王利;卢琴芬;叶云岳
【摘 要】In order to estimate mover position and speed of permanent linear synchronous motor (PMLSM) without position sensor, position sensing via flux linkage variation had been used. During the calculation, mean value of flux linkage was used twice to eliminate the flux linkage drift caused by open-loop electromotive force ( EMF) integration instead of traditional filter, and dead-time compensation algorithm was adopted to reduce the difference between calculated and actual phase voltage. Control circuit was built to research air-cored PMLSM, estimation error was analyzed during the operation from 1 Hz to 5Hz, and influence of motor parameters like resistance and inductance were analyzed finally. By measurement, root mean square error of mover position estimation reduced to 0.0240 rad at 3 Hz. It is showed mover information of PMLSM could be obtained based on flux linkage variation.%为了获取无位置传感器伺服系统中永磁直线同步电机的动子位置和速度,采用基于磁链变化的动子位置检测方法,利用两次磁链中值代替传统滤波器来快速 消除反电势纯积分造成的磁链漂移现象,并采用死区补偿算法解决低速状态下重构相电压与实际相电压差值较大的问题.以空心式永磁直线电机为研究对象,分析1 ～5 Hz运行时的动子位置估算误差,以及电机参数对动子位置估算结果的影响.通过实验测得当运行速度为3 Hz时动子位置估算结果的均方根误差为0.024 rad,误差较小.实验结果表明,基于磁链变化的动子位置估算方法能够获得永磁直线电机在低速运行时的动子位置信息.
【期刊名称】《电机与控制学报》
【年(卷),期】2012(016)006
【总页数】6页(P7-12)
【关键词】直线电机;动子位置辨识;无位置传感器控制;矢量控制;反电势
【作 者】王利;卢琴芬;叶云岳
【作者单位】浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027
【正文语种】中 文
【中图分类】TM359.4
0 引言
直线电机可以将电能直接转变为直线运动的机械能，省去了齿轮、链条等中间传动机构，可以极大地简化系统结构，降低传动损耗［1］。其中永磁直线同步电机具有体积小、推力密度高等优点，因而广泛应用于伺服控制系统中。
交流调速系统中，为了实现高精确度的速度和位置控制，常采用矢量控制或者直接转矩控制。无论哪种控制方式，都需要高精确度的电机速度和位置信息，这些信息通常由光电编码器、测速发电机、旋转变压器等传感器获取。直线电机一般使用直线光栅检测动子速度和位置，加装这些传感器增加了系统的成本和复杂性，降低了系统的机械抗干扰能力，而且速度和位置传感器对安装环境要求较高，比如直线光栅对安装面的平整度要求非常高［2］。
针对机械式的位置和速度传感器在某些应用场合受限的情况，近些年研究人员提出了多种
无位置传感器旋转电机转子位置估算方法。如基于反电势的反电势观测法，基于永磁同步电机凸极效应的高频信号注入法，基于状态观测器的自适应观测器法和卡尔曼滤波器法等［3－7］。基于反电势的转子位置估算方法的优点是计算量小，易于实现，但是电机低速运行时反电势很小，而且转子磁链对定子阻抗变化敏感，导致该方法在低速运行时的电机转子位置估算精确度有所下降。高频信号注入法基于电机的凸极效应(固有凸极或饱和凸极)估算转子位置，这种方法要求电机的凸极效应比较明显，对于表贴式一类凸极效应不明显的隐极电机，该方法的转子位置估算精确度不理想，此外高频信号注入法还需要额外的滤波器，滤波器的设计是高频信号注入法应用的难点。基于状态观测器的方法具有较好的鲁棒性，不过实时计算量大，动态性能差于前两者。
基于磁链变化的转子位置检测方法是反电势观测法的延伸，也可称为反电势积分法，这种方法同样具有易于实现的优点，不过在低频下转子(直线电机为动子)位置估算结果容易受到干扰［8］。直线电机一般在较低的频率下即可达到较高的直线速度，所以大多数直线电机伺服系统实际运行频率都比较低，反电势比较小，这增大了反电势积分法应用时有效信号的提取难度，目前对该算法的研究大多数还是针对较高运行频率的直线电机［9－11］，如何提高直线电机低频运行时的动子位置估算精确度是反电势积分法研究的重点和难点。
本文针对空心式永磁直线同步电机的动子位置和速度估算进行研究，对直线电机低速运行时出现的磁链漂移问题进行分析，通过磁链中值和死区补偿算法有效解决了反电势积分引起的磁链漂移问题，提高了直线电机低速运行时的动子位置估算精确度，最后分析了电机参数变化对动子位置估算精确度的影响。
1 基于反电势积分的动子位置估算算法
在α－β静止坐标系下，永磁同步电机的电压方程［12－14］为
磁链方程为
式中:uα、uβ，iα、iβ，ψα、ψβ 分别为定子电压，电流和磁链在α－β坐标系下的分量;Rs为定子电阻;ψPM为永磁体磁链;Ld、Lq为定子绕组的d、q轴电感;θr为动子位置。
对于隐极式永磁直线电机，L2≈0，定子电压方程可以简化为
定义L1和L2分别为
定子磁链则可表示为
式中:ωr为角速度;v为速度;τ为电机极距。
2 永磁直线电机矢量控制
矢量控制是应用最为广泛的永磁同步电机控制策略，其中采用转子磁场定向的矢量控制可以实现转矩电流分量和励磁电流分量的解耦控制。矢量控制的类型包括id=0控制，最大转矩电流比控制，cosφ=1控制等，其中id=0矢量控制的思想就是使定子电流中只含交轴分量，这种控制方法具有算法简单、转矩性能好等优点，广泛应用于电机调速系统中。
图1为无位置传感器矢量控制原理图，PMLSM为空心式永磁直线同步电机，采用id=0的动子磁场定向矢量控制策略，实现电流，速度双闭环控制。动子位置信息由动子位置估算器获得。速度偏差作为速度调节器的输入，速度调节器的输出作为电流调节器的输入，电流调节器的输出经过空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)得到三相全桥各个全控管的开关状态，由此驱动智能功率模块(intelligent power modules，IPM)输出幅值和频率可调的斩波电压，使直线电机跟随指定速度运动。
图1 永磁直线电机无位置传感器矢量控制系统Fig．1 PMLSM sensorless vector control system
3 实验及结果分析
3．1 实验平台
实验电机为空心式圆筒永磁直线电机。电机电感Ld=16 mH，Lq=18.5 mH，电枢相电阻 Rs=15.82 Ω，极距τ=0.025 5 m，反电势常数为30 V/(m/s)，推力常数为90 N/A。电流传感器采用LEM公司的LTS 6－NP，选择量程范围为－3～3 A。功率模块为三菱DIPIPM－PS21564(15 A/600 V)。控制芯片采用TI的TMS320F28335浮点处理器。
3．2 磁链零漂的抑制
磁链由反电势积分获得，而开环反电势纯积分会带来积分漂移的问题，反电势信号中很小的直流分量都可能使积分器输出达到饱和。直流分量可以通过高通滤波器滤除，但是由于直线电机大多在低频下运行，很难设计恰当的高通滤波器只滤除直流分量而对实际的磁链不产生衰减，此外滤波器带来的信号延迟问题很难解决。针对直线电机的特殊性，本研究采用磁链中值法消除磁链漂移，具体实现方法为统计上个电机运行周期的磁链中值，实际磁链为反电势积分得到的磁链与上周期的磁链中值的差值，可以用式(9)描述这一过程，即
式中:ψint为反电势积分得到的磁链初始值;ψmean为磁链中值。
利用DSP统计上个电机运行周期的磁链最大值和最小值，两者的平均值即为磁链中值。设置电流采样频率为载波频率，磁链统计个数N应当满足
式中:fc为载皮频率;fr为调制波频率。
调制波频率和速度相关，由直线电机速度公式可知
式中vref为给定速度。实际程序中指定速度都需要经过斜坡函数处理，所以这里的给定速度为斜坡函数的输出速度。
磁链零漂消除结果如图2所示。图2中，ψαint为积分得到的初始磁链，ψα为采用磁链中值法处理之后的磁链结果。
图2 消除磁链漂移Fig．2 Elimination of flux linkage drift
