半磁浮式城轨TFLSRM牵引力与法向力直接控制

Ｄ　２０１０年ｌ２月　第１卷第５期　高速铁路技术　ＨＩＧＨ　ＳＰＥＥＤ　ＲＡＩＩ　ＡＹ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｎｏ．５，Ｖｏ１．１　Ｄｅｃ．２０１０　

文章编号：ｌ６７４—８２４７（２０１０）０５—００１６—Ｏ５　

半磁浮式城轨ＴＦＬＳＲＭ牵引力与法向力直接控制　

张瑞芳　葛宝明　毕大强　

（１．北京交通大学电气工程学院，　北京１０００４４；２．清华大学电力系统国家重点实验室，　北京１０００８４）　

摘要：有效地控制横向磁场直线开关磁阻电机（ＴＦＬＳＲＭ）的牵引力和法向力，使两者的脉动均减小，是实现　半磁悬浮式城轨交通车辆ＴＦＬＳＲＭ牵引系统必须要解决的难点。文章基于开关磁阻电机（ＳＲＭ）的直接转矩　控制（ＤＴＣ）理论，提出了同时控制ＴＦＬＳＲＭ牵引力和法向力的方法。仿真结果表明，该控制方法合理、有效。　关键词：横向磁场直线开关磁阻电机；直接牵引力控制；直接法向力控制　

中图分类号：Ｕ２６４．９１　１　文献标识码：Ａ　

Ｄｉｒｅｃｔ　Ｔｒａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｆｏｒｃｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　Ｓｅｍｉ－ｍａｇｌｅｖ　

Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｆｌｕｘ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｓｗｉｔｃｈｅｄ　Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ　Ｍｏｔｏｒｓ　

Ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　Ｕｒｂａｎ　Ｒａｉｌ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　

ＺＨＡＮＧ　Ｒｕｉ—ｆａｎｇ　ＧＥ　Ｂａｏ－ｍｉｎｇ　ＢＩ　Ｄａ－ｑｉａｎｇ　

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　０００４４，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｆｌｕｘ　ｌｉｎｅａｒ　ｓｗｉｔｃｈｅｄ　ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ　ｍｏｔｏｒ（ＴＦＬＳＲＭ）ｂａｓｅｄ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｈａｌｆ－ｍａ—　ｇｌｅｖ　ｕｒｂａｎ　ｒａｉｌ　ｔｒａｎｓｉｔ　ｖｅｈｉｃｌｅ，ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｎｏｒｍａｌ　ｆｏｒｃｅ　ａｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ　ｔｏ　ｍｉｎｉｍｉｚｅ　ｔｈｅｉｒ　ｒｉｐ—　

ｐｉｅ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｋｅｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｔｏ　ｂｅ　ｒｅｓｏｌｖｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＳＲＭ　ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　

ｓｉｍｕｈａｎｅｏｕｓｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｏｒｍａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ＴＦＬＳＲＭ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　

ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｆｌｕｘ　ｌｉｎｅａｒ　ｓｗｉｔｃｈｅｄ　ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ　ｍｏｔｏｒｓ；ｄｉｒｅｃｔ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｆｏｒｃｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｄｉｒｅｃｔ　ｎｏｒｍａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　

１　引言　

磁悬浮式与轮轨直线牵引系统相比，前者应用悬　

浮力将车体悬浮，以提高运行速度；后者采用轮轨导向　

降低了控制难度，但较大的向下法向力增大了车辆对　

轨道的压力，增大了轮轨间的摩擦阻力。半磁浮式城　

轨交通直线牵引系统，通过改变电机法向力方向以近　

似抵消车体重量，降低轮轨阻力，实现半浮式控制，即　

车体不脱离轨道，不会使系统控制复杂。采用横向磁　

场直线开关磁阻电机（ＴＦＬＳＲＭ）的半磁浮式牵引系　

收稿日期：２０１０—１０－２７　作者简介：张瑞芳（１９８６．），女，硕士研究生，研究方向为电机及其控制。　基金项目：电力系统国家重点实验室资助项目（ＳＫＬＤＯ９ＫＭ０３）　统，如图１所示，不存在端部效应，利用电机各极磁路　

独立特点，实现模块化设计，可降低建设费用。　ＴＦＬＳＲＭ的向上法向力可以减小车辆轮轨间的摩　

擦阻力，进而减小车辆前进所需的牵引力，改善系统运　行效率，但法向力也使车辆系统的稳定性下降（和常　

规法向力向下的车辆相比）。ＴＦＬＳＲＭ的牵引力、法向　

力与位置、相电流相关，而且２个力相互耦合。如何有　

效控制牵引力和法向力，以使系统稳定、平滑地运行，　是必须要解决的关键问题。　

ＳＲＭ直接转矩控制（ＤＴＣ）在国内外都有研　究－１　。它能够有效地控制转矩脉动，控制简单，易实　

现，具有较大的应用价值。目前，大部分的研究都是关　

于旋转ＳＲＭ。ＴＦＬＳＲＭ是一种新型电机，它的磁通与　

电机运行方向垂直，实现了磁路与电路在几何结构上　第５期　张瑞芳，等：半磁浮式城轨ＴＦＬＳＲＭ牵引力与法向力直接控制　２０１０年ｌ２月　

的解耦。文献［１］根据旋转ＳＲＭ的ＤＴＣ原理，介绍了　

ＴＦＬＳＲＭ的直接牵引力控制，但没有介绍如何控制法　

向力。　

本文在现有文献的基础上，首先简单介绍了半磁　

悬浮式城轨交通车辆ＴＦＬＳＲＭ牵引系统的结构。然　

后，提出了同时控制ＴＦＬＳＲＭ牵引力和法向力的方法。　

仿真结果表明该控制方法的合理性和有效性。　

２　半磁浮式ＴＦＬＳＲＭ牵引系统的结构　

图１为半磁悬浮式城轨交通车辆ＴＦＬＳＲＭ牵引系　

统结构图。　

转向架　次级　初级绕组　

车轮　地面　（ａ）两维横断面图　

［二三　．…　

注：　混凝土　口导磁材料　（ｂ）两维侧面图　

图１　半磁悬浮式城轨交通ＴＦＬＳＲＭ牵引系统　

与旋转ＳＲＭ比，它相当于沿圆周方向将定、转子　

展开，对应转子部分为ＴＦＬＳＲＭ次级，定子部分为初　

级。该ＴＦＬＳＲＭ能够产生牵引力，也能产生法向力，这　

２个力互相垂直，该系统采用短初级、长次级结构，以　

降低制造成本和运行费用。初级安装在车辆底部的转　

向架上，次级则悬空固定在支架上，并沿轨道长度全线　

铺设。其运行原理为，当初级磁极充能量时，ＬＳＲＭ除　

了产生与轨道平行的牵引力外（　轴方向），还产生垂　

直向上的法向力（Ｙ轴方向），即产生与车体重力方向　

相反的悬浮力，进而缓减车辆重力对轨道的压力，使车　

辆轮轨间的摩擦阻力减小，车辆前进所需电机牵引力　

也减小。为了运行平稳，在Ｙ—　平面的左右两侧对称　

地各装设１套ＴＦＬＳＲＭ。当通电顺序为Ｂ—Ｃ—Ａ—Ｂ　时，直线电机车辆将沿　轴正方向前进；相反，若通电　

顺序为Ｃ—Ｂ—Ａ—Ｃ时，车辆将沿　轴负方向前进。　３模型及受力　

电机第ｋ相的电压方程为：　

＝　＋Ｒｋ　（１）　

式中：　——电机绕组电压；　

ｉｋ——绕组电流；　

Ｒ　——绕组电阻；　

——相磁链；　

——下标，代表第ｋ相。　ＴＦＬＳＲＭ各相的磁路是相互独立的，相间互感可　

以忽略，所以ｋ相磁链可以表示为　

＝Ｌ　ｉ　（２）　

式中：　——相电感；　

ｋ相能量平衡方程为：　

ｕ　＝　＋　ｄｉｋ＋（　ＯＬｋ・ｄｄｘｆ＋　・　ｄｔ＋　ＯＬｋ・　

ｄｚ，　．　２　（３）　

，ｙ，ｚ分别代表　，ｙ，ｚ三个方向，如图１所示。　

忽略Ｒ　ｉ　电压分量的影响，从电源传输到电机的　

电磁功率　爹　．　ｄｚ、．２　ｐ　：　警＋ｃ　・警＋　・　＋警・　一　

电机储存的磁场能的变化率为：　

ｄ　１厶　２　）＝Ｌｋｉｋ　ｄｉｋ＋　１　Ｌ．　ＯＬｋ・面ｄｘ＋　ａＬｋ・ａｄｙ￡＋　

ＯＬｋ．　ｄＥ，　．２　（５）　一０ｚ‘　Ｌ）　

式（４）减去式（５）就可以得到电机的机械功率。　

ｍ＝　１．　０Ｌｋ・ｄｘｄ　＋　０Ｌｋ・ａｄｙ　＋警・ｄｚ　．２Ｐｋ　（６）　‘ｄ　＋　‘ｄ　＋　‘　Ｌｏ　

方向的力（牵引力）可表示为：　

厂　＝　・　ａＬｋ　２　（７）　

ｋ相产生的牵引力与磁链和电流的关系为：　

．厂　：　．：。…ｔ　（８）　－，　‘　；　∞ｍ　Ｌ６　

同理，ｋ相在Ｙ方向产生的力（法向力）与磁链和　

电流的关系为：　

．厂Ｊ　：　．：ｃ０ｎｓｔ　（９）　，　‘　；　∞　

正是由于式（８）和式（９）的成立才使得对牵引力　

Ｌ　第５期　张瑞芳，等：半磁浮式城轨ＴＦＬＳＲＭ牵引力与法向力直接控制　２０１０年１２月　

４　ＴＦＬＳＲＭ牵引力和法向力直接控制　

４．１直接力控制　ＴＦＬＳＲＭ的驱动是单极性的，所以电机的相电流　总是正的。牵引力的符号只取决于ａ　／Ｏｘ。即，如果　要产生正向牵引力，初级磁链必须随着位移增加，而如　

果期望产生反向牵引力，初级磁链必须随着位移而减　小。　／３ｘ为正被定义为磁链加速，反之ａ　／３ｘ为负　

则定义为磁链减速。牵引力的改变可以通过初级磁链　加速或减速来实现。法向力的符号只取决于ａ　／３ｙ。　如果要产生正的法向力，定子磁链必须在　方向增加，　

而如果期望产生反向法向力，定子磁链在Ｙ方向减小。　从表达式（８）和式（９）可以看出，ＴＦＬＳＲＭ的牵引　力和法向力也是瞬时电流的函数，与异步电机ＤＴＣ一　

样，在该ＴＦ‘ＬＳＲＭ控制方法中，初级电流相对初级磁链　变化有一个一阶延迟¨　，这样在对牵引力和法向力控　

制时就可以仅控制磁链而不考虑电流的变化。　控制ＴＦＬＳＲＭ牵引力和法向力的方法可以定义　为：①给初级磁链２个参考幅值，当法向力大于控制　范围的上限时选择较小的磁链幅值作为参考幅值，然　

后，通过选取适当的电压矢量使初级磁链保持该较小　

Ｄ　善　誓翥蓍　

矢量，使初级磁链保持该较大连续幅值。②牵引力由　初级磁链相对于电机　方向位移的加速或减速来　

控制。　４．２电压空间矢量　由于ＴＦＬＳＲＭ的凸极结构，各相的电压空间矢量　被定义在电机初级凸极的中心线上，这主要是因为由　电压和电流所产生的磁链矢量方向与初级凸极的中心　线有相一致的趋势　。　

图２是以一相为例功率变换器拓扑结构，电机每　相都有３个可能的电压状态。当２个主开关都导通　

时，这时正电压加在绕组上，给定相的电压状态　定　义为１；当１个晶闸管关断且电流不为零时，此时绕组　电压为零，５　定义为０；当２个晶闸管都关断时，此时　电流不存在或只流经续流二极管，这种情况下，绕组电　压为负，Ｓ　定义为一１。　

图２一相的功率变换器拓扑结构　由于每相电压有３种状态，那么对于一个三相　

ＴＦＬＳＲＭ，总共有２７种电压状态，与三相旋转ＳＲＭ的　ＤＴＣ一样，可以定义６个幅值相同且相差，ｒｒ／３的电压　矢量，如图３所示＿３』。图３中，６个电压矢量分别为　

至　，这些电压矢量将整个区域分成６个区域，ｖ　至Ⅳ６，每一区域占　３弧度。每个可能的状态都是　为了使初级磁链和电机的牵引力、法向力处于控制　

带中。　

Ｂ相　２　ｃ相　（　）、、　（０，Ｉ／ｌ２，　１）　，，（。）　

Ａ相　（一）　ⅣＩ　ｌ　１，０，一１）　

、、　

图３电压矢量及其分区　

设置２个不同的参考磁链幅值。当法向力大于　

（小于）控制范围的上限（下限）时，选择较小（较大）　的磁链幅值作为参考磁链幅值，然后通过选择合适的　电压空间矢量，使得电机的磁链幅值能够限制在滞环　

范围内。例如初级磁链在第ｋ个区域，则可以通过使　用矢量　＋　和　一　以增大磁链，而通过矢量　＋：和　

：来减小磁链，使磁链限制在较小（较大）参考磁链　

幅值的滞环范围内。牵引力由控制磁链相对于电机　方向位移的加速或减速来实现，因此如果牵引力需要　

增加，就要选择超前于磁链矢量的电压矢量，即磁链在　第　区域时选择电压矢量　＋，和　＋　；反之，若牵引力　需要减小，则要相应地选择电压矢量　一　和　一：。　４．３控制系统　根据以上分析，得到ＴＦＬＳＲＭ控制系统的原理图，