[發(fā)明專利]一種用于電磁吸力懸浮系統(tǒng)的雙管獨(dú)立交錯(cuò)控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210405072.5
• 申請(qǐng)日: 2012-10-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102910085A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董金文;張昆侖
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南交通大學(xué)
• 主分類號(hào): B60L13/04
• 分類號(hào): B60L13/04;H02N15/00
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責(zé)任公司 51200
• 代理人: 張澎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電磁吸力懸浮控制的方法，尤其涉及一種用于電磁吸力懸浮系統(tǒng)的懸浮控制與電力電子技術(shù)。

背景技術(shù)

在中低速磁浮列車等電磁吸力懸浮系統(tǒng)中，由于電磁吸力與懸浮氣隙成近似的平方反比關(guān)系，系統(tǒng)不穩(wěn)定，必須采用反饋控制才能使系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定系統(tǒng)。在反饋控制中，通過(guò)檢測(cè)懸浮氣隙的大小計(jì)算出需要調(diào)節(jié)的電磁鐵電流大小，也就是控制量或者電磁鐵電流給定。通過(guò)懸浮斬波器實(shí)現(xiàn)電磁鐵電流等于所期望的電磁鐵電流給定，從而通過(guò)調(diào)節(jié)電磁鐵電流來(lái)調(diào)節(jié)電磁力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。所以，在電磁吸力懸浮系統(tǒng)中，懸浮斬波器和電磁鐵是輸出執(zhí)行部分，它們提供維持系統(tǒng)穩(wěn)定懸浮的電流并產(chǎn)生使系統(tǒng)穩(wěn)定的懸浮力。懸浮斬波器電路通常使用H型斬波器，由于電磁鐵電流單向流動(dòng)，在主電路結(jié)構(gòu)中使用兩只開(kāi)關(guān)管和兩只二級(jí)管。

對(duì)于電磁吸力懸浮系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于系統(tǒng)不穩(wěn)定，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，希望電流盡可能的快速變化以盡快調(diào)節(jié)電磁力，使系統(tǒng)回復(fù)穩(wěn)定位置。所以，為了抗擾動(dòng)，需要系統(tǒng)具有比較快的電流變化，也就是比較大的電流變化率。但這種電流的快速變化會(huì)帶來(lái)另外一面。由于懸浮斬波器是開(kāi)關(guān)電路，輸出電流存在紋波，這種紋波的大小往往和電流的變化率有關(guān)。電流變化率越大，系統(tǒng)紋波越大。電流紋波對(duì)懸浮系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也是一種擾動(dòng)。所以對(duì)懸浮系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，希望電流盡可能的平穩(wěn)，紋波盡量小，平穩(wěn)的電流會(huì)使系統(tǒng)電磁力的波動(dòng)比較小，也就是系統(tǒng)擾動(dòng)比較小；而當(dāng)系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)時(shí)，希望電流盡可能的快速變化，也就是要保持比較大的電流變化率。這也就對(duì)懸浮系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電流需要快速而平穩(wěn)。

在目前的懸浮斬波器的控制方法中，懸浮斬波器的開(kāi)關(guān)器件通常只作為一個(gè)控制量進(jìn)行控制，也就是上下開(kāi)關(guān)管的控制量是一個(gè)。本發(fā)明提出一種新的控制思想，將雙管作為兩個(gè)獨(dú)立的控制量，分別進(jìn)行獨(dú)立控制，并且通過(guò)時(shí)間上的交錯(cuò)，可以等效提高斬波器的開(kāi)關(guān)頻率，提高響應(yīng)速度，降低穩(wěn)態(tài)波動(dòng)等目的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是應(yīng)用于電磁吸力懸浮系統(tǒng)中電流控制的一種方法，其目的是為了在電流控制環(huán)節(jié)中保持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)電流變化速度不變的情況下，使得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)紋波可控或者最小，同時(shí)系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率等保持不變。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種用于電磁吸力懸浮系統(tǒng)的雙管獨(dú)立交錯(cuò)控制方法，在由H型斬波器主電路及采樣控制單元構(gòu)成的硬件平臺(tái)上，采用如下的控制方法：對(duì)H型PWM主電路上下雙管進(jìn)行不同步的獨(dú)立控制分別計(jì)算PWM脈寬，計(jì)算得到的PWM脈沖對(duì)雙管進(jìn)行交錯(cuò)實(shí)施；獨(dú)立交錯(cuò)控制中，上下開(kāi)關(guān)管作為兩個(gè)獨(dú)立的控制量，占空比分別計(jì)算，采樣計(jì)算和實(shí)施時(shí)間交錯(cuò)進(jìn)行。

本發(fā)明的工作過(guò)程

結(jié)合圖1可看到，在懸浮斬波器分析中通常將懸浮電磁鐵線圈簡(jiǎn)化等效為RL串聯(lián)形式。假設(shè)T1和T3為開(kāi)關(guān)管，通常采用IGBT或者M(jìn)OSFET。當(dāng)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)電磁鐵電流增加；當(dāng)開(kāi)關(guān)管同時(shí)關(guān)斷時(shí)，電磁鐵能量通過(guò)二極管D2和D4反饋電源，電磁鐵電流減小。通過(guò)開(kāi)關(guān)管不停的開(kāi)通關(guān)斷，調(diào)節(jié)電磁鐵電流。當(dāng)只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電路工作在三電平狀態(tài)。

假設(shè)T1和T3為懸浮斬波器開(kāi)關(guān)管，在某一時(shí)刻對(duì)電流進(jìn)行采樣，通過(guò)控制算法對(duì)PWM占空比進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到的占空比對(duì)T1進(jìn)行實(shí)施；在一定時(shí)刻后，對(duì)電流進(jìn)行采樣，通過(guò)和T1相同或者不同的控制算法計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的占空比，該占空比對(duì)T3進(jìn)行實(shí)施。T1和T3相差時(shí)刻可以通過(guò)計(jì)算得到，也可以采用固定值，T1和T3的控制周期可以相同也可以不同。圖2表達(dá)了本發(fā)明雙管獨(dú)立交錯(cuò)控制方法原理。

本發(fā)明方法中對(duì)T1和T3兩個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行獨(dú)立交錯(cuò)控制，這種獨(dú)立性體現(xiàn)在(a)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管控制采樣時(shí)刻可以相互獨(dú)立；(b)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管控制采用的算法可以相互獨(dú)立；(c)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制量是獨(dú)立計(jì)算的；(d)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制頻率可以相互獨(dú)立。控制方法中的交錯(cuò)是指(a)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制采樣時(shí)間可以進(jìn)行交錯(cuò)；(b)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管控制脈沖實(shí)施的時(shí)間可以交錯(cuò)，他們的交錯(cuò)時(shí)間可以使固定的，也可以是根據(jù)計(jì)算得到的。

在傳統(tǒng)的系統(tǒng)雙管同脈沖控制中，雙管同時(shí)開(kāi)通時(shí)負(fù)載電壓為電源電壓，雙管同時(shí)關(guān)斷負(fù)載電壓為負(fù)電源電壓。本發(fā)明通過(guò)交錯(cuò)PWM使得系統(tǒng)存在單個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)，自然實(shí)現(xiàn)零電平狀態(tài)，同時(shí)使得系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)比較小的正電平和負(fù)電平；通過(guò)獨(dú)立交錯(cuò)控制，增加系統(tǒng)控制變量，系統(tǒng)除電流可控外，電流紋波也變?yōu)榭煽亓浚煌ㄟ^(guò)獨(dú)立交錯(cuò)控制，在同等時(shí)間內(nèi)，控制器調(diào)節(jié)的次數(shù)增加，可以加快響應(yīng)，等效增加開(kāi)關(guān)頻率。