基于DSP的永磁直線同步電動(dòng)機(jī)無傳感器功率角測(cè)量
王福忠1,2，袁世鷹1，劉靜1
(1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南焦作454000
2中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電與信息I程學(xué)院，北京100083)
摘要：推導(dǎo)了永磁直線同步電動(dòng)機(jī)(PMLSM)的功率角弓動(dòng)子位置角的關(guān)系方程，建立了高頻激勵(lì)下的PMLSM的高頻電流一電樞電感動(dòng)子位置角之間的解析方程，沒計(jì)了以TMS320F2812為核心的動(dòng)子位置與功率角檢測(cè)裝置。該裝置包括高頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，耦合電容器和電壓電流互感器選犁，帶通濾波單兀設(shè)計(jì)，A／D轉(zhuǎn)換模塊的選擇及其與數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的接線，高頻電壓信號(hào)注入方式與信號(hào)獲取接線等內(nèi)容。試驗(yàn)表明，該方法實(shí)時(shí)陛好，且精度滿足要求.關(guān)鍵詞：永磁直線同步電動(dòng)機(jī)；無傳感器;功率角
申圖分類號(hào)：TM 351文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16734-540(2010)054)056-05
0 引言
分段式永磁直線同步電動(dòng)機(jī)(Pelrnanent Magnet Linear Synehronous Motor，PMLSM)采用永磁體(動(dòng)子)移動(dòng)、電樞繞組(定子)分段的結(jié)構(gòu)，適應(yīng)于長(zhǎng)距離、大推力的工業(yè)場(chǎng)合。但是，該電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中失步和機(jī)械振蕩等問題一直困擾著電機(jī)的設(shè)計(jì)者和使用者。要實(shí)現(xiàn)該電機(jī)的穩(wěn)定控制，抑制電機(jī)推力的波動(dòng)都需要已知電機(jī)的動(dòng)子位置與功率角。傳統(tǒng)測(cè)量方法大多采用機(jī)械傳感器法和反電動(dòng)勢(shì)法。機(jī)械傳感器法需要在動(dòng)子上安裝相應(yīng)的信號(hào)傳感器，投資大。反電動(dòng)勢(shì)法是基于基波激勵(lì)的方法，簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)可靠，但在零速或低速時(shí)會(huì)因反電動(dòng)勢(shì)過小無法檢測(cè)而失敗。
為了能夠獲得包括零速的全速范圍內(nèi)電機(jī)動(dòng)子位置及功率角，設(shè)計(jì)了基于DSP的高頻電壓注入法的分段式PMLSM功率角測(cè)量裝置。
l PMLsM功率角測(cè)量的基本原理
如果以PMLSM的定子a相繞組軸線為參考軸，功率角應(yīng)等于動(dòng)子永磁體在a相定亍二繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)Va與a相繞組外加工作電壓Ua之間的相位差角。由電機(jī)學(xué)原理可得，動(dòng)子永磁體在a相定了繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)、a相定子繞組的供電電壓、a相軸之間的關(guān)系如圖l所示。圖1中，θr為動(dòng)于的位置角。
由圖1可得PMLSM的功率角θ與動(dòng)子位置角θr的關(guān)系為
式中：φ——a柏電壓相對(duì)于定子a相繞組軸線的相位角，以ω做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
式巾：φ0為初始相位，可由電機(jī)剛起動(dòng)時(shí)(t=0+)，施加在定子a相繞組上的電壓和電流求得。利用式(2)計(jì)算φ時(shí)，時(shí)問為電壓在每個(gè)周期內(nèi)的旋轉(zhuǎn)時(shí)間，即電壓波形以。相繞組軸線為參考軸，每經(jīng)過一個(gè)周期(對(duì)應(yīng)的角度旋轉(zhuǎn)．360。)時(shí)問清零，重新開始計(jì)時(shí)。θr為動(dòng)予位置角，是直線電機(jī)的d軸(旋轉(zhuǎn)軸)在二個(gè)極距距離內(nèi)與定子a相繞組軸線(非移動(dòng))之間的夾角，電機(jī)d軸每移動(dòng)2個(gè)極距r(對(duì)應(yīng)的夾角移動(dòng)360。)，目，重新開始計(jì)算。
由式(1)可知，求取PMLSM的功率角，首先需要得到動(dòng)子的位最角θr。本文采用在PMLSMa相繞組中持續(xù)注入高頻電壓信號(hào)[1-7]，利用高階帶遙濾波器提取高頻電壓與電流信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算出電機(jī)動(dòng)子位置角θr。
1．1 電機(jī)凸極效應(yīng)和動(dòng)子位置角及高頻電流三者關(guān)系式
為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)：鐵心非飽和，電機(jī)中的渦流損耗和磁滯損耗、電機(jī)繞組漏感可以忽略，氣隙中的磁勢(shì)呈正弦分布。
在以上限設(shè)情況下，利用電機(jī)分析理論，建立高頻激勵(lì)下的PMLsM的數(shù)學(xué)模型為：假設(shè)在PMLSM的a相繞組上注入高頻電壓的角頻率為ω，幅值為Ui，則該高頻電壓信號(hào)可表示為
經(jīng)A—B一C坐標(biāo)系向α-β坐標(biāo)系變換，得到在坐標(biāo)系下高頻電壓信號(hào)為
式(3)中，由于注入的高頻電壓信號(hào)頻率遠(yuǎn)高于基波頻率，定子電阻的影響町以忽略，故存α-β坐標(biāo)系下，PMLSM的電壓數(shù)學(xué)模型也可以用式（4）表示：
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