一种永磁直线电机用无位置传感器

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。

主权项

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收敛于真实值θ_r1，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；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：$L_{ab}\left({\theta }_r\right)=\frac{2U_{dc}}{{\mathrm{di}}_{ab}/dt{|}_{on}-{\mathrm{di}}_{ab}/dt{|}_{off}}$$L_{ac}\left({\theta }_r\right)=\frac{2U_{dc}}{{\mathrm{di}}_{ac}/dt{|}_{on}-{\mathrm{di}}_{ac}/dt{|}_{off}}$$L_{bc}\left({\theta }_r\right)=\frac{2U_{dc}}{{\mathrm{di}}_{bc}/dt{|}_{on}-{\mathrm{di}}_{bc}/dt{|}_{off}}$其中：U_dc为直流母线电压；L_ab、L_ac和L_bc分别为AB相线电感、AC相线电感和BC相线电感；di/dt|_on为电流上升的变化率；di/dt|_off为电流下降的变化率；θ_r为动子初始位置角估计值；在初始位置检测模块中，三相线电感值，结合电机每相绕组自感的平均值和每相绕组自感的二次谐波幅值初步估计出动子的初始位置，具体方法为：$\left\{\begin{array}{c}{L}_{ab}=3\left[L_o+L_m\cos \left(2P_r{\theta }_r-{120}^0\right)\right]\\ L_{ac}=3\left[L_o+L_m\cos \left(2P_r{\theta }_r+{120}^0\right)\right]\\ L_{bc}=3\left[L_o+L_m\cos \left(2P_r{\theta }_r\right)\right]\end{array}\right.$其中：L_ab、L_ac和L_bc分别为AB相线电感、AC相线电感和BC相线电感；L_o为每相绕组自感的平均值，为电机已有参数，各相绕组自感的平均值相等；L_m为每相绕组自感的二次谐波幅值，为电机已有参数，各相绕组自感的二次谐波幅值相等；P_r为电机极对数；θ_r为动子初始位置角估计值；在初始位置检测模块中，利用电机的凸极效应，通过向电机的电枢绕组注入等宽电压脉冲信号判断动子的磁极方向，具体方法为：给电枢绕组施加等宽电压脉冲：当电压脉冲方向与动子正方向相同时，电流形成的磁势会加深磁路的饱和，等效电感变小，从而电流幅值增大；当电压脉冲方向与动子正方向不相同时，电流形成的磁势会减小磁路的饱和，等效电感变大，从而电流幅值减小；通过检测施加等宽电压脉冲后所产生的相电流响应的峰值的不同，判断出动子的磁极方向；所述低速段位置检测模块中，使用旋转高频电压信号注入法与重复控制器相结合的方法获取动子位置的估计值具体为：设旋转高频电压信号的角频率为ω_i、幅值为v_si，则旋转高频电压信号表示为：$v_{qdsi}^s=\left[\begin{array}{c}{\nu }_{qsi}^s\\ {\nu }_{dsi}^s\end{array}\right]={\nu }_{si}\left[\begin{array}{c}cos\left({\omega }_{i}t\right)\\ -sin\left({\omega }_{i}t\right)\end{array}\right]={\nu }_{si}{e}^{{\mathrm{j\omega }}_{i}t}$其中：为高频电压的q轴分量；为高频电压的d轴分量；旋转高频电压信号激励下的三相逆变器输出端电机的直流响应为将经过带通滤波器BPF滤波后，得到dq轴高频电流为：$i_{qdi}^s=i_{dqs\_ip}^s+i_{dqs\_in}^s=i_{ip}{e}^{j\left({\theta }_t\right(t)-\pi /2)}+i_{in}{e}^{j(2{\theta }_{r1}-{\theta }_t(t)+\pi /2)}$其中：为正相序电流分量；为负相序电流分量；i_ip为正相序电流直流分量；i_in为负相序电流直流分量；θ_t(t)为动子速度；θ_r1为注入高频电压后反映的动子位置角，即低速段位置时动子的位置角；由于只有负相序电流分量包含动子的位置角信息θ_r1，因此首先通过高通滤波器SFF将正相序电流分量滤除，再让负相序电流分量先乘以得到后，再乘以后，可得矢量角误差ε为：$ϵ=i_{qs\_in}^{i}cos\left(2{\hat{\theta }}_{r1}\right)-i_{ds\_in}^{i}sin\left(2{\hat{\theta }}_{r1}\right)=sin(2{\hat{\theta }}_{r1}-2{\theta }_{r1})$其中：为负相序电流q轴分量；为负相序电流d轴分量；为低速段位置时的动子位置的估计值，θ_r1为低速段位置时动子的真实值；对作时间微分以获得动子角速度在矢量角误差ε使用重复控制器进行控制，在重复控制器内串联低通滤波器Q(s)和动态补偿器B(s)；所述中高速段位置检测模块中，采用滑模观测器获取动子位置信息，通过一个低通滤波器对滑模控制函数z进行滤波，得到等效反电动势，从而获得动子位置角估计值，具体方法为：采用滑模观测器来获取动子位置信息，建立定子电流滑模观测器数学模型为：${\stackrel{·}{\hat{i}}}_{sf}=A{\hat{i}}_{sf}+B(u_{sf}-z)$其中：为定子电流计算值；为定子电流实测值；u_sf为定子电压；$A=\left[\begin{array}{cc}-R_s/L_d& w_e(L_q-L_d)/L_d\\ -w_e(L_q-L_d)/L_d& R_s/L_d\end{array}\right];B=\left[\begin{array}{cc}1/L_d& 0\\ 0& 1/L_d\end{array}\right];$z为滑模控制函数，$z=\left\{\begin{array}{cc}k\delta & {\tilde{i}}_{sf}\ge \delta \\ k{\tilde{i}}_{sf}& -\delta <{\tilde{i}}_{sf}<\delta \\ -k\delta & {\tilde{i}}_{sf}\le -\delta \end{array}\right.;$R_s为定子电阻；L_d为d轴电感；L_q为q轴电感；w_e为电机转速频率；δ为定义的电流误差边界，k为滑模系数，为定子电流观察误差；通过一个低通滤波器对滑模控制函数z进行滤波，得到等效反电动势e_sf，从而获得中高速段位置时的动子位置角${\hat{\theta }}_{r2}=-{\tan }^{-1}(e_{s\alpha f}/e_{s\beta f})$其中：e_sαf为α坐标系下的反电动势，e_sβf为β坐标系下的反电动势；所述过渡区域位置检测模块中，混合观测器输出的动子位置角估计值表示为：${\hat{\theta }}_{r3}=\gamma {\hat{\theta }}_{r1}+(1-\gamma ){\hat{\theta }}_{r2}$其中：γ为加权因子，且：$\gamma =\left\{\begin{array}{cc}1& \left|{\hat{\omega }}_r\right|\le {\omega }_{rp1}\\ \frac{{\omega }_{rp2}-{\hat{\omega }}_r}{{\omega }_{rp2}-{\omega }_{rp1}}& {\omega }_{rp1}<\left|{\hat{\omega }}_r\right|<{\omega }_{rp2}\\ 0& \left|{\hat{\omega }}_r\right|\ge {\omega }_{rp2}\end{array}\right.$其中：ω_rp1为切换控制器转速上界，ω_rp2为切换控制器转速下界，为动子转速的估算值，为旋转高频注入法所测得的动子位置角估计值，为滑模观测器所获取的动子位置角估计值。