基于离散状态反馈电流控制的永磁直线同步电机驱动系统设计与LC滤波器应用研究

《IEEE Access》：Design of discrete state feedback current control for a drive system with a permanent magnet linear synchronous motor and LC filter in an application for small cargo transportation

为解决长定子永磁直线同步电机（PMLSM）驱动系统中因逆变器与定子距离较远而引入LC滤波器导致的LCL电路振荡问题，以及定子分段引起的感应电压快速变化干扰，研究人员开展了基于线性二次调节器（LQR）的离散状态反馈电流控制设计研究。该研究通过离散域建模精确处理逆变器延时，并针对变同步频率实现增益自适应调整，实验验证了控制系统在参考跟踪和抗扰动方面的优越性能，为高速货运及Hyperloop等直线电机驱动应用提供了高动态、高鲁棒性的电流控制解决方案。

　　

在现代交通电气化浪潮中，直线同步电机（LSM）驱动系统因其直接推力传递、高效率和零排放等优势，成为高速铁路、货运系统和新兴Hyperloop技术的研究热点。特别是在小型货物运输（ASCT）和Hyperloop等应用中，采用长定子结构、永磁体置于车辆的设计可显著降低系统重量并支持多车辆协同运行。然而，当逆变器与数百米外的定子段连接时，输出电缆的分布参数会引入高频谐波干扰，通常需加装LC滤波器来抑制——这却使被控对象变为一个易振荡的三相电感-电容-电感（LCL）电路。更棘手的是，为提高能效并支持多车运行，定子常被分割为多个独立供电的段，车辆过段时感应电动势（back EMF）会快速变化（呈梯形波动），对电流控制器的抗扰动能力提出极高要求。传统比例积分（PI）控制器难以在如此复杂的LCL电路和快速扰动下同时保证高动态响应和强鲁棒性。

为解决上述挑战，华沙理工大学与Nevomo Poland等机构的研究团队在《IEEE Access》上发表论文，提出了一种基于离散状态反馈和线性二次调节器（LQR）的电流控制策略。该研究首次在离散域中精确建模逆变器的一拍延时，并通过LQR优化设计全状态反馈增益，结合积分动作和参考前馈，实现了对LCL电路的高性能控制。针对同步频率变化引起的系统时变性，研究还提出了增益的线性自适应调整方法。实验结果表明，该控制器在定子段切换等快速扰动下仍能保持电流稳定，显著优于传统PI控制，为直线电机在高速运输系统中的可靠应用提供了关键技术支撑。

研究采用的主要技术方法包括：在离散域建立包含逆变器延时的增广状态空间模型；利用LQR算法优化状态反馈矩阵权重；设计基于同步频率的增益在线调整机制；通过d-q坐标系实现解耦控制；并在实际测试平台上验证控制算法。实验样本来源于华沙Nevomo测试轨道，该平台包含六段9米长定子段和两台三电平NPC逆变器。

状态反馈控制器设计

研究首先在离散域建立包含8个状态变量（ converter电压、滤波电感电流、电容电压、定子电流及其积分误差）的增广模型。通过线性二次调节器（LQR）优化权重矩阵，使系统在电容电压峰值限制、参考跟踪动态性和抗扰动能力之间取得平衡。控制器引入积分环节消除稳态误差，并加入参考前馈提升动态响应。

变同步频率增益调整

由于系统矩阵中包含同步频率ω，控制器增益需随速度调整。研究发现，同轴增益（如K[1,1]）基本不变，而交叉耦合增益（如K[1,2]）与ω近似成正比。因此采用线性插值法实时计算增益：K = K₀ + f_sC_m，其中K₀为零频增益矩阵，C_m为斜率矩阵。

无源阻尼滤波器应用

为提升系统可靠性，研究还测试了LC-CR无源阻尼滤波器拓扑（C₁=30μF, C₂=50μF, R_d=4Ω）。该结构在传感器故障时仍可降级运行，且功率损耗（约4.5W）远低于系统总损耗（定子电阻损耗约1.6kW）。控制器设计时忽略R_d，按总电容C_f=C₁+C₂=80μF进行建模。

仿真与实验验证

通过PLECS仿真和实际测试平台对比了状态反馈控制（SFC）与PI控制性能。在25Hz同步频率下，SFC的定子电流响应超调量降低至3.7A，而PI控制达15A；在段切换扰动下，SFC的电流误差几乎为零，PI控制则出现2A偏差。计算量分析表明，SFC每周期需88次浮点运算，虽高于PI控制的14次，但仍适于现代微控制器实现。

研究结论表明，所提出的离散状态反馈控制方法能够有效解决LCL电路振荡和快速扰动问题。通过离散域精确建模和增益自适应机制，控制器在变工况下保持优良性能。该方案不仅适用于直线电机驱动，还可推广至旋转电机并网变流器等场景。未来工作可结合状态观测器减少传感器数量，进一步提升系统实用性。