（电机与电器专业论文）永磁直线同步电机控制技术的研究.pdf

a b s t r a c t l i n e a rm o t o r sd r i v ee q u i p m e n td h c t l mo m i tt h em e c h a n i c a lc o n v e r s i o n ，a 1 1 d c o m p l e t e l ye l i m i n a t et h ep h y s i c a ll i m n so fs p e e da n da c c e l e r a t i o no fm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n l i n e a rm o t o rh a v ea d v a n t a g e si n1 0 n gj o u m e y ，l o wc u s i o m a r yv o l u m e ， h i g h - p r e c s i o n ，f a s tr c s p o n s ea n dh i 曲s p e e d ，a n d o t h e rc h a r a c t e r i s t i c s i nt h e m i d 一1 9 9 0 s ，t h ed i r e c t d r j v et c c h n 0 1 0 9 yi nt h e ：i e l do fu i t r a p r e c i s b np o s i t i o n i l l g w i d e l y 印p l i e d ，a n r a c t e da 铲o w i l l gn u m b c ro f r e s e a r c hi n s t “u t i o n sa n dp e r s o n n e li n t o t 1 1 i sa r e a p e r m a n e mm a g n e t i c1 i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r ( p m l s m ) ，h a v ea d v a m a g e si n h i g he m c i e n t ，l a 唱ee x p o r tm o m e m ，s m a ua n de a s yt oc o n “d la d v a l l t a g e s ，t l l u s 伊e a t l y e 1 1 l 肌c i n gt h es y s t e m sr 印i dr c s p o n s et ot h ec h i n 锄dp r e c i s i o nm o v e m e m n i san c w g e n e r a t i o no fu h r a p r e c i s i o nm a c h i n et o o l s ，m o s to ft h et e c h n o l o g y p e m l a n e m m a g n c t i cl i n e a rs y n c h r o n o u ss e r v os y s t e mw i l lb et h ed e v e l o p m e mo ft l l ee l e c t r i c a l c u r r e n ta f l d 如t u r e 印p l i c a t i o n so f a1 i n e 盯m o t o r t h i sp 印e rd e s i g i l e dac o m r o ls y s t e i l lo np e r n l a n e mm a g n c t i cl i n e a rs ”c h r o n o u s m o t o l a tm s t ，t l l ep a p e rg i v eai n t r o d u c t i o nt ot h es 订u c t i l r e ，b a s i ct h e o r ya n dt h ec o n t m l me l l l o do fp m l s m a n da l s 0t h ed i m c u i t vo fc o m r o ls v s t e mi sd i s c u s s c di r it h i s p 印e lt h ec o m r o ls y s t e mi sd e s i g n e d t oc o n q u e rt h i sd i m c u l ty t h e np o s i t i o n d e t e c t i o nt e c h n o l o g y ，h a r d w a r ea n ds o f h v a r es y s t e md e s i g l li sd i s c u s s e d t h ei n n i a ip o s n i o no ft h cm o t o r j sam a i np r o b l e mf o rc o n t r o io fp m l s m t 1 1 i s p a p e rg i v cas 0 1 u t i o nf o rt h i sp m b l e m t h e 印p r o a c hb a s c do n1 i n e a rh a l ld e v i c e ， w n h o u ti n c r e a s ei nt h ec o s t ，s i m p l ei n s t a l l a t i o na n dt h er e s u n sm e e tt ot h er e q u i r c m e n t i tw i l lh e i pt 0r e d u c et h eh a 咖o n i c si fa d dd c d cp o w e re i e c t m n i c sc i r c u i tt 0t h ed c s i d eo ft h em a mc i r c u h s m c et r a d i t i o n a le m b e c l d o ds o f t w a r eh a v es o m e d i s a d v a m a g e s ，t h i sp 印e rs u p p l yas o r w a r ed e s i g nb a s e do ne m b e d d e dr t o s s o f t w a r e f i n a l l yt c s t sb ed o n eo nt h es 锄p l em o t o ra n dt h ec o n t r o l l e r ，a 1 1 a l y z e dt h er e s u i t s a n dp r e s e n t e dt h ep r o b l e m sa n dm en e x ts t e pf b m a r d k e y 、v o r d s ：p m l s m ，i n n i a lp o s n i o n ，d sp ，d c d c ，e m b e d d e ds o 脚a r c 致谢 衷心感谢我的导师叶云岳教授三年来的悉心指导。我不仅从先生这里学到了 探索知识的方法，而且还学会了做人的道理。先生高尚的人格、一丝不苟的敬业 精神、饱满的工作热情、严谨的治学态度、对新知识不懈的追求，以及对学生无 微不至的关怀，时时感动和激励着我，学生必将受益终生。课题自始至终都倾注 了先生的大量精力和心血，每一点成绩都得益于先生的教导。 衷心感谢范承志副教授。在三年的学业中，从论文的选题，到论文的定稿， 都得到了他的悉心指导和热情帮助，才使我的论文得以顺利完成：还要感谢他在 生活上给予的大力帮助。 特别感谢卢琴芬博士、施俊博士、夏永明博士、蒋绍心高工、杨希男师傅、 等所给予的指导和帮助。 感谢实验室里的兄弟姐妹：黄明星博士、郭亮博士、刘晓博士、王力强博士、 童昕宏硕士、周勇硕士、彭显富硕士等等等等。大家相处愉快，互相促进，伴我 度过了珍贵难忘的求学时光。 感谢我的父母亲，他们的殷切期望和无私的爱，是我漫长求学之路的原动力。 浓浓亲情，无以言报。 特别要感谢我的爱人张布衣，是她的理解、支持和奉献，给了我力量和勇气， 使我战胜了生活和学习中的困难。 最后，衷心的感谢 所有关心和帮助过我的师长、同学、朋友和亲人! 杨少东 2 0 0 6 年3 月于求是园 ，。阔。但是，由于直线电机消除了机械传动链所带来的一些小良影响，为此却增 加了电气、电子控制上的难度，特别是在要求精度高，响应快，微进给的控制场 合，这种机械上的简化导致增加了电气控制上的难度。这是因为永磁直线同步电 机伺服控制系统本身是一个多输入的非线性系统，其三相电流之间及相电流与速 度之间存在着相互耦台关系。 9 0 年代中期以后，直线驱动技术在超精密定位领域中得到了广泛的应用， 直线电机伺服系统越来越成为现代高速加工中心的首选。但由于其结构的特殊 性，需要采取特别的控制方法和技术提高控制性能。根据调研，目前，直线测量 系统和驱动控制器是导致直线电机伺服系统成本增加的主要因素。 正是由于永磁直线同步电机所具有的独特优势和应用前景，越来越多的研究 机构和人员投入到这一领域中来。同样，由于永磁直线同步电机控制系统尚存在 控制、检测等方面多样的难题，本论文对永磁直线同步电机控制系统进行的研究 探讨对这一重要技术的推广麻用也是非常有意义的。 1 2 直线电机概况 直线电机的发展经历了漫长的历史。早在1 8 4 5 年w h e a l s l o n e 就提出和制作 了略具雏形的直线电动机。到如今，已有近1 6 0 年的历史了，在这段过程中，直 线电机大致经历了探索试验、开发应用和使用商品化三个阶段。 1 2 1 直线电机发展与现状 从l8 4 0 年到1 9 5 5 年的1 1 6 年期间，直线电机从设想到试验到部分实验性应 用，经历了一个不断探索的过程。在1 8 9 0 年，有人想用它来推动织布机上的梭 子，并发表了关于这方面的专利，这也是直线电机最早的一个专利。这个想法的 延伸导致了现代电磁炮的产生：在1 9 0 5 年，有人提出用它来作为推动列车的动 力，虽然当时由于其经济性，可靠性等方面没有竞争力，未能实现。可是研究人 员却对这个想法给与了持续的关注，近几十年来，磁悬浮列车终于在德国，日本 等国建立起试验利试运行线路，获得了试验性的应用和成功。我国上海浦东也将 兴建一条试验线。从上面可以看到，尽管当时的一些想法并未超出试验阶段，但 是这些想法和尝试却为后来的成功提供了宝贵的经验。本世纪三、四十年代，直 线电机进入了实验阶段。1 9 4 5 年，美国西屋电气公司首先研制成功电力牵引飞 机弹射器，随后，美国利用直线电机制成用作抽吸钾、钠等液态金属的电磁泵。 1 9 5 4 年，英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制成了发射导弹 的装置。但是这个时期直线电机始终没有能够得到真正的应用。其原因大致在于 以下几方向：一、直线电机的电磁气隙与极距的比值通常高于旋转电机，因此激 磁电流较大，另外存在由于铁芯两端开断产生的边端效应，于是直线电机的效率 和功率网数比同容量旋转电机的低。这个概念牢同地束缚了直线电机的应用，使 它无法与旋转电机相抗衡；二、没能找到唯独它适用的或者有很大优势的领域： 三、直线电机的控制线路及其装置费用成为它发展的障碍，因为当时控制技术小 完善、元器件昂贵且性能欠佳：四、直线电机理论发展缓慢，设计上存在缺陷， 没有对应用起到促进和预见作用。以上这些使得人们对直线电机一度失去信心。 直至五十年代中期，控制、材料技术的飞速发展和新型控制元器件的不断出现为 直线电机的广泛应用打开了方便之门。同时人们也逐渐接受了新的概念，认为直 线电机的较低效率可以用增加整个装置的传动效率来补偿，在不连续使用的情况 下，效率退居第二位，整个装置的简单和经济显示了直线电机的优越。人们观念 的改变以及因此而产生的需求成为直线电机的发展的原动力。这一时期世界各国 出现了许多直线电机的产品，例如前苏联生产的液态金属电磁泵、美国 x q e t i c s 公司生产的自动绘图仪、法国生产的直线电机记录仪、e d w a r d so f e n f j e l d 公司生产的铝和有色金属工业用的新型挤拉机、日本三洋公司生产的直 线电机驱动的电h 昌机、英国h e r b e r tm o r r i s 公司生产的桥式吊车、传送带和一般 机械搬运设备等。它的理论发展也取 x 1 2 2 直线电机原理 图1 直线电机示意图 将图1 所示的旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成了所示的直 线电机。在这台直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，也会产生气隙 磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效麻时，这个气隙磁场的的 分布情况与旋转电机的相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。当三相 电流随时间变化时，气隙磁场将按a 、b 、c 相序沿直线移动。这个原理与旋转 电机的相似，二者的差异是：这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波 磁场。显然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样 的，即为v ，称为同步速度，且 32 直垃电机的基盎工作嗥皇 l 忉衄j 故钮3 崭帔髓蜗 图2 下面分析行波磁场对次级的作用。假定次级为栅形次级，图2 中仅画出其 4 中的一根导条。次级导条在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流。而所有 导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如 果初级是固定不动的，那末次级就顺着行波磁场运动的方向作直线运动。若次级 移动的速度用v 表示，转差率用s 表示，则有： v 。一v j 2 l v j v = s 叱 v = ( 1 一s h ( 1 - 2 ) 在电动机运行状态下，s 在0 与1 之间。上述就是直线电机的基本工作原理。 旋转电机通过对换任意两相的电源线，可以实现反向旋转。这是因为三相绕 组的相序相反了，旋转磁场的转向也随之反了，使转子转向跟着反过来。同样， 直线电机对换任意两相的电源线后，运动方向也会反过来，根据这一原理，可使 直线电机作往复直线运动。 1 2 3 直线电机的分类 直线电机的分类在不同的场合有不同的分类型式。例如在考虑外形结构 时，往往以结构型式将其进行分类：当考虑其功能用途时，则又以其功能用 途进行分类；而在分析或阐述电机的性能或机理时，则是以其t 作原理进行 分类。 1 按结构型式分 扁平型、圆筒型、圆盘形、弧形 按原理分 直线直流电机、直线感应电机、直线同步电机、特种直线电机 按应用分 力电机、功电机、能电机、信号电机 按磁通型式分 轴向磁通式、径向磁通式 按初级的数量分 单边型、双边型 按初、次级的长度分 短初级、短次级 按电源分 二相、单相、直流 以上的几种分类方法中，1 3 种是常用的分类方法。 1 2 4 直线电机特点与应用 与其它非直线驱动的装置相比，直线电机驱动装置具有以下优点： 直线电机驱动系统小需要中间机械传动机构，由直线电机直接提供推力给负 载，消除了这些中间传动机构引起的消耗及产生的限制，对给定路径可以实现高 速、高精度跟踪和定位。 系统维护简单，可靠性好。 具有比传统旋转电机大得多的加、减速度。 行程长度不受限制。 1 3永磁同步电机概况 1 3 1 永磁材料的发展 按照一般习惯和工艺特征( 考虑到化学成分) ，早期使用的永磁材料通常可 分为下列几大类。 1 、马氏体钢 其优点是可以进行各种机械加工，缺点是矫顽力和磁能积都比较低，f 忙5 0 2 8 0 0 e ，b = 07 11 t ，( b 叼m 缸= 0 2 1 m g o e 。除老式永磁电机和磁滞电动机外， 目前已很少采用。 2 、铸造型铝镍和铝镍钴系永磁合金 这类磁钢是以铁铝镍( f e n ) 和铁镍铝钴( f e n i _ a i c o ) 为基础的合金， 其特点是剩磁密度和最大磁能积较高，但矫顽力偏小，h c = 2 0 0 9 0 0 0 e ，b 产0 4 13 5 t ，( 8 m 。可达1 3 5 m g - o e 。 这种材料的显著特点是温度系数小，ab ，仅为0 0 2 k _ 1 左右，因而目前被广 泛应用于仪器仪表等要求温度稳定性高的永磁电机中。 它的主要缺点是材料硬而脆，除磨加工和电火花加工外，不能进行其它机械 加工。 3 、可塑性变形( 可加工的) 永磁合金 这类磁钢的优点是可以进行机械加 二。现有铁基合金如铁钴钼、铁钴钨，铁 钴钒和铁锰钛台金，铜基合金如铜镍铁、铜镍钴，在铁铬钻中加钼和硅的新合金 等品种，大都做成磁滞材料而用于磁滞电动机。 4 、粉末永磁材料 该材料是将合金制成粉末后采用粉末冶金法烧结或粉末压制法粘结而成的， 如铝镍和铝镍钴系、铜镍钴等台金。优点是可以直接压制成所需形状，工岂简单， 可节省原料；缺点是与同类铸造型合金相比，磁性能稍低。 5 、单畴微粉永磁材料 它是由金属或合金的粉末在一定条件下压制而成的，微粉的颗粒只有单畴大 小( 一般为1 0 0 1 微米) 。包括锰铋合金、球形微铁粉和铁钴粉、针状微铁粉 和铁钻粉三种，同样可以直接压制成所需形状，( b 功。为35 5 m g o e 。 6 铁氧体 这是一种价格低廉、质量较轻的非金属永磁材料，主要有钡铁氧体和锶铁氧 体。它的突出优点除了上述的价格和质量因素外，还有：矫顽力大，h c = 1 6 4 0 k o e ，抗去磁能力较强；去磁曲线大部分接近直线，直线部分与回复直线基本 上重合。它是日前应用最广泛的电机永磁材料。 它的缺点同样也很突出，如：剩磁密度低，仅为0 2 0 4 4 t ；最大磁能积较 低，为0 8 50m g 0 e ；温度系数ob r 大，为- ( 0 侣0 2 0 ) k - 1 。 值得注意的是，铁氧体的矫顽力温度系数为正值，范围是( 0 4 0 6 ) k _ 1 。 7 、稀土钴 稀土钴是6 0 7 0 年代兴起的性能优异的永磁材料，其特点是剩磁密度、矫 顽力和最大磁能积都很高，8 ，= 0 8 5 1 1 5 t ，h c = 60 1 0 o k o e ，( b h j 。= 9 0 3 25 m g o e 。它的去磁曲线基本上是一条直线，与回复直线也基本重合。它的温 度系数通常为- 0 0 3 k 1 左右，并且居里温度高达7 1 0 8 8 0 0 c 。稀土钴的磁稳定性 是各种材料中最好的，适用于高性能永磁电机。只是它的价格昂贵，多用于航天 等特殊场合中。该永磁材料的主要品种有铂钴、钐钴等，其中1 ：5 型( r c 0 5 ) 永磁 体称为第一代稀土永磁材料，1 9 7 3 年开始出现的2 ：1 7 型( r 2 c 0 1 7 ) 永磁体称为第 二代稀土永磁材料。 8 、新型稀土永磁材料钕铁硼 1 9 8 3 年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功第三代稀 土永磁材料钕铁硼，在世界上引起轰动。钕铁硼是一种高性能的永磁材料，室温 下剩余磁感应强度可高达1 4 7 t ，矫顽力可高达1 2 4 k o e ，最大磁能积可高达 6 0 m g o e ，是日前磁性能最好的永磁材料。由于钕在稀土中的含量是钐的十几 倍，铁、硼的价格便宜，而且不含战略物资钻，因此钕铁硼的价格比稀土钴便宜 得多。自从问世以来，钕铁硼在工业和民用的永磁电机中迅速得推广应用。 钕铁硼的缺点是居里温度较低，一般为3 1 0 4 1 0 0 c 左右；温度系数较高， ab ，可达- 0 1 3 k 1 。这样，它的使用工作温度就受到了限制。另外，由于含有大 量铁和钕，容易锈蚀也是它的一大缺点。 由于钕铁硼的温度系数较高，它的热稳定性就较差。一般的钕铁硼材料在高 温f 使用时，其去磁曲线的下半部分要产生弯曲，见图3 不同温度下钕铁硼的 去磁曲线所示，a 为弯曲开始的拐点。 图3 不同温度下钕铁硼的去磁曲线 假设永磁体的工作温度为1 5 0 0 c ，正常工作时其工作点位于回复直线ab r 上。 如果在电机运行过程中，有很大的去磁电流产生，如三相短路电流，永磁体的t 作点将大幅度下移，甚至移过a 点，到达c 点。这样，当电机重新稳态运行时， 永磁体的工作点就将在新的回复直线c b ? 上来回移动，同样磁场强度下对应的磁 感应强度将减小，从而造成了不可逆的磁性能损失。所以，在电机设计时必须对 永磁体最低工作点进行校核，使其不低于去磁曲线的拐点。 1 3 2 使用永磁材料的注意事项 制造较高性能永磁同步电动机对永磁材料的一般要求是：最大磁能积( b 卅一 要大；玄磁曲线线性化；矫顽力h c 要大，以提高抗去磁能力；剩磁密度b ，要大， 以提供足够的电机气隙磁通密度；可逆磁导率 ，要小，一般口r 越小，h c 越大； 温度系数ab ，要小；居里温度要高；制造工艺应适合永磁体的形状和需要，如多 极成形永磁体应尽量使用各向同性材料，两极永磁体使用各向异性材料，工作磁 通要求均匀时应采用粉末冶金方法制成的材料等。 目前，永磁材料的应用中还存在一些问题，主要是由于加工工艺和测试手段 的不完善，造成永磁材料在使用中的实际特性参数与生产厂家给出的不一致。永 磁材料的磁性能不仅与温度有关，而且还与它的形状尺寸等因素有关。但是，多 数厂家所提供的材料去磁曲线都只有在常温下测得的，而且所有性能数据都是以 特定形状和尺寸的试样为对象来取得，这样就给电机设计工作带来了不利影响。 1 3 3 永磁同步电机的原理 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供 的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费 用，省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性，又因无需 励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。冈而它是近年来 研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。 永磁同步电动机分类方法比较多；按工作主磁场方向的下同，分为径向磁场 式和轴向磁场式：按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式和外转子式：按转子 有没有起动绕组型可以分为：无起动绕组的电动机( 用于变频器供电的场合，随 着频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称调速永磁同步电 动机) 和有起动绕组的电动机( 既可用于调速运行又可在某一频率和电压下利用 起动绕组所产生的异步转距起动，常称为异步起动永磁同步电动机：按反电势波 形的下同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机( 简称永磁同 步电动机) 。 永磁同步电动机也由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应电动 机基本相同，也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做成实 心的，也可以用铁片叠压而成。电枢绕组既有采用集中整距绕组的，也有采用分 布短距绕组和非常规绕组的。一般来说，矩形波永磁同步电动机通常采用集中整 距绕组，而正弦波永磁同步电动机更常采用分布短距绕组、在一些正弦波电流控 制永磁同步电动机中，为了减小绕组产生的磁动势空间谐波，使之更接近正弦分 布以提高电动机的有关桂能，采用了一些非常规绕组，如正弦绕组，可大大减小 电动机转矩纹波，提高电动机运行平稳性。为减小电动机杂散损耗。定予绕组通 常采用星形接法。永磁同步电动机的气隙长应是一个非常关键的尺寸，尽管它对 这类电动机的无功电流的影响不如对感应电动机那 x 美国的k o l l m o f g e n 公司是世界上著名的工业运动控制厂家，其提供的永磁式 直线伺服电机有两大类型。一种是动子无铁心结构。具有极高的动态性能，在速 度低于6 0u m m i n 时仍然能平滑运动。另一种是动子有铁心结构，可获得高达 8 0 0 0 n 推力。由于永磁体采用了模块化设汁，定子的长度可根据用户需要加长， 可达到1 0 0 0 m m 以上，最高速度可达3 0 0 m m i n 。 美国a n o r a d 公司是世界上最大的直线电机供应商之一，从二十世纪八十年 代初开始研制直线电机，主导产品是正弦波永磁交流直线电机和方波无刷直流直 线电机，其应用的典型实例是二十世纪九十年代为美国l n g e r s o 铣床公司生产的 高速卧式加t 中心h v m 8 0 0 和x ，y ，z 轴均采用永磁直线同步伺服电动机驱动 的h v m 6 0 0 。其最大进给速度为7 6 2 m m 加速度为1 - 1 5 9 。这轰动了当时的国际 机床界，被誉为世界机床技术的新高峰。 日本三井精机公司生产的高速t 具磨床，采用直线电机驱动z 轴，其上下 移动的频率可达4 0 0 次m i n ( 行程为2 5 m m ) ，最高加速度为2 3 9 。 日本s 0 d i c k 公司将直线电机应用于电火花机床，推出了装配直线电机的a q 系列电火花成形机和线切割机。可在0 。0 0 0 1m m 的控制当量的条件下将轴的运 动速度提高到3 6 m f m i n ，最大加速度达到1 2 9 。这样的技术指标使新一代的电火 花成形机兼具了高速 x 相绕组的电源连线，使行波磁场反向传播，从而实现动子的反方向运动。根据这 一原理，可使永磁直线同步电机作往复直线运动。 图9 2 2 永磁直线同步电机驱动控制系统数学模型 在永磁直线同步电机的控制中，通常假设磁场正弦分布，三相绕组对称，直 线电机的电磁推力与q 轴电流成正比。但是由于端部效应，三相绕组不对称，因 此，永磁直线同步电机的数学模型需要重新建立。伺服电机大都采用电流矢量控 制，这时永磁直线同步电机的性能也需要重新分析。 为了简化分析，作如下假设： 1 】磁饱和效应和涡流损耗忽略小计： 2 ) 不考虑温度和频率变化对电机参数的影响： 3 ) 不考虑电源引起的电压和电流谐波。 1 。稳态矢量图 q j q 厶屯 5 爿 挣| 沁 k i qt 州 o 图1 0 d 波；p m s m 的绕组为分布式的，绕组反电动势为正弦波。电机要正常运行，就必 须对其施以合适的电压或电流。由于电机是无刷的，它无法自动换相，因此需要 设法获取转子的位置信息，再根据这个信息来给p w m 逆变器发出准确的控制信 号，使电机能持续运行下古。 传统的获取转子位置信息的方法是采用电子式或机电式位置传感器直接测 量，如霍尔效应器件( h e d ) 、光学编码器、旋转变压器等。然而，这些传感器有 的分辨率低或运行特性不好，有的对环境条件很敏感，如振动、潮湿和温度变化 都会使性能下降，使得整个传动系统的可靠性难以得到保证。传感器还大大增加 了电气连接线数目，给抗丁扰设引带来一定困难。 由于直线电机直接产生直线运动，所以一些旋转电机上采用的传感器无法直 接在直线电机上采用。直线电机的位置检测的主要难点在于直线行程较长，如果 在直线运动的全程都加上位置检测装置，成奉太高，难以实现。 在精确的位置伺服系统中，位置传感器也占了整个系统成本的一大部分；有 些传动系统由于空间有限，没有安装传感器的余地。由于传感器有上述诸多缺点， 近十多年来，关于消除位置或速度传感器的设想引起了广大研究人员的极大兴 趣，并已有许多实用方案。然而各种方案都有其优缺点，并不适用于所有电机。 无传感器位置检测和无传感器速度检测是研究热点。 2 3 2 开环运行的稳定性 有研究表明，永磁同步调速驱动系统开环运行( 特别是中频冲速下运行) 常常难蚍稳定，但如果驱动系统在固定的滞后功率因数下运行，则可以在整个速 度范围内保持稳定 2 3 3 恒u 胛运行中存在的问题 对于人为设定的恒u f 曲线，不可能在全频段范围内使永磁电机( 转子磁场 4 i 可调) 运行在正常工作状态( 功率因素为1 ) ，可能会出现过励或者欠励状态， 产生去磁或者增磁电枢反应，使得电机电流增大和电动机效率降低，甚至会引起 震荡或者造成失步。 解决方法：检测电压相位角和电流相位角，从而得到功率因数角，根据功率 因数角来作为闭环控制信号去调宽，既可以得到自适应的u f 曲线，使电机低损 耗、高效率、稳定运行。 沿径向剖开，然后将电机的圆周展成平面，因而其工作原理也与旋转电机相似。 上面介绍的永磁同步旋转电机转子磁链定向的控制策略同样适用于永磁直线同 步电机，只要在实际应用中考虑行程控制等特殊情况即可。根据上述的控制策略 思想，本文设计+ 了永磁直线同步电机控制系统的原理框图如图1 2 所示。 图1 2 永磁直线同步电机控制系统原理框图 由图1 2 可知，本系统是由位置、速度与电流三闭环所组成，最外环“位置 控制器”实现对电机的行程控制；其位置反馈信号及速度环的速度反馈信号来自 与电机动子同步移动的位置传感器i 内环电流环是据派克变换原理以及一系列坐 标变换后对电流的两个分量分别进行调节控制：最终采用s v p w m 对逆变器进行 脉宽调制。 2 4 3 硬件系统 综合考虑控制器工作可靠性与成本，主电路采用交一直一交变换、三相桥式逆 变电路。主开关管选用高频开关大功率l g b t 。 1 、可靠的保护电路是保障控制系统稳定运行的必要条件，本控制器从以下 几方面设计可靠的保护电路： 逆变器故障保护 逆变开关管缓冲电路 直流母线短路保护、过压保护、欠压保护、过流保护 三相桥臂过流保护 2 、e m c 电路： 输入回路e m c 电路 输出回路线上e m c 高频e m l ，采用良好的p c b 布线和屏蔽罩防护 2 。4 4 软件系统 系统软件包括初始化程序、主程序、初始定位子程序、中断服务子程序和串 行通讯子程序5 个部分。系统在复位后，首先执行初始化程序，实现对d s p 内 部各功能模块工作模式的设定和初始状态的检测；然后执行主程序，开肩定时中 断、外部保护中断、捕获中断及初始定位子程序；获得动子的准确的初始位置后， 进入真正的运行状态，系统的功能主要由定时中断子程序来完成。 定时中断子程序的执行时间间隔为1 0 0 u s ，这个时间问隔通常与p w m 的调制 频率以及所用的功率器件的开关频率有关。通过对定时中断子程序的循环执行， 即通过对矢量控制算法的循环执行，就实现了对直线电机的速度和行程的控制。 2 4 5 直线永磁电机位置和速度检测技术 直线电机的位置检测难度要大于传统旋转电机。本控制系统采用基于嵌入式 安装的线性霍尔传感元件，也可以外加编码器。由于永磁体所产生的气隙磁场在 空间上呈周期性分布，磁场大小在一个极距内近似呈正弦规律变化，所以通过检 测线性霍尔传感元件感应到的磁场大小，就可以确定当前线性霍尔传感器与永磁 体的相对位置。 直线永磁电机的启动策略： 为了避免永磁电机启动瞬间的转矩跳动或者启动失败，本控制系统在直线电 机开始运动之前，先榆测永磁体位置。从而在启动时，产生合适的牵引磁场。 安装在电机本体上的位置检测和反馈环节，将线性霍尔传感器信号转换为相 对位置信号。同时为了方便d s p 处理，将相对的位置信号转化为1 个周期内的 c o s ，s l n 正弦余弦信号。d s p 内部控制可以直接采用电机位置的正弦余弦信号。 电机运行过程中累积往一个方向的位置周期信号。第一次运行时，从端部运 行，从而电机可以始终控制运行的当前绝对位置。 1 9 第3 章永磁直线同步电机控制系统的位 置检测技术 3 1初始位置检测对于永磁电机运行的影响 永磁直线同步电机，与普通旋转式永磁同步电机一样，动子位置未知的情况 下是不能自启动的。永磁同步电机如果启动时不能确定动子位置，那么可能会在 电机启动时发生反转、抖动，严重的情况甚至会导致启动失败，也有可能影响系 统启动以后的运行性能。 为了检测动子位置，传统的方法有两种方案。一种是增加额外的位置传感器； 另种是不加位置传感器，任一相通电，将动子的一极吸至该相吸引力最大处， 再开始正常运动。后一种方法会在电机正常运行之前产生额外的位移。而增加位 置传感元器件，不仅加工困难、成本增加，而且传感器本身会带来系统的不可靠 性，这在一些环境比较恶劣的条件下更是不允许的。 图1 3 初始位置示意图 3 2有传感器位置检测方案 1 光电编码器 目前应用最广的是利用光电转换原理构成的非接触式光电编码器。由于其精 度高，可靠性好，性能稳定，体积小和使用方便，在自动测量和自动控制技术中 得到了广泛的应用。 光电编码器的码盘通常是一块光学玻璃。玻璃上刻有透光和不透光的图形。它们 相当于接触式编码器码盘上的导电区和绝缘区，如图1 0 2 所示。编码器光源产生 的光经光学系统形成一束平行光投射在码盘上，并与位于码盘另一面成径向排列 的光敏元件相耦合。码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，对应每一码道有一 个光敏元件。当码盘处于1 i 同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换输出相应 的电平信号。 2 0 擎 a 绝对编码器 光学码盘通常用照相腐蚀法制作。现已生产出径向线宽为67 x 2 - 8 阳d a 的码， 其精度高达1 1 0 8 。与其它编码器一样，光码盘的精度决定了光电编码器的精度。 为此，不仅要求码盘分度精确，而且要求它在阴暗交替处有陡峭的边缘，以便减 少逻辑“0 ”和4 1 ”相互转换时引起的噪声。这要求光学投影精确，并采用材质精细的 码盘材料。目前，光电编码器大多采用格雷码盘，输出信号可用硬件或软件进行 二进制转换。光源采用发光二极管，光敏元件为硅光电池或光电晶体管。光敏元 件的输出信号经放大及整形电路，得到具有足够高的电平与接近理想方波的信 号。为了尽可能减少干扰噪声，通常放大及整形电路都装在编码器的壳体内。此 外，由于光敏元件及电路的滞后特性，使输出波形有一定的时间滞后，限制了最 大使用转速。 b ，增量编码器 绝对编码器在转轴的任意位置都可给出一个固定的与位置相对应的数字码 输出。对于一个具有n 位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有n 条码道。而对 于增量编码器，其码盘要比绝对编码器码盘简单得多，一般只需三条码道。这里 的码道实际上已1 i 具有绝对码盘码道的意义。 在增量编码器码盘最外圈的码道上均布有相当数量的透光与不透光的扇形 区，这是用来产生计数脉冲的增量码道。扇形区的多少决定了编码器的分辨率， 扇形区越多，分辨率越高。例如，一个每转5 0 0 0 脉冲的增量编码器，其码盘的 增量码道上共有5 0 0 0 个透光和不透光扇形区。中间一圈码道上有与外圈码道相 同数日的扇形区，但错开半个扇形区，作为辨向码道。在正转时，增量计数脉冲 波形超前辨向脉冲波形t t 2 ；反转时，增量计数脉冲滞后州2 。这种辨向方法与光 栅的辨向原理相同。同样，用这两个相位差为州2 的脉冲输出可进一步作细分。 第三闷码道上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置，所产生的脉冲信号 将给计数系统提供一个初始的零位( 清零) 信号。与绝对编码器类似，增量编码器 的精度主要取决于码盘本身的精度。用于光电绝对编码器的技术，大部分也适用 于光电增量编码器。 图1 4 是一个增量式光码盘的示意图，光码盘上共有3 条码道，每条码道上 均匀分布了一定数量的透光窗口( 狭缝) ，窗口的宽度和窗口之间的间隔宽度相等。 光线照射时，透光处输出信号为“1 ”，而不透光处输出信号为“0 ”。光码盘的 最外圈码道( 码道a ) 用于产生计数脉冲，其中窗口的数量代表光码盘的分辨率， 1 0 0 0 p r 意味着光码盘旋转一周输出1 0 0 0 个脉冲，即码道a 上均匀分布着1 0 0 0 个透光窗口。中间一圈为辨向码道( 码道b ) ，它具有与码道a 相同数日的窗口， 但窗口的位置与码道a 错开半个窗口。当码盘正转时，计数脉冲波形超前辨向脉 冲波形( 如图1 4 所示) ；当码盘反转时，计数脉冲波形滞后辨向脉冲波形。内圈 电阻值，将磁链计算出来。有文献就是利用这一特点来得到转子的位置或速度估 讣值。根据电机在静止的、旋转的d q 轴模型与a b c 坐标变量之间的关系。经 过一系列公式推导得出了电机的速度表达式，再进步可算出位置值。这些表达 式只是变化的电压、电流的函数。定子电阻和交直轴电感都假定不变的。利用这 种方法还可估计出转子在静止时的初始位置。 另外有一种方法直接对电机在a b c 坐标系下的模型进行分析，将微分方程转 化为差分方程，用前三步的位置估计值来预测下一步的位置。在每个估算周期对 线电流值估计两次，一次用于校正位置值，一次用于校正磁链值。因此这种方法 有较高的准确度，对测量误差和参数变化也不很敏感。这种算法已用于b l d c 和 p m s m 的位置估计，取得了很好的效果。也可以对具体的某台电机先找出其磁链 一电流一位置特性对照表，再根据估计的磁链和测出的电流查表得出转子位置， 这样运算量将减少。 3 假想坐标系法 任何电机的方程均可在静止a b c 坐标系或与转子同步旋转的d q 坐标系下 表示。假想坐标系法就是假设还有一个旋转的坐标系，也叫做估计坐标系，它与 d q 坐标系有位置差a ，这就是 x 稳定性直接影响到位置估计的准确性。因此现在单纯的观测器很少直接用于位置 估计。有文献采用静止坐标系下的定子电流作为状态变量，建立了包括参数变化 等扰动在内的状态方程，由此构造一个滑模观测器，令电流估计值和实际值之差 为开关函数，即为滑动超平面。由滑动模的存在条件可解出开关增益的范围。该 文绘出了在晟恶劣情况下存在的开关增益表达式及仿真结果文献针对机器人手 臂直接驱动系统是非线性的特点。设计了非线性速度观测器对速度进行观测，再 利用融合了被测积分器反步法和非线性阻尼的部分状态反馈控制器对位置和速 度进行闭环控制。形成一个位置一速度跟踪系统。该文证明了其跟踪误差是全局 指数稳定的。实验表明，这个系统对正弦轨迹的跟踪误差令人满意。其致命缺点 是需要整个电机系统的精确模型知识。观测器法必须对系统增益进行优化，即确 定在各种负载条件下的最优增益，这是比较困难的状态的初始条件对观测器的 收敛性也影响很大 5 卡尔曼滤波法 卡尔曼滤波器是动态非线性系统在最小二乘意义下的最优状态估计器，也即 状态变量的最小方差估计器对于含零均值自高斯噪声项的系统状态方程及量测 方程，卡尔曼滤波器通过预测一滤波两步骤，可以很好地消除噪声影响，给出最 优状态估计值。有文献采用了扩展卡尔曼滤波器来对电机的转子、速度等进行状 态估计。两者均以定子在静止a b 坐标系下的两个分量。转子角速度和位置作 为状态变量，建立起系统的扩展状态方程，这样电流的导数与电流、电压呈线性 关系。有些文献采用了一种计算量相对较小的算法，将所有变量化为小于1 的值， 以利于作定点数运算，并将舍入误差和截断误差也计入到系统噪声，仿真和实验 结果表明，这种算法可用于位置和速度实时估计。 扩展卡尔曼滤波器一般计算量大。对系统参数敏感以及需要初始位置信息， 这些缺点阻碍了它的实际应用。 有文献应用了目前较先进的浮点d s p ，速度达每秒几十m f l o p s ，足以解决 计算量大的问题。它的电机动态模型是在所谓“无穷大惯量的假设条件下得到 的。故与机械参数( 含负载转矩) 无关，使参数敏感性问题得到解决。另外它把初 始状态看作高斯型随机向量，其均值为零向量。这样初始值也对以后的状态无关。 借助d s p 的强大计算功能，该系统能在1 1 0 的额定转速以上与期望值基本一致， 采样频率可达1 0 川 x 电势同步。根据这一原理就可以找出每一时刻的动子位置。 本文应用的线性霍尔元件为3 5 0 3 型，图中所示为内部结构图和外形图。表 为3 5 0 3 的参数。 图1 63 5 0 3 线| 生霍尔元件 表13 5 0 3 线性霍尔元件参数 参数 符号 ；i 燮景勇藿值 “ 单缝 最小：纂型谶繁曩 毫 电源电流l c c9 01 4m a 静态输出电压v 022 52 527 5 v 灵敏度s7 52 5 0m v f m t 输出端上限电压 v t4 24 2 54 3v 输出端下限电压 v l 07 5 10 012v 为了获得绝对位置信号，还需要添加绝对位置检测元件。本文采用的是霍尔 接近开关。霍尔接近开关装在直线电机的两侧，以获得绝对位置。当直线电机在 中间运动状态时，它的位置信号通过线性霍尔测得的绝对位置信号累加得到。 霍尔接近开关是应用霍尔效应原理开发的新型自动化开关器件。按工作状态 分为三类：t j - k 常开型t j b 常闭型，t j - z 自锁型。 图1 7 霍尔接近开关外形图 表格25 0 0 2 霍尔开关参数 ”。l i ”，嚣 ”1 i 5 1 r 7 0 1ic i 。n 、。：。l ，n 。1 “。l 墨 推土l 也 譬 1 ； ：。 i ；等彳i 擘亨_ ”j 警亍 麟磁缨弛f 箔 等毫 ；j 嬲嬲瓣己劳 l ! | 图18 线性霍尔测得正交位置信号反馈 c h l i ：l 1 帕u ，诅i ” c z i ：i d cr u l l e d 啦c l l l ， 0 呻u 图1 9 图2 0 图侣线性霍尔测得正交位置信号反馈、图1 9 、图2 0 中是实测的线性霍 尔信号正弦信号和余弦信号。线性度和灵敏度是令人满意的。 第4 章永磁直线同步电机控制系统的硬 件电路设计 4 桓；囊f i 囊垂i 鋈”i ； 拍瓣辎。啪涵砸添罐淄罐f j 哲辫 国；罐潦薯；蕈i 原理蘩婵驸强；娟蓊嬲蚪躲。副甜拌蓦影扎釜龇再鞘烈i 萋争 毫荟l l i 引剖笋扛g i 黜缎螺甜瞄。榴翌饕弘静酗骶骈醵翳鲜“鳢销ji j 塞萋“ 够t _ 翥施靼j 薯增：臻灞懒滋强蚓i 若嚣组成的霍尔编码阵列协调t 作。磁栅 编码阵列和霍尔编码阵列形成该传感器的两个必不可少的单元，其中，磁栅编码 阵列单元称之为“静磁栅源”，霍尔编码阵列单元称之为“静磁栅尺“，当“静磁栅源。 保持一定间隙沿“静磁栅尺”轴线表面移动时，由4 静磁栅尺”实时解析出毫米级示值 误差的位移量数字信号。机理有如“游标卡尺”，游标卡尺1 毫米的刻度可以辨别 出00 2 毫米，其分辨率提高了5 0 倍。磁栅编码阵列间距和霍尔编码阵列间距不 同，有如游标卡尺上下差分滑尺的不同刻度，再经过一套反复推演的算法，使得 静磁栅绝对编码器的分辨率可达0 2 5 毫米或者更小。 请注意，霍尔编码阵列元件只有开和关两种状态。由于物理位置不同，每只霍尔 开关元件含有不同的位置信息，通过计算机高速扫描辨识，实现了