专利名称：凸极式永磁直线同步电动机功角测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于高性能、智能化仪器仪表领域，具体涉及一种凸极式永磁直线同步电动机的功角测量装置。
背景技术：
分段式永磁直线同步电动机因具有行程长、推力大、高效节能、工作安全可靠等优点，在运行距离远、推力要求大的运输和推进系统中发挥着越来越重要的作用。为了对电机的运行进行闭环控制，在高精度、高动态性能的控制中需要快捷、准确地得到电机的功角。 传统的功角测量方法大多采用机械传感器法和反电动势法。机械传感器法需要在动子上安装信号传感器，投资大，且信号线要往返移动，可靠性差。反电动势法是基于基波激励的方法，具有良好的动态性能，但对电机参数变化敏感，鲁棒性差，零速或低速时会因反电势过小根本无法检测而失败。
发明内容本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的不足而提出一种在任何运行状态下都可以得知永磁直线同步电动机功角的凸极式永磁直线同步电动机功角测量装置。本实用新型的技术方案是这样实现的一种凸极式永磁直线同步电动机功角测量装置，包括数字信号处理器、高频发生器、耦合电容器、电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第四电流传感器、带通滤波电路、差分电路、A/D转换电路，所述的数字信号处理器的PWMl引脚接高频发生器的输入端aO，所述的高频发生器的输出端 a2与耦合电容器的bl端相连接，高频发生器的输出端al与电压传感器的c2端相连接，电压传感器的c2端又分别与第一段定子绕组的中性点Ni、第二段定子绕组的中性点N2、第三段定子绕组的中性点N3、第四段定子绕组的中性点N4相连接，电压传感器的cl端与耦合电容器的端相连接，该耦合电容器的1^2端又与第一电流传感器的dl端、第二电流传感器的el端、第三电流传感器的fl端、第四电流传感器的gl端相连接，所述的第一电流传感器的d2端与开关Kl的hi端相连接，开关Kl的h2端与第一段定子绕组的jl端相连接，第二电流传感器的e2端与开关K2的h3端相连接，开关K2的h4端与第二段定子绕组的j2 端相连接，第三电流传感器的f2端与开关K3的h5端相连接，开关K3的h6端与第三段定子绕组的j3端相连接，第四电流传感器的g2端与开关K4的h7端相连接，开关K4的h8端与第四段定子绕组的j4端相连接；第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第四电流传感器和电压传感器均与带通滤波电路连接，该带通滤波电路与差分电路连接，差分电路与A/D转换电路连接，A/D转换电路的BVdd、GND分别接数字信号处理器的DVdd、AVss， A/D转换电路的56端、57端、58端均接数字信号处理器的95端，A/D转换电路的31端、29 端、27端、观端、51端分别接数字信号处理器的133端、40端、149端、观端、41端，A/D转换电路的 DBO 端、DBl 端、DB2 端、DB3 端、DB4 端、DB5 端、DB6 端、DB7 端、DB8 端、DB9 端、DBlO 端、DBll端、DB12端、DB13端、DB14端、DB15端分别接数字信号处理器(5) DO端、Dl端、D2端、D3 端、D4 端、D5 端、D6 端、D7 端、D8 端、D9 端、DlO 端、Dll 端、D12 端、D13 端、D14 端、 D15 端。所述的带通滤波电路由第一带通滤波电路、第二带通滤波电路、第三带通滤波电路、第四带通滤波电路、第五带通滤波电路组成，所述的差分电路由第一差分电路、第二差分电路、第三差分电路、第四差分电路、第五差分电路组成；所述的第一电流传感器的输出端ml接第一带通滤波电路的nl端，所述的第二电流传感器的输出端m2接第二带通滤波电路的n2端，所述的第三电流传感器的输出端m3接第三带通滤波电路的n3端，所述的第四电流传感器的输出端m4接第四带通滤波电路的n4端，所述的电压传感器的输出端c2端接第五带通滤波电路的n5端；所述的第一带通滤波电路的tl端接第一差分电路的pi端，所述的第二带通滤波电路的t2端接第二差分电路的p2端，所述的第三带通滤波电路的t3端接第三差分电路的P3端，所述的第四带通滤波电路的t4端接第四差分电路的p4端，所述的第五带通滤波电路的t5端接第五差分电路的p5端；所述的第一差分电路的11端接A/ D转换电路的A0，所述的第二差分电路的12端接A/D转换电路的Al，所述的第三差分电路的13端接A/D转换电路的B0，所述的第四差分电路的14端接A/D转换电路的Bi，所述的第五差分电路的15端接A/D转换电路的CO端。所述的第一带通滤波电路、第二带通滤波电路、第三带通滤波电路、第四带通滤波电路、第五带通滤波电路采用美国MAXIM公司开发的有源滤波器芯片MAX274实现。所述的高频发生器由缓冲与电平转换电路、低通滤波电路、减法电路输出电路依次连接而成，所述的缓冲与电平转换电路由芯片74HCT04与芯片6附37连接组成，所述的低通滤波电路采用简单的R-C电路，所述的减法电路采用美国AD公司的AD5M芯片，所述的高频发生器的输出电路采用对管TIP35C和TIP36C作为功率晶体管。所述的数字信号处理器采用TI公司生产的芯片TMS320F2812实现。所述的A/D转换电路采用TI公司生产的芯片ADS8364实现。所述的差分电路采用集成运算放大器实现。本实用新型能够测量包括零速在内全速度范围内永磁直线同步电动机的功角，具有结构简单、价格低廉、使用方便、稳定性好、测量精度高等优点。
图1为本实用新型的永磁直线同步电动机功角测量装置示意图。图2为本实用新型的永磁直线同步电动机功角测量装置的功角与动子位置角关系图。图3为本实用新型的永磁直线同步电动机功角测量装置的带通滤波电路的原理图。图4为本实用新型的永磁直线同步电动机功角测量装置的差分电路的原理图。
具体实施方式
如图1、2、3、4所示，本实用新型包括数字信号处理器5、高频发生器6、耦合电容器 7、电压传感器8、第一电流传感器12、第二电流传感器13、第三电流传感器14、第四电流传感器15、带通滤波电路9、差分电路10、A/D转换电路11，所述的数字信号处理器5的PWMl引脚接高频发生器6的输入端aO，所述的高频发生器6的输出端a2与耦合电容器7的bl 端相连接，高频发生器6的输出端al与电压传感器8的c2端相连接，电压传感器8的c2 端又分别与第一段定子绕组16的中性点Ni、第二段定子绕组17的中性点N2、第三段定子绕组18的中性点N3、第四段定子绕组19的中性点N4相连接，电压传感器8的cl端与耦合电容器7的1^2端相连接，该耦合电容器7的1^2端又与第一电流传感器12的dl端、第二电流传感器13的el端、第三电流传感器14的fl端、第四电流传感器15的gl端相连接， 所述的第一电流传感器的d2端与开关Kl的hi端相连接，开关Kl的h2端与第一段定子绕组16的jl端相连接，第二电流传感器13的e2端与开关K2的h3端相连接，开关K2的h4 端与第二段定子绕组17的j2端相连接，第三电流传感器14的f2端与开关K3的h5端相连接，开关K3的h6端与第三段定子绕组18的j3端相连接，第四电流传感器15的g2端与开关K4的h7端相连接，开关K4的h8端与第四段定子绕组19的j4端相连接；第一电流传感器12、第二电流传感器13、第三电流传感器14、第四电流传感器15和电压传感器8均与带通滤波电路9连接，该带通滤波电路9与差分电路10连接，差分电路10与A/D转换电路 11连接，A/D转换电路11的BVdd、GND分别接数字信号处理器5的DVdd、AVss, A/D转换电路 11的56端、57端、58端均接数字信号处理器5的95端，A/D转换电路11的31端、29端、 27端、观端、51端分别接数字信号处理器5的133端、40端、149端、观端、41端，A/D转换电路 11 的 DBO 端、DBl 端、DB2 端、DB3 端、DB4 端、DB5 端、DB6 端、DB7 端、DB8 端、DB9 端、 DBlO端、DBll端、DB12端、DB13端、DB14端、DB15端分别接数字信号处理器5D0端、Dl端、 D2 端、D3 端、D4 端、D5 端、D6 端、D7 端、D8 端、D9 端、DlO 端、Dll 端、D12 端、D13 端、D14 端、D15端。所述的带通滤波电路9由第一带通滤波电路、第二带通滤波电路、第三带通滤波电路、第四带通滤波电路、第五带通滤波电路组成，所述的差分电路10由第一差分电路、第二差分电路、第三差分电路、第四差分电路、第五差分电路组成；所述的第一电流传感器12 的输出端ml接第一带通滤波电路的nl端，所述的第二电流传感器13的输出端m2接第二带通滤波电路的n2端，所述的第三电流传感器14的输出端m3接第三带通滤波电路的n3端， 所述的第四电流传感器15的输出端m4接第四带通滤波电路的n4端，所述的电压传感器8 的输出端c2端接第五带通滤波电路的π5端；所述的第一带通滤波电路的tl端接第一差分电路的Pl端，所述的第二带通滤波电路的t2端接第二差分电路的p2端，所述的第三带通滤波电路的t3端接第三差分电路的p3端，所述的第四带通滤波电路的t4端接第四差分电路的P4端，所述的第五带通滤波电路的t5端接第五差分电路的p5端；所述的第一差分电路的11端接A/D转换电路11的A0，所述的第二差分电路的12端接A/D转换电路11的 Al，所述的第三差分电路的13端接A/D转换电路11的B0，所述的第四差分电路的14端接 A/D转换电路11的Bi，所述的第五差分电路的15端接A/D转换电路11的CO端。所述的第一带通滤波电路、第二带通滤波电路、第三带通滤波电路、第四带通滤波电路、第五带通滤波电路采用美国MAXIM公司开发的有源滤波器芯片MAX274实现。所述的高频发生器6由缓冲与电平转换电路、低通滤波电路、减法电路输出电路依次连接而成，所述的缓冲与电平转换电路由芯片74HCT04与芯片6N137连接组成，所述的低通滤波电路采用简单的R-C电路，所述的减法电路采用美国AD公司的AD5M芯片，所述的高频发生器的输出电路采用对管TIP35C和TIP36C作为功率晶体管。[0020]所述的数字信号处理器5采用TI公司生产的芯片TMS320F2812实现。所述的A/D转换电路11采用TI公司生产的芯片ADS8364实现。所述的差分电路10采用集成运算放大器实现。一种凸极式永磁直线同步电动机功角测量装置，包括高速数字信号处理器、高频发生器、耦合电容器、电压传感器、电流传感器、400Hz带通滤波电路、A/D转换电路。将高频电压发生器产生的400Hz高频信号通过耦合电容注入到各段定子的A相绕组上，根据电机的凸极效应(Ld兴Lq)、功角、高频电流三者之间的关系，实现对电机功角的检测。对于永磁直线同步电动机来讲，功率角可以等效为永磁直线同步电动机的空载电势Eo与直线电机的供电电压之间的相位差角。如果以定子a相绕组轴线为参考轴，则功率角等于动子永磁体在a相定子绕组中产生感应电势fe与电机a相绕组上的外加电压 fe之间的相位差角。根据三相电机的分析理论，其动子永磁体在三相定子绕组中产生感应电势为
^j=PyVaf=P(MafIf) =Px^hf = PiMhfIi) ecf =p%f=p(McfIf)
11
/Iv 永磁体与各相绕组的互感为
Muf =M0 CosC-X1) τ
Mhf =M0 cos(-x, -
T
η π
Mcf -M0 Cosi-X1+-) τ
(2) 将式( 代入式(1)，并令υ = dxl/dt，可得动子永磁体在三相定子绕组中产生感应电势为
Caf = M0If — usin(-x,) = E0 sin(^ ) τ τ
eM =M0It —υsin(-χ, - = E0 sin(《-与)
τ τ 3
ed =mJ厂usm(-X1 +—) = E0 sm(0q + —) ^Ζ" 33
？ 3
/V式(1) (3)中，ρ-为微分算子，ρ = d/dt ； ￥if-为永磁体与各相绕组之间耦合的磁链；If_为永磁体的等效定子电流，它与永磁体几何形状、材料有关；Mif-永磁体与各相绕组之间的互感；τ-极距；此-互感系数，与每相绕组的有效匝数、永磁体与各相绕组的有效宽度等有关；θ q为感应电势与a相绕组轴线之间的相角。通过以上分析可得，动子永磁体在a相定子绕组中产生的感应电势fe、a相定子绕组的供电电压fe、a相绕组轴线之间的关系如图2所示。图2中，θ r为动子的位置角，φ 为a相电压相对于定子a相绕组轴线的相位角，则永磁直线同步电动机的功率角θ与动子的位置角θ r的关系为
权利要求1.一种凸极式永磁直线同步电动机功角测量装置，包括数字信号处理器(5)、高频发生器(6)、耦合电容器(7)、电压传感器(8)、第一电流传感器(12)、第二电流传感器(13)、 第三电流传感器(14)、第四电流传感器(15)、带通滤波电路(9)、差分电路(10)、A/D转换电路(11)，其特征在于所述的数字信号处理器(5)的PWMl引脚接高频发生器(6)的输入端a0，所述的高频发生器(6)的输出端a2与耦合电容器(7)的bl端相连接，高频发生器 (6)的输出端al与电压传感器⑶的c2端相连接，电压传感器⑶的c2端又分别与第一段定子绕组(16)的中性点Ni、第二段定子绕组(17)的中性点N2、第三段定子绕组(18)的中性点N3、第四段定子绕组(19)的中性点N4相连接，电压传感器(8)的cl端与耦合电容器(7)的b2端相连接，该耦合电容器(7)的b2端又与第一电流传感器(12)的dl端、第二电流传感器(13)的el端、第三电流传感器(14)的fl端、第四电流传感器(15)的gl端相连接，所述的第一电流传感器的d2端与开关Kl的hi端相连接，开关Kl的h2端与第一段定子绕组(16)的jl端相连接，第二电流传感器(1 的e2端与开关K2的h3端相连接，开关K2的h4端与第二段定子绕组(17)的j2端相连接，第三电流传感器(14)的f2端与开关K3的h5端相连接，开关K3的h6端与第三段定子绕组(18)的j3端相连接，第四电流传感器(1 的g2端与开关K4的h7端相连接，开关K4的h8端与第四段定子绕组(19)的j4 端相连接；第一电流传感器(12)、第二电流传感器(13)、第三电流传感器(14)、第四电流传感器(1 和电压传感器(8)均与带通滤波电路(9)连接，该带通滤波电路(9)与差分电路 (10)连接，差分电路(10)与A/D转换电路(11)连接，A/D转换电路(11)的BVdd、GND分别接数字信号处理器(5)的DVdd、AVss，A/D转换电路(11)的56端、57端、58端均接数字信号处理器( 的95端，A/D转换电路(11)的31端、四端、27端、观端、51端分别接数字信号处理器(5)的133端、40端、149端、观端、41端，A/D转换电路(11)的DBO端、DBl端、DB2 端、DB3 端、DB4 端、DB5 端、DB6 端、DB7 端、DB8 端、DB9 端、DBlO 端、DBll 端、DB12 端、DB13 端、DB14端、DB15端分别接数字信号处理器⑶DO端、Dl端、D2端、D3端、D4端、D5端、D6 端、D7 端、D8 端、D9 端、DlO 端、Dll 端、D12 端、D13 端、D14 端、D15 端。
2.根据权利要求1所述的凸极式永磁直线同步电动机功角测量装置，其特征在于所述的带通滤波电路(9)由第一带通滤波电路、第二带通滤波电路、第三带通滤波电路、第四带通滤波电路、第五带通滤波电路组成，所述的差分电路(10)由第一差分电路、第二差分电路、第三差分电路、第四差分电路、第五差分电路组成；所述的第一电流传感器(1 的输出端ml接第一带通滤波电路的nl端，所述的第二电流传感器(1 的输出端m2接第二带通滤波电路的n2端，所述的第三电流传感器(14)的输出端m3接第三带通滤波电路的n3 端，所述的第四电流传感器(1 的输出端m4接第四带通滤波电路的n4端，所述的电压传感器(8)的输出端c2端接第五带通滤波电路的n5端；所述的第一带通滤波电路的tl端接第一差分电路的Pl端，所述的第二带通滤波电路的t2端接第二差分电路的p2端，所述的第三带通滤波电路的t3端接第三差分电路的p3端，所述的第四带通滤波电路的t4端接第四差分电路的P4端，所述的第五带通滤波电路的t5端接第五差分电路的p5端；所述的第一差分电路的11端接A/D转换电路(11)的A0，所述的第二差分电路的12端接A/D转换电路(11)的Al，所述的第三差分电路的13端接A/D转换电路(11)的B0，所述的第四差分电路的14端接A/D转换电路(11)的Bi，所述的第五差分电路的15端接A/D转换电路(11) 的CO端。
3.根据权利要求2所述的凸极式永磁直线同步电动机功角测量装置，其特征在于所述的第一带通滤波电路、第二带通滤波电路、第三带通滤波电路、第四带通滤波电路、第五带通滤波电路采用美国MAXIM公司开发的有源滤波器芯片MAX274实现。
4.根据权利要求1所述的凸极式永磁直线同步电动机功角测量装置，其特征在于所述的高频发生器(6)由缓冲与电平转换电路、低通滤波电路、减法电路输出电路依次连接而成，所述的缓冲与电平转换电路由芯片74HCT04与芯片6附37连接组成，所述的低通滤波电路采用简单的R-C电路，所述的减法电路采用美国AD公司的AD524芯片，所述的高频发生器的输出电路采用对管TIP35C和TIP36C作为功率晶体管。
5.根据权利要求1所述的凸极式永磁直线同步电动机功角测量装置，其特征在于所述的数字信号处理器(5)采用TI公司生产的芯片TMS320F2812实现。
6.根据权利要求1所述的凸极式永磁直线同步电动机功角测量装置，其特征在于所述的A/D转换电路(11)采用TI公司生产的芯片ADS8364实现。
7.根据权利要求1所述的凸极式永磁直线同步电动机功角测量装置，其特征在于所述的差分电路(10)采用集成运算放大器实现。
专利摘要本实用新型属于高性能、智能化仪器仪表领域，具体涉及一种凸极式永磁直线同步电动机功角测量装置，数字信号处理器与高频发生器相连，高频发生器与耦合电容器和电压传感器相连，耦合电容器和电压传感器相连，耦合电容器又分别与第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第四电流传感器相连，第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第四电流传感器和电压传感器又与带通滤波电路相连，带通滤波电路与差分电路相连，差分电路与A/D转换电路相连，A/D转换电路与数字信号处理器相连，本实用新型能够测量包括零速在内全速度范围内永磁直线同步电动机的功角，具有结构简单、价格低廉、使用方便、稳定性好、测量精度高等优点。
文档编号G01R31/34GK202049224SQ20112002469
公开日2011年11月23日 申请日期2011年1月26日 优先权日2011年1月26日
发明者上官璇峰, 党建军, 张国治, 张展, 桑俊勇, 王福忠, 王颖, 许孝卓, 闫焕斌, 陈昊, 高彩霞 申请人:河南理工大学