研究背景
超高速直線感應電機在地面超聲速（約340 m/s）運行時，激波非定常氣動力會導致動子劇烈抖振，對磁編碼、光電編碼等速度位置測量造成嚴重干擾，進而引發電機速度失控，阻礙直線電機超聲速穩定運行。
當前，針對高速電機速度觀測方法研究主要有高頻信號注入法與模型觀測法。高頻信號注入法的優點為不依賴電機的基波反電動勢，在低速時也能實現良好的位置和速度估計，但該方法在高速運行時易受高頻噪聲、帶寬、逆變器最大輸出電壓等多種因素制約。基于模型的無速度傳感器控制方法難以適應參數快速時變且不確定擾動較大的系統。
本文依據直線感應電機動子高速進入和離開定子段時定子電壓快速變化特性，提出了一種基于多個相鄰定子段電壓特征提取的超聲速直線感應電機速度觀測方法。該方法能夠有效抑制快速動態切換過程參數快速時變對速度觀測的影響，具有精度高、參數敏感度低等優點，直線感應電機拓撲及等效電路如圖1所示。
論文所解決的問題及意義
傳統單個定子段電壓-動子速度觀測方法較難觀測直線感應電機動子速度，首先單個定子電壓在動子全覆蓋和供電切換時無法觀測動子速度；其次觀測系數嚴重依賴電機參數精度；最后電機動子高加減速進入和離開定子段時dq軸電壓具有直流偏量。因此需結合多個定子段電壓特性，提出基于多元電壓數據特征提取的速度觀測方法，提高速度觀測的精度并降低對電機參數精度依賴。
研究團隊提出基于多元電壓特征提取的超聲速直線感應電機速度觀測方法，基于多元電壓特征提取的速度觀測方法流程如圖3所示，依據多個定子段測量電壓、動子位置和定子段切換時刻，獲得速度觀測系數及計算觀測速度。相比單定子電壓-速度觀測方法，該方法不依賴直線電機精準參數，有效提高了速度觀測精度。
論文方法及創新點
1、定子分段直線感應電機多元融合電壓
直線感應電機動子在高速運動時，多臺變頻器依據動子所在位置對相應的定子段交替供電，本文以3臺變頻器供電為例，相鄰3個定子段的dq軸測量電壓可提取出具有連續速度信息的d軸和q軸多元電壓，如圖4所示。該方法可有效消除單個定子段電壓直流偏置，并且解決定子段全覆蓋和供電切換時定子段電壓測量值無法觀測速度的問題。
2、基于多元電壓特征提取的速度觀測方法
基于多元電壓特征提取的超聲速直線感應電機速度觀測方法如圖5所示，主要包括超聲速直線電機數據采集、多元電壓融合、速度觀測器參數估計、速度觀測、速度信息加權融合等部分，實時觀測直線感應電機動子速度，主要流程如下：
（1）實時采集定子分段直線感應電機的3臺變頻器電壓，并將其變換到同步坐標系；
（2）計算單個定子段電壓直流偏置，計算多元電壓uzd和uzq，提取出具有連續速度信息的特征電壓；
（3）由定子段切換時刻的電壓變化特性，實時計算3個速度觀測參數；
（4）根據d軸和q軸多元電壓速度觀測方法計算d軸和q軸多元電壓觀測的速度vzd和vzq；
（5）依據權重將dq軸觀測速度加權融合得到融合觀測速度，從而實現基于多元電壓特征提取的超聲速直線電機無傳感器速度觀測方法。
3、仿真實驗結果
采用間接磁場定向方法將3個變頻器供電定子段電壓進行同步變換，得到超聲速直線感應電機d軸多元電壓和q軸多元電壓波形如圖6所示。
dq兩軸觀測速度的正負誤差可相互抵消，提高速度觀測精度，d軸和q軸觀測速度加權融合算法仿真結果如圖7所示，加權融合觀測速度與實際速度對比，兩者之間平均誤差小于8‰，實現超聲速工況下動子速度的觀測。
結論
本文提出一種基于多元電壓特征提取的超聲速直線感應電機速度觀測方法，通過理論建模、仿真分析與實驗驗證，得出以下結論：
1）所提方法通過分段函數融合相鄰定子段的dq軸電壓，構建具有連續速度特征的多元融合電壓，有效消除單個定子段電壓直流偏置及觀測盲區。
2）利用定子段切換時刻的電壓變化特性動態提取速度觀測器參數，降低了對勵磁電感、動子電阻等精準參數的依賴，顯著增強了系統魯棒性。
3）dq軸觀測速度加權融合算法通過線性預測與誤差反比重分配權重，實現動子進出定子段不同階段的誤差互補，提高速度觀測精度。仿真速度觀測誤差小于8‰，實驗速度觀測誤差小于1.1%。
4）方法適用于高速且高加/減速工況，在低速或惰行階段具有一定局限性，但是不影響超聲速工況下動子速度的觀測。
本文提出的速度方法無需額外傳感器或高頻信號注入，有效解決高速且高加/減速工況下超聲速激波不確定擾動對直線電機推進系統速度測量影響，為直線電機更高速度運行提供速度觀測基礎。
