一种永磁直线电机用无位置传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种永磁直线电机用无位置传感器，在电机启动之前给逆变器通入指定的触发信号，求出相应的线电感值，并结合电机已有的电感参数进行计算，初步得出直线伺服电机的初始位置，随后立即通入高频电压判断出动子的磁极方向；电机启动之后，在低速段采用高频电压注入与重复控制器相结合的方法来实时检测动子位置，中高速段采用基于扩展反电动势模型的滑模观测器与饱和函数算法相结合来实时获取动子位置信息。本发明将初始位置检测方法、旋转高频注入法、重复控制和滑模观测器结合在一起，可以准确、有效的检测直线伺服电机的位置信息，克服了机械式传感器的存在带来的弊端，提高了系统的可靠性。
【专利说明】一种永磁直线电机用无位置传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种永磁直线电机用的无位置传感器，更为具体地说是一种将初始位置检测、滑模观测器、旋转高频电压注入和重复控制器相结合的无位置传感器。
【背景技术】
[0002]目前，由于数控加工领域在速度、加速度、精度以及工作行程方面的需求越来越高，新型数控机床逐渐趋向于采用直线永磁电机作为进给驱动电机以替代传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的进给方式，高性能的数控机床驱动系统广泛采用了矢量控制和直接转矩控制策略，他们都需要位置传感器提供转速与动子位置反馈信号。但是，一般情况下，数控机床采用机械式位置传感器来检测电机的转速和动子位置，如光电编码器和旋转变压器。然后，机械式传感器的存在带来了很多弊端:1)电机与控制器之间的连接元件增多，坑干扰能力变差，降低了系统可靠性；2)加大了电机空间尺寸和体积，减少了功率密度，增加了系统的硬件成本和维护成本；3)在高温与强腐蚀环境中，将使传感器性能变差、甚至失效，导致电机驱动系统无法正常工作。
[0003]众所研究成果表明，当电机转速高于一定的转速时，实现无位置传感器控制并不困难，但在起动、零速和低速运行时，实现转速和位置估计难度较大。从现有的技术可以看出，无位置传感器控制技术大致可以分为两大类:一类适用于中、高速，另一类适用于零速和低速。中、高速的控制方法大多基于电机基波模型，直接从反电动势中获取动子位置信息，相对容易实现。但在低速时反电势信号较小不易检测，特别是当电机静止时反电势为零，难以从反电势中获得动子位置。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了克服机械式传感器带来的弊端，同时解决零速和低速段位置检测难度较大问题，本发明目的是提供一种永磁直线电机用的无位置传感器，可以针对不同的速度段来选择检测方法并且将初始位置检测、滑模观测器、高频电压注入和重复控制器相结合，提高永磁直线电机以及应用永磁直线电机的数控机床进给驱动系统的稳定性、精确度和动态响应能力。
[0005]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]一种永磁直线电机用无位置传感器，包括初始位置检测模块、低速段位置检测模块、中高速段位置检测模块和过渡区域位置检测模块，永磁直线电机的动子位置角的估计值按照如下方法获得:
[0007]所述初始位置检测模块，首先通过对三相逆变器施加指定脉冲计算三相线电感值，然后结合电机每相绕组自感的平均值和每相绕组自感的二次谐波幅值初次估计出动子的初始位置，最后利用电机的凸极效应，通过向电枢绕组注入等宽电压脉冲信号判断动子的磁极方向；
[0008]所述低速段位置检测模块，采用旋转高频电压信号注入法对动子磁极位置进行检测，通过软件锁相环实现对负序高频电流的相位的跟踪，从而获取矢量角误差，同时采用PI调节器和重复控制器结合的方法调节矢量角误差使之趋于零，使得动子位置的估计值成丨收敛于真实值Θ…对士作时间微分以获得动子角速度<;
[0009]所述中高速段位置检测模块，采用滑模观测器获取动子位置信息，通过一个低通滤波器对滑模控制函数ζ进行滤波，得到等效反电动势，从而获得动子位置角估计值；
[0010]所述过渡区域位置检测模块，采用混合观测器获取动子位置信息，即低速段采用高频电压注入法与重复控制器相结合的方法来观测动子位置，中高速段采用滑模观测器来获取动子位置信息，过渡阶段通过两种方法的观测结果加以加权方式来确定混合观测器输出的动子位置角估计值。
[0011]在初始位置检测模块中，三相线电感值通过下述方法获得:
[0012]采用三相逆变器两两导通的控制方式，即每一时刻电机有两相导通，非导通相悬空，在相应两相导通时通过线电感计算模块计算相应两相间的电感为:
[0013]
【权利要求】
1.一种永磁直线电机用无位置传感器，其特征在于:包括初始位置检测模块、低速段位置检测模块、中高速段位置检测模块和过渡区域位置检测模块，永磁直线电机的动子位置角的估计值按照如下方法获得: 所述初始位置检测模块，首先通过对三相逆变器施加指定脉冲计算三相线电感值，然后结合电机每相绕组自感的平均值和每相绕组自感的二次谐波幅值初次估计出动子的初始位置，最后利用电机的凸极效应，通过向电枢绕组注入等宽电压脉冲信号判断动子的磁极方向； 所述低速段位置检测模块，采用旋转高频电压信号注入法对动子磁极位置进行检测，通过软件锁相环实现对负序高频电流的相位的跟踪，从而获取矢量角误差，同时采用PI调节器和重复控制器结合的方法调节矢量角误差使之趋于零，使得动子位置的估计值屯收敛于真实值对&作时间微分以获得动子角速度^; 所述中高速段位置检测模块，采用滑模观测器获取动子位置信息，通过一个低通滤波器对滑模控制函数Z进行滤波，得到等效反电动势，从而获得动子位置角估计值； 所述过渡区域位置检测模块，采用混合观测器获取动子位置信息，即低速段采用高频电压注入法与重复控制器相结合的方法来观测动子位置，中高速段采用滑模观测器来获取动子位置信息，过渡阶段通过两种方法的观测结果加以加权方式来确定混合观测器输出的动子位置角估计值。
2.根据权利要求1所述的永磁直线电机用无位置传感器，其特征在于:在初始位置检测模块中，三相线电感值通过下述方法获得: 采用三相逆变器两两导通的控制方式，即每一时刻电机有两相导通，非导通相悬空，在相应两相导通时通过线电感计算模块计算相应两相间的电感为:
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。为直流母线电压；Lab、La。和Lbe分别为AB相线电感、AC相线电感和BC相线电感；di/dt I on为电流上升的变化率；di/dt I off为电流下降的变化率；Θ r为动子初始位置角估计值。
3.根据权利要求1所述的永磁直线电机用无位置传感器，其特征在于:在初始位置检测模块中，三相线电感值，结合电机每相绕组自感的平均值和每相绕组自感的二次谐波幅值初步估计出动子的初始位置，具体方法为:
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分别为AB相线电感、AC相线电感和BC相线电感；L。为每相绕组自感的平均值，为电机已有参数，各相绕组自感的平均值相等；Lm为每相绕组自感的二次谐波幅值，为电机已有参数，各相绕组自感的二次谐波幅值相等为电机极对数；为动子初始位置角估计值。
4.根据权利要求1所述的永磁直线电机用无位置传感器，其特征在于:在初始位置检测模块中，利用电机的凸极效应，通过向电机的电枢绕组注入等宽电压脉冲信号判断动子的磁极方向，具体方法为: 给电枢绕组施加等宽电压脉冲:当电压脉冲方向与动子正方向相同时，电流形成的磁势会加深磁路的饱和，等效电感变小，从而电流幅值增大；当电压脉冲方向与动子正方向不相同时，电流形成的磁势会减小磁路的饱和，等效电感变大，从而电流幅值减小； 通过检测施加等宽电压脉冲后所产生的相电流响应的峰值的不同，判断出动子的磁极方向。
5.根据权利要求1所述的永磁直线电机用无位置传感器，其特征在于:所述低速段位置检测模块中，使用旋转高频电压信号注入法与重复控制器相结合的方法获取动子位置的估计值I，具体为: 设旋转高频电压信号的角频率为W1、幅值为Vsi，则旋转高频电压信号V表示为:
6.根据权利要求1所述的永磁直线电机用无位置传感器，其特征在于:所述中高速段位置检测模块中，采用滑模观测器获取动子位置信息，通过一个低通滤波器对滑模控制函数ζ进行滤波，得到等效反电动势，从而获得动子位置角估计值，具体方法为: 采用滑模观测器来获取动子位置信息，建立定子电流滑模观测器数学模型~力:
7.根据权利要求1所述的永磁直线电机用无位置传感器，其特征在于:所述过渡区域位置检测模块中，混合观测器输出的动子位置角估计值^表示为:
【文档编号】H02P21/14GK103501151SQ201310480463
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2013年10月15日
【发明者】余海涛, 孟高军, 胡敏强, 黄磊, 须晨凯, 张笑薇, 陈中显, 吴涛 申请人:东南大学