永磁同步直线电机矢量控制系统中初始寻相和电角度的测定.doc

 永磁同步直线电机矢量控制系统中初始寻相和电角度的测定

摘要：介绍了永磁同步直线电机的结构。根据矢量控制的特点和要求，提出了一种基于增量式位置传感器的初始寻相和电角度测量方法，并经试验加以验证。
　　关键词：初始寻相；电角度测定；矢量控制；永磁电机；同步电机；直线电机；实验
    O  引  言
      永磁同步交流直线电机由于其行程长、推力大、响应快等优点，在机械装备中越来越受到重视。
　　永磁交流直线电机系统存在多个电磁变量和机械变量，在这些变量之间存在较强的耦合作用。为了提高控制效果，获得良好的动态调速特性，矢量控制技术成为永磁直线电机系统中重要的控制手段。
　　对于永磁同步直线电机矢量控制系统，初始寻相和电角度的测量是影响系统性能的关键之一”如果系统上电时无法精确测定电机的初始相位或者在运行时不能精确测定电机的电角度，系统将无法正确完成直线矢量控制的一系列算法，导致直线电机运动混乱，甚至无法起动。本文针对这个问题，提出了一种基于增量式位置传感器的初始寻相和电角度测量方法。
　　1永磁同步直线电机及其矢量控制系统
      根据永磁体的安装位置，永磁同步直线电机分为表面磁极型和内部磁极型。用于伺服目的的一般采用表面磁极的结构；其凸极效应很弱，气隙均匀且有效气隙大。图1为其结构简图。
　　在定子表面交错排列着不同极性的铷铁硼磁体。
　　对于永磁同步旋转电机，矢量控制的中的d轴方向沿着转子上永磁体的磁极方向，q轴超前d轴90。
　　电角度。永磁同步直线电机可以看成是将永磁同步旋转电机沿轴向剖开而形成的。据此可以确定永磁同步直线电机的d轴和q轴的位置，如图1所示，电角度θ就是d轴和q轴间的夹角。

　　永磁同步直线电机的矢量控制系统的完薹结构则如图2所示。矢量控制一般采用id=O的控制策略，即控制初级电枢电流矢量在d—g坐标系中的d轴分量为零。此外由于电机的d轴和q轴电压分量仍然存在耦合，需要采用前馈补偿的方法进行接耦。由图2可以看出，电角度θ主要用在2s／二R和2R／2s变换中。由此可见，直线电机在起动对的初始相位以及在运行时的电角度，是实现矢量控制的重要参数。两参数能否精确测定，关系到矢量控制系统能否实现。

      2  电机初始寻相的实现
      直线电机在起动时，动子的位置具有不确定性。直线伺服系统中一般采用增量式光栅尺作为位置传感器，无法确定动子的绝对位置及电机的初始相位角。对于直线伺服系统一般还需要一个确定的机械零点；对于增量式系统，每次上电后都需要进行回零点操作，之后才能建立起坐标系统。
　　  为了让直线电机有一个确定的机械零点，可以在直线电机端部安装一个接近开关，并保证在接近开关能检测到的范围内光栅尺有一个z轴脉冲。将光栅尺的z轴脉冲和接近开关的输出信号进行逻辑与，用此信号控制计数器的复位。系统上电后直线电机以一定的速度向零点运动，当系统检测到电机端部的z轴脉冲时，计数器复位信号有效，计数器清零，此时电机所在的位置即为零点。此过程的原理如图3所示。电机的零点确定后，可以用实验的方法确定电机在零点处d轴与A轴之间的电角度，并以此角度作为初始电角度。

　　在此方案中，电机回零点前是无法确定其电角主的，因此只能作开环运动。为了在回原点前就确定电机的电角度，可以给电机的定子方向的电压矢量，如图4所示。在初始定位阶段由于％和f，一都是定值，即给电机施加的是一固定的电压空间矢量，电机的动子会在此电压矢量的作用下运动到与之重合的位置。此时电机的初始电角度为90°，这就是矢量控制的初始电角度，而此时的位置也就是电机的初始位置。当给电机施加直流电压时，动子绕组中的电流会很大，因此要控制施加的直流电压的幅值和时间。为了避免给电机施加直流电压时加速度过大，可以采用缓慢升高直流电压幅值的方式。如图4所示，在1．5 s内升高到0．25umax维持0．5 s。试验表明这种方法可使电机平稳的定位。用这种方法测量电角度的精度受若干因素的影响，包括所施加的直流电压矢量的幅值，电机的磁阻力和摩擦力等。为了更准确的测定电机的初始相位，可以在电机回零点后对电角度进行校正，用零点处的电角度作为初始电角度，而电机零点处的电角度可以用试验的方法精确测出。

　　3   电机电角度的测定
       精确获得了电机的初始相位之后，还需要在电机运动过程中方便、准确的确定其电角度。根据电机原理可知，电机一对极距对应的电角度为360°。对于直线电机，动子移动的距离和电角度的变化量成正比，因此可以根据增量式光栅尺反馈的位置信息来间接计算电机的电角度。
　　对于图1所示的永磁同步直线电机硬件系统，可以使用芯片LS7266的B通道测定电机的电角度，其电路原理如图5所示。把该通道的周期寄存器的值设为电机一对极距对应的光栅尺的脉冲数，并根据初始电角度设置计数器的初始值。如果电机电角度增大时，计数器的计数值也增大。根据图6，电机的电角度就可以用如下公式计算：

　　反之，如果电机电角度减小时，计数器的计数值也减小，那么电机的电角度应为：

   4试验结果
     试验用永磁同步直线电机的参数：动子质量为9 kg，永磁体有效磁链为0．106 wb，粘滞摩擦系数等于1．2 Ns／m，动子电枢电阻等于1．25 Ω，动子电感为5．25 mH，极距等于32 mm，极对数为3，相数等于3，电机额定电等于流25 A。对电机进行速度闭环测试，在速度调节器输入端上施加一个矩形波信号，幅值在一O．1m／s到O．1m／s之间变化，频率为O．9 Hz，观察系统的位置、速度、电流等的变化情况，如图7所示。试验时，电机空载，速度环的采样周期为：300μs。
　　试验所得的电角度、速度、d轴和q轴电流如图7所示。试验结果表明，采用上述初始寻相和电角度测定的方法能使永磁同步直线电机矢量控制系统取得较好的控制效果，系统能长时间稳定运行，不会发生因电角度测量误差积累而产生的失控现象。
　　5总结
     本文根据永磁同步直线电机的特点，结合接近开关和光栅尺的z轴脉冲来确定机械零点，进而获得初始相位。以此为基础，再利用工控芯片I~$9266来计算电机在运行过程中的电角度。实验证明，本文提出的方法帮助直线电机矢量控制系统取得了良好的控制效果。