。
发明内容
[0008] 发明目的：针对以上问题，本发明提出了一种直线电机单电流传感器直接推力控制方法。该方法能够减少电流传感器的使用数量，从而降低电机驱动控制成本，减小控制系统体积，提高控制系统的可靠性。
[0009] 技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种直线电机单电流传感器直接推力控制方法，该方法包括如下步骤：
[0010] (1)通过采样电路测得直线电机外部直流母线电流idc，动子位置角θe；
[0011] (2)根据直流母线电流idc和动子位置角θe，计算直线电机磁链控制值、直线电机推力控制值，确定直线电机定子磁链扇区编号，进而基于电压矢量表选择电压矢量；
[0012] (3)根据所选择的电压矢量计算相模式、沦陷时间和切换指令；
[0013] (4)重新计算直线电机磁链控制值、直线电机推力控制值；
[0014] (5)如果切换指令为1，则根据直线电机推力控制值、直线电机磁链控制值、直线电机定子磁链扇区编号N和电压矢量表重新选择电压矢量，实现直线电机的直接推力控制。
[0015] 进一步的，步骤(2)中，计算直线电机磁链控制值、直线电机推力控制值，确定直线电机定子磁链扇区编号，方法如下：
[0016] (2.1)根据上一个采样周期，得到任一相电流和相模式：
[0017]
[0018] 其中，SA、SB、SC分别表示IGBT三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，iA，iB，iC分别表示永磁直线电机的A、B、C相电流；
[0019] (2.2)根据上个采样周期电流测量值和另外两相中最新更新的一相电流作为间接测量值由下式得到三相电流：
[0020] iA+iB+iC＝0
[0021] (2.3)通过坐标变换，得到直线电机定子电流在两相静止坐标系α、β下的α、β轴分量：
[0022]
[0023] 其中，iα、iβ分别表示直线电机定子电流在两相静止坐标系α、β下的α、β轴分量；
[0024] (2.4)计算得到直线电机定子磁链在两相静止坐标系α、β下的α、β轴分量：
[0025]
[0026] 其中，ψf表示直线电机永磁磁链，ψα、ψβ分别表示直线电机定子磁链在两相静止坐标系α、β下的α、β轴分量，Ls表示直线电机定子相电感；
[0027] (2.5)计算得到直线电机定子磁链幅值和相角：
[0028]
[0029] 其中，ψs表示直线电机定子磁链幅值，θ表示直线电机定子磁链相角；
[0030] (2.6)计算得到直线电机电磁推力：
[0031]
[0032] 其中，τ表示直线电机定子极距，Fe表示直线电机电磁推力；
[0033] (2.7)确定直线电机定子磁链扇区编号
[0034]
[0035] 其中，N表示扇区编号；
[0036] (2.8)通过比例积分调节器得到直线电机电磁推力的参考值：
[0037]
[0038] 其中，v*表示给定的直线电机速度参考值，v表示直线电机实际的速度反馈值，Δv表示直线电机速度偏差量， 表示直线电机电磁推力的参考值，kp、ki分别比例积分调节器比例系数、比例积分调节器积分系数；
[0039] (2.9)计算得到直线电机推力控制值
[0040]
[0041] 其中， 表示直线电机电磁推力参考值，Fe表示直线电机实际的电磁推力，eF表示直线电机电磁推力的误差，ΔF表示直线电机推力控制器环宽设定值，εF表示直线电机推力控制值；
[0042] (2.10)计算得到直线电机磁链控制值：
[0043]
[0044] 其中， 表示直线电机定子磁链幅值参考值，ψs表示直线电机定子磁链幅值，eψ表示直线电机定子磁链幅值的误差，Δψ表示直线电机磁链控制器环宽设定值，εψ表示直线电机磁链控制值。
[0045] 进一步的，步骤(3)，计算沦陷时间ts和计算切换指令εt，方法如下：
[0046] (3.1)计算沦陷时间ts：
[0047] 若相模式连续两个或两个以上采样周期保持不变时，则将这若干个采样周期记为沦陷时间ts；
[0048] (3.2)计算切换指令εt：
[0049]
[0050] 其中，εt表示切换指令，ts表示沦陷时间，tl表示极限时间设定值；
[0051] 进一步的，步骤(4)中，重新计算直线电机磁链控制值、直线电机推力控制值，方法如下：
[0052] (4.1)若εt＝0，表示测量延迟误差在可接受范围之内，满足双目标优化原则，即选择的电压矢量能同时跟踪推力和磁链，直线电机推力控制值εF、直线电机磁链控制值εψ保持不变；
[0053] (4.2)若εt＝1，表示测量延迟误差不在可接受范围之内，根据单目标优化原则，即选择的电压矢量优先满足推力或磁链，得到直线电机误差标幺值：
[0054]
[0055] 其中，eψ表示直线电机定子磁链误差，ψf表示直线电机永磁磁链值，eF表示直线电机电磁推力的误差，Fr表示直线电机电磁推力的额定值， 表示直线电机磁链误差标幺值，表示直线电机推力误差标幺值；
[0056] (4.3)计算得到直线电机控制值标幺值：
[0057]
[0058] 其中，εp表示直线电机控制值标幺值， 表示直线电机磁链误差标幺值， 表示直线电机推力误差标幺值；
[0059] (4.4)计算得到直线电机新的控制值：
[0060]
[0061] 其中，εp表示直线电机控制值标幺值，εF表示直线电机推力控制值，εψ表示直线电机磁链控制值。
[0062] 有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
[0063] (1)本发明具有鲁棒性强、响应速度快、结构简单、易于实现等优势；
[0064] (2)相比于传统DFC，本发明只使用了一个电流传感器，减少了两个电流传感器的使用，降低了控制系统的硬件成本，减小了控制系统体积；
[0065] (3)与现有单电流传感器实现DFC方法相比，本方法无论是在理论上还是实验上都保证了三相电流估计值的精度，且对硬件系统要求低，易于实现，不增加硬件系统的成本；
[0066] (4)与传统DFC方法相比，本方法在最大速度、推力响应、推力波动、磁链波动、速度突变、负载突变等性能保持不变。
附图说明
[0067] 图1是采样电路图；
[0068] 图2是单电流传感器实现DFC的流程图；
[0069] 图3是电机结构图；
[0070] 图4是最大速度图；
[0071] 图5是推力响应图；
[0072] 图6是稳态时的实测电流和重构电流图；
[0073] 图7是瞬态的三相电流图；
[0074] 图8是定子磁链扇区编号图和电压矢量图。
[0075] 其中，直流母线电压50V，图4-图7中，a是传统DFC的实验图，b是本发明方法和实验图。
具体实施方式
[0076] 下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明；
[0077] (1)通过采样电路测得直线电机外部直流母线电流idc，动子位置角θe；
[0078] (2)计算直线电机磁链控制值、直线电机推力控制值、直线电机定子磁链扇区编号：
[0079] (2.1)根据上一个采样周期，得到任一相电流和相模式：
[0080]
[0081] 其中，SA、SB、SC分别表示IGBT三相桥模块A、B、C相上桥臂的开关状态，iA，iB，iC分别表示永磁直线电机的A、B、C相电流；
[0082] (2.2)根据上个采样周期电流测量值和另外两相中最新更新的一相电流作为间接测量值由下式得到三相电流：
[0083] iA+iB+iC＝0
[0084] (2.3)通过坐标变换，得到直线电机定子电流在两相静止坐标系α、β下的α、β轴分量：
[0085]
[0086] 其中，iα、iβ分别表示直线电机定子电流在两相静止坐标系α、β下的α、β轴分量；
[0087] (2.4)计算得到直线电机定子磁链在两相静止坐标系α、β下的α、β轴分量：
[0088]
[0089] 其中，ψf表示直线电机永磁磁链，ψα、ψβ分别表示直线电机定子磁链在两相静止坐标系α、β下的α、β轴分量，Ls表示直线电机定子相电感；
[0090] (2.5)计算得到直线电机定子磁链幅值和相角：
[0091]
[0092] 其中，ψs表示直线电机定子磁链幅值，θ表示直线电机定子磁链相角；
[0093] (2.6)计算得到直线电机电磁推力：
[0094]
[0095] 其中，τ表示直线电机定子极距，Fe表示直线电机电磁推力；
[0096] (2.7)确定直线电机定子磁链扇区编号：
[0097]
[0098] 其中，N表示扇区编号；
[0099] (2.8)通过比例积分调节器得到直线电机电磁推力的参考值：
[0100]
[0101] 其中，v*表示给定的直线电机速度参考值，v表示直线电机实际的速度反馈值，Δv表示直线电机速度偏差量， 表示直线电机电磁推力的参考值，kp、ki分别比例积分调节器比例系数、比例积分调节器积分系数；
[0102] (2.9)计算得到直线电机推力控制值：
[0103]
[0104] 其中， 表示直线电机电磁推力参考值，Fe表示直线电机实际的电磁推力，eF表示直线电机电磁推力的误差，ΔF表示直线电机推力控制器环宽设定值，εF表示直线电机推力控制值；
[0105] (2.10)计算得到直线电机磁链控制值：
[0106]
[0107] 其中， 表示直线电机定子磁链幅值参考值，ψs表示直线电机定子磁链幅值，eψ表示直线电机定子磁链幅值的误差，Δψ表示直线电机磁链控制器环宽设定值，εψ表示直线电机磁链控制值。
[0108] (3)比较沦陷时间与极限时间设定值的大小：
[0109] (3.1)计算沦陷时间ts：
[0110] 若相模式连续两个或两个以上采样周期保持不变时，则将这若干个采样周期记为沦陷时间ts；
[0111] (3.2)计算切换指令：
[0112] 当沦陷时间超过极限时间设定值时，另外两相电流长时间得不到更新，可能导致控制系统故障，此时，设定切换指令：
[0113]
[0114] 其中，εt表示切换指令，ts表示沦陷时间，tl表示极限时间设定值；
[0115] (4)重新计算直线电机磁链控制值、直线电机推力控制值
[0116] (4.1)若εt＝0，测量延迟误差在可接受范围之内，满足双目标优化原则，即选择的电压矢量能同时很好的跟踪推力和磁链，直线电机推力控制值εF、直线电机磁链控制值εψ保持不变；
[0117] (4.2)若εt＝1，测量延迟误差不在可接受范围之内，根据单目标优化原则，即选择的开关矢量优先满足推力或磁链，得到直线电机误差标幺值：
[0118]
[0119] 其中，eψ表示直线电机定子磁链误差，ψf表示直线电机永磁磁链值，eF表示直线电机电磁推力的误差，Fr表示直线电机电磁推力的额定值， 表示直线电机磁链误差标幺值，表示直线电机推力误差标幺值；
[0120] (4.3)计算得到直线电机控制值标幺值：
[0121]
[0122] 其中，εp表示直线电机控制值标幺值， 表示直线电机磁链误差标幺值， 表示直线电机推力误差标幺值；
[0123] (4.4)计算得到直线电机新的控制值：
[0124]
[0125] 其中，εp表示直线电机控制值标幺值，εF表示直线电机推力控制值，εψ表示直线电机磁链控制值；
[0126] (5)实现直接推力控制方法
[0127] 根据直线电机推力控制值εF、直线电机磁链控制值εψ、直线电机定子磁链扇区编号N和电压矢量表选择电压矢量，使得直线电机的推力和磁链能够很好的跟踪推力参考值和磁链参考值，实现直线电机的直接推力控制。
[0128] 表1电压矢量表
[0129]
[0130] 将逆变器上桥臂开通定义为1，关断定义为0，则逆变器存在8种开关状态：V0(000)，V1(100)，V2(110)，V3(010)，V4(011)，V5(001)，V6(101)，V7(111),其中V0，V7为无效电压矢量，V1，V2，V3，V4，V5，V6为有效电压矢量。
[0131] 本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所做的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。
