1.3 直线感应电机控制方法研究概述
1.3.1 传统控制策略
整体而言，传统RIM系统的控制策略，可以直接或经过改进后应用于LIM系统，具体情况视应用场合与控制需求而定。相对传统RIM控制方程，LIM最大的特点在于：因受端部效应影响，电机互感是电机运行速度、转差、频率、结构参数的函数，呈现出高阶、非线性、强耦合的变化特性[45-46]。除此之外，LIM的次级电阻在不同工况下也呈现出一定的非线性变化。本节将从控制角度出发，归纳介绍LIM典型的控制方法，具体如下。
1.3.1.1 转差频率控制
早期投入运行的LIM轨交系统大多数采取转差频率控制，即将转差频率设定为一恒定值，电机的输出推力基本与电流二次方成正比，那么只需对电流幅值进行控制便可实现推力控制，控制框图如图1-9所示。文献[47]详细介绍了实际LIM牵引系统转差频率控制方式：在电机速度低于12m/s的时候，转差频率控制在5Hz；如果速度进一步上升，由于逆变器输出电压限制，给定转差频率也会跟着线性增加。整体而言，该方法简单易行，但需选择合适的转差频率。若转差频率选择不准，在相同输入电流下，电机出力将会减小，从而降低驱动系统的整体效率。
图1-9 LIM转差频率控制框图
1.3.1.2 矢量控制
和RIM类似，LIM的矢量控制如图1-10所示，包括直接磁场和间接磁场定向控制，其中前者通过次级磁链观测器获取准确的磁链角度，进而对LIM进行解耦控制，如图1-10a所示；而后者则通过计算转差频率获得同步角频率，进而积分获取磁链角度，如图1-10b所示。在稳态工况下，LIM直接和间接磁场定向方式的效果大致相同；然而，在动态过程中，因转差频率求解公式不再适用，为此间接磁链定向获取的磁链角度将会出现偏差。通常情况下，矢量控制与转差频率控制类似，即在稳态下均只对LIM转差频率进行控制。但是矢量控制可通过改变次级磁链来调节转差频率，无需将其设置为固定值。因此，矢量控制方法适用范围更广，控制效果更好，同时还可结合最小损耗控制策略等，通过调节LIM励磁水平来提高电机系统的运行效率等[48-50]。
图1-10 矢量控制框图
通常而言，电流环参数整定过程中，一般采用固定PI参数，其电流内环传递函数框图如图1-11所示。根据传递函数，通过零极点配置方法，可对PI调节器的比例和积分系数进行设计，其表达式为[51]
式中，ξ为控制器阻尼系数；ωn为控制器带宽；
。
根据式（1-1）可知，PI参数的整定过程与电机实际运行工况相关：对于RIM，除受电磁饱和及温度影响外，电机参数基本不变，因此对应的PI参数基本恒定；然而，LIM中参数变化较为剧烈（受边端效应影响等），若PI参数仍设为恒定值，则难以满足实际工况需求。除此之外，单纯采取PI调节器，无法消除dq轴电流耦合现象，尤其动态过程中交叉影响较严重。同时，在实际数字控制器实施过程中，PI控制器难以消除计算延迟带来的影响，有时会恶化系统控制性能。同时，矢量控制通常采用空间矢量调制（Space Vector Modulation，SVM）来产生驱动脉冲，采样频率与开关频率相同，如所需开关频率较低，则对应的采样频率也较小，从而进一步放大了计算延迟所带来的负面影响。
图1-11 电流内环传递函数框图
1.3.1.3 直接推力控制
为了能够提高电机的动态响应能力，直接推力控制采取基于初级磁场定向的方式，直接对电机初级磁链以及输出推力进行控制，其控制框图如图1-12所示。根据迟滞比较器判断的结果，结合离线开关表，合理选出满足当前需求的电压矢量作为输入控制量。由于一个采样周期内只作用一个电压矢量，因此该方法的开关频率会比较低，适合于大功率LIM驱动场合。文献[52，53]详细分析了直接推力控制对LIM运行特性的影响：该方法不依赖电机参数，比较适宜LIM驱动系统，具有较强的鲁棒性。然而，相比矢量控制，因开关表内所选择的电压矢量数量有限，导致控制精度不高，磁链和推力波动较大。为减小电机输出推力波动，相关学者对离线开关表进行了优化，所采用的迟滞比较器也更加灵活，能够输出的判定结果更加丰富，从而选出更加精确的电压矢量。除此之外，有学者将该方法与电压矢量调制相结合，即一个采样周期内作用多个电压矢量，从而增加电压矢量调制精度，有效减小磁链和推力波动。
图1-12 直接推力控制框图