一種永磁直線電機(jī)用無位置傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種永磁直線電機(jī)用無位置傳感器，在電機(jī)啟動(dòng)之前給逆變器通入指定的觸發(fā)信號(hào)，求出相應(yīng)的線電感值，并結(jié)合電機(jī)已有的電感參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，初步得出直線伺服電機(jī)的初始位置，隨后立即通入高頻電壓判斷出動(dòng)子的磁極方向；電機(jī)啟動(dòng)之后，在低速段采用高頻電壓注入與重復(fù)控制器相結(jié)合的方法來實(shí)時(shí)檢測(cè)動(dòng)子位置，中高速段采用基于擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)模型的滑模觀測(cè)器與飽和函數(shù)算法相結(jié)合來實(shí)時(shí)獲取動(dòng)子位置信息。本發(fā)明將初始位置檢測(cè)方法、旋轉(zhuǎn)高頻注入法、重復(fù)控制和滑模觀測(cè)器結(jié)合在一起，可以準(zhǔn)確、有效的檢測(cè)直線伺服電機(jī)的位置信息，克服了機(jī)械式傳感器的存在帶來的弊端，提高了系統(tǒng)的可靠性。
【專利說明】一種永磁直線電機(jī)用無位置傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種永磁直線電機(jī)用的無位置傳感器，更為具體地說是一種將初始位置檢測(cè)、滑模觀測(cè)器、旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入和重復(fù)控制器相結(jié)合的無位置傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，由于數(shù)控加工領(lǐng)域在速度、加速度、精度以及工作行程方面的需求越來越高，新型數(shù)控機(jī)床逐漸趨向于采用直線永磁電機(jī)作為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)以替代傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的進(jìn)給方式，高性能的數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)廣泛采用了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制策略，他們都需要位置傳感器提供轉(zhuǎn)速與動(dòng)子位置反饋信號(hào)。但是，一般情況下，數(shù)控機(jī)床采用機(jī)械式位置傳感器來檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和動(dòng)子位置，如光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。然后，機(jī)械式傳感器的存在帶來了很多弊端:1)電機(jī)與控制器之間的連接元件增多，坑干擾能力變差，降低了系統(tǒng)可靠性；2)加大了電機(jī)空間尺寸和體積，減少了功率密度，增加了系統(tǒng)的硬件成本和維護(hù)成本；3)在高溫與強(qiáng)腐蝕環(huán)境中，將使傳感器性能變差、甚至失效，導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無法正常工作。
[0003]眾所研究成果表明，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于一定的轉(zhuǎn)速時(shí)，實(shí)現(xiàn)無位置傳感器控制并不困難，但在起動(dòng)、零速和低速運(yùn)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和位置估計(jì)難度較大。從現(xiàn)有的技術(shù)可以看出，無位置傳感器控制技術(shù)大致可以分為兩大類:一類適用于中、高速，另一類適用于零速和低速。中、高速的控制方法大多基于電機(jī)基波模型，直接從反電動(dòng)勢(shì)中獲取動(dòng)子位置信息，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。但在低速時(shí)反電勢(shì)信號(hào)較小不易檢測(cè)，特別是當(dāng)電機(jī)靜止時(shí)反電勢(shì)為零，難以從反電勢(shì)中獲得動(dòng)子位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服機(jī)械式傳感器帶來的弊端，同時(shí)解決零速和低速段位置檢測(cè)難度較大問題，本發(fā)明目的是提供一種永磁直線電機(jī)用的無位置傳感器，可以針對(duì)不同的速度段來選擇檢測(cè)方法并且將初始位置檢測(cè)、滑模觀測(cè)器、高頻電壓注入和重復(fù)控制器相結(jié)合，提高永磁直線電機(jī)以及應(yīng)用永磁直線電機(jī)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。
[0005]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種永磁直線電機(jī)用無位置傳感器，包括初始位置檢測(cè)模塊、低速段位置檢測(cè)模塊、中高速段位置檢測(cè)模塊和過渡區(qū)域位置檢測(cè)模塊，永磁直線電機(jī)的動(dòng)子位置角的估計(jì)值按照如下方法獲得:
[0007]所述初始位置檢測(cè)模塊，首先通過對(duì)三相逆變器施加指定脈沖計(jì)算三相線電感值，然后結(jié)合電機(jī)每相繞組自感的平均值和每相繞組自感的二次諧波幅值初次估計(jì)出動(dòng)子的初始位置，最后利用電機(jī)的凸極效應(yīng)，通過向電樞繞組注入等寬電壓脈沖信號(hào)判斷動(dòng)子的磁極方向；
[0008]所述低速段位置檢測(cè)模塊，采用旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入法對(duì)動(dòng)子磁極位置進(jìn)行檢測(cè)，通過軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)序高頻電流的相位的跟蹤，從而獲取矢量角誤差，同時(shí)采用PI調(diào)節(jié)器和重復(fù)控制器結(jié)合的方法調(diào)節(jié)矢量角誤差使之趨于零，使得動(dòng)子位置的估計(jì)值成丨收斂于真實(shí)值Θ…對(duì)士作時(shí)間微分以獲得動(dòng)子角速度<;
[0009]所述中高速段位置檢測(cè)模塊，采用滑模觀測(cè)器獲取動(dòng)子位置信息，通過一個(gè)低通濾波器對(duì)滑?？刂坪瘮?shù)ζ進(jìn)行濾波，得到等效反電動(dòng)勢(shì)，從而獲得動(dòng)子位置角估計(jì)值；
[0010]所述過渡區(qū)域位置檢測(cè)模塊，采用混合觀測(cè)器獲取動(dòng)子位置信息，即低速段采用高頻電壓注入法與重復(fù)控制器相結(jié)合的方法來觀測(cè)動(dòng)子位置，中高速段采用滑模觀測(cè)器來獲取動(dòng)子位置信息，過渡階段通過兩種方法的觀測(cè)結(jié)果加以加權(quán)方式來確定混合觀測(cè)器輸出的動(dòng)子位置角估計(jì)值。
[0011]在初始位置檢測(cè)模塊中，三相線電感值通過下述方法獲得:
[0012]采用三相逆變器兩兩導(dǎo)通的控制方式，即每一時(shí)刻電機(jī)有兩相導(dǎo)通，非導(dǎo)通相懸空，在相應(yīng)兩相導(dǎo)通時(shí)通過線電感計(jì)算模塊計(jì)算相應(yīng)兩相間的電感為:
[0013]
【權(quán)利要求】
1.一種永磁直線電機(jī)用無位置傳感器，其特征在于:包括初始位置檢測(cè)模塊、低速段位置檢測(cè)模塊、中高速段位置檢測(cè)模塊和過渡區(qū)域位置檢測(cè)模塊，永磁直線電機(jī)的動(dòng)子位置角的估計(jì)值按照如下方法獲得: 所述初始位置檢測(cè)模塊，首先通過對(duì)三相逆變器施加指定脈沖計(jì)算三相線電感值，然后結(jié)合電機(jī)每相繞組自感的平均值和每相繞組自感的二次諧波幅值初次估計(jì)出動(dòng)子的初始位置，最后利用電機(jī)的凸極效應(yīng)，通過向電樞繞組注入等寬電壓脈沖信號(hào)判斷動(dòng)子的磁極方向； 所述低速段位置檢測(cè)模塊，采用旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入法對(duì)動(dòng)子磁極位置進(jìn)行檢測(cè)，通過軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)序高頻電流的相位的跟蹤，從而獲取矢量角誤差，同時(shí)采用PI調(diào)節(jié)器和重復(fù)控制器結(jié)合的方法調(diào)節(jié)矢量角誤差使之趨于零，使得動(dòng)子位置的估計(jì)值屯收斂于真實(shí)值對(duì)&作時(shí)間微分以獲得動(dòng)子角速度^; 所述中高速段位置檢測(cè)模塊，采用滑模觀測(cè)器獲取動(dòng)子位置信息，通過一個(gè)低通濾波器對(duì)滑模控制函數(shù)Z進(jìn)行濾波，得到等效反電動(dòng)勢(shì)，從而獲得動(dòng)子位置角估計(jì)值； 所述過渡區(qū)域位置檢測(cè)模塊，采用混合觀測(cè)器獲取動(dòng)子位置信息，即低速段采用高頻電壓注入法與重復(fù)控制器相結(jié)合的方法來觀測(cè)動(dòng)子位置，中高速段采用滑模觀測(cè)器來獲取動(dòng)子位置信息，過渡階段通過兩種方法的觀測(cè)結(jié)果加以加權(quán)方式來確定混合觀測(cè)器輸出的動(dòng)子位置角估計(jì)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁直線電機(jī)用無位置傳感器，其特征在于:在初始位置檢測(cè)模塊中，三相線電感值通過下述方法獲得: 采用三相逆變器兩兩導(dǎo)通的控制方式，即每一時(shí)刻電機(jī)有兩相導(dǎo)通，非導(dǎo)通相懸空，在相應(yīng)兩相導(dǎo)通時(shí)通過線電感計(jì)算模塊計(jì)算相應(yīng)兩相間的電感為:
LabWr) = ~, I 2U,k , I
dlab/dt\o?-dlab/dt\off
LiM-)=~, I 2U,k , I
dlacldt\on-dlUcIdt1ff τ (O \ ^^dc Lbc^r) - -~Τ~\ ；~~
d>bcldt\on-dlbcldt\off 其中:ud。為直流母線電壓；Lab、La。和Lbe分別為AB相線電感、AC相線電感和BC相線電感；di/dt I on為電流上升的變化率；di/dt I off為電流下降的變化率；Θ r為動(dòng)子初始位置角估計(jì)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁直線電機(jī)用無位置傳感器，其特征在于:在初始位置檢測(cè)模塊中，三相線電感值，結(jié)合電機(jī)每相繞組自感的平均值和每相繞組自感的二次諧波幅值初步估計(jì)出動(dòng)子的初始位置，具體方法為:
Z/6=3[Z0+Zffl cos(2^4-120°)]
=3[lo+I?,cos(2^4+1200)]
he =3Il0 +Lm cos(2Pr6>r)]其中:Lab、La。和Lbe分別為AB相線電感、AC相線電感和BC相線電感；L。為每相繞組自感的平均值，為電機(jī)已有參數(shù)，各相繞組自感的平均值相等；Lm為每相繞組自感的二次諧波幅值，為電機(jī)已有參數(shù)，各相繞組自感的二次諧波幅值相等為電機(jī)極對(duì)數(shù)；為動(dòng)子初始位置角估計(jì)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁直線電機(jī)用無位置傳感器，其特征在于:在初始位置檢測(cè)模塊中，利用電機(jī)的凸極效應(yīng)，通過向電機(jī)的電樞繞組注入等寬電壓脈沖信號(hào)判斷動(dòng)子的磁極方向，具體方法為: 給電樞繞組施加等寬電壓脈沖:當(dāng)電壓脈沖方向與動(dòng)子正方向相同時(shí)，電流形成的磁勢(shì)會(huì)加深磁路的飽和，等效電感變小，從而電流幅值增大；當(dāng)電壓脈沖方向與動(dòng)子正方向不相同時(shí)，電流形成的磁勢(shì)會(huì)減小磁路的飽和，等效電感變大，從而電流幅值減?。? 通過檢測(cè)施加等寬電壓脈沖后所產(chǎn)生的相電流響應(yīng)的峰值的不同，判斷出動(dòng)子的磁極方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁直線電機(jī)用無位置傳感器，其特征在于:所述低速段位置檢測(cè)模塊中，使用旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入法與重復(fù)控制器相結(jié)合的方法獲取動(dòng)子位置的估計(jì)值I，具體為: 設(shè)旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)的角頻率為W1、幅值為Vsi，則旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)V表示為:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁直線電機(jī)用無位置傳感器，其特征在于:所述中高速段位置檢測(cè)模塊中，采用滑模觀測(cè)器獲取動(dòng)子位置信息，通過一個(gè)低通濾波器對(duì)滑?？刂坪瘮?shù)ζ進(jìn)行濾波，得到等效反電動(dòng)勢(shì)，從而獲得動(dòng)子位置角估計(jì)值，具體方法為: 采用滑模觀測(cè)器來獲取動(dòng)子位置信息，建立定子電流滑模觀測(cè)器數(shù)學(xué)模型~力:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁直線電機(jī)用無位置傳感器，其特征在于:所述過渡區(qū)域位置檢測(cè)模塊中，混合觀測(cè)器輸出的動(dòng)子位置角估計(jì)值^表示為:

【文檔編號(hào)】H02P21/14GK103501151SQ201310480463
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月15日
【發(fā)明者】余海濤, 孟高軍, 胡敏強(qiáng), 黃磊, 須晨凱, 張笑薇, 陳中顯, 吳濤 申請(qǐng)人:東南大學(xué)