[發(fā)明專利]一種永磁直線電機(jī)用無位置傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310480463.8
• 申請(qǐng)日: 2013-10-15
• 公開（公告）號(hào): CN103501151A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 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)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): H02P21/14
• 分類號(hào): H02P21/14
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術(shù)領(lǐng)域

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)

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。

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

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。

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：

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：

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)值收斂于真實(shí)值θ_r1，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?？刂坪瘮?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。

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：