基于DSP的永磁直線同步電動機無傳感器功率角測量

    王福忠^1,2，袁世鷹¹，劉靜¹

(1.河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作454000

  2中國礦業大學機電與信息I程學院，北京100083)

      摘要：推導了永磁直線同步電動機(PMLSM)的功率角弓動子位置角的關系方程，建立了高頻激勵下的PMLSM的高頻電流一電樞電感動子位置角之間的解析方程，沒計了以TMS320F2812為核心的動子位置與功率角檢測裝置。該裝置包括高頻信號發生器的設計，耦合電容器和電壓電流互感器選犁，帶通濾波單兀設計，A／D轉換模塊的選擇及其與數字信號處理器(DSP)的接線，高頻電壓信號注入方式與信號獲取接線等內容。試驗表明，該方法實時陛好，且精度滿足要求.關鍵詞：永磁直線同步電動機；無傳感器;功率角

    申圖分類號：TM 351文獻標志碼：A文章編號：16734-540(2010)054)056-05

0  引言

    分段式永磁直線同步電動機(Pelrnanent Magnet Linear Synehronous Motor，PMLSM)采用永磁體(動子)移動、電樞繞組(定子)分段的結構，適應于長距離、大推力的工業場合。但是，該電動機在運行中失步和機械振蕩等問題一直困擾著電機的設計者和使用者。要實現該電機的穩定控制，抑制電機推力的波動都需要已知電機的動子位置與功率角。傳統測量方法大多采用機械傳感器法和反電動勢法。機械傳感器法需要在動子上安裝相應的信號傳感器，投資大。反電動勢法是基于基波激勵的方法，簡單經濟可靠，但在零速或低速時會因反電動勢過小無法檢測而失敗。

    為了能夠獲得包括零速的全速范圍內電機動子位置及功率角，設計了基于DSP的高頻電壓注入法的分段式PMLSM功率角測量裝置。

l  PMLsM功率角測量的基本原理

    如果以PMLSM的定子a相繞組軸線為參考軸，功率角應等于動子永磁體在a相定亍二繞組中產生的感應電勢Va與a相繞組外加工作電壓Ua之間的相位差角。由電機學原理可得，動子永磁體在a相定了繞組中產生的感應電勢、a相定子繞組的供電電壓、a相軸之間的關系如圖l所示。圖1中，θr為動于的位置角。

    由圖1可得PMLSM的功率角θ與動子位置角θr的關系為

式中：φ——a柏電壓相對于定子a相繞組軸線的相位角，以ω做旋轉運動。

式巾：φ0為初始相位，可由電機剛起動時(t=0+)，施加在定子a相繞組上的電壓和電流求得。利用式(2)計算φ時，時問為電壓在每個周期內的旋轉時間，即電壓波形以。相繞組軸線為參考軸，每經過一個周期(對應的角度旋轉．360^。)時問清零，重新開始計時。θr為動予位置角，是直線電機的d軸(旋轉軸)在二個極距距離內與定子a相繞組軸線(非移動)之間的夾角，電機d軸每移動2個極距r(對應的夾角移動360^。)，目，重新開始計算。

    由式(1)可知，求取PMLSM的功率角，首先需要得到動子的位最角θr。本文采用在PMLSMa相繞組中持續注入高頻電壓信號^[1-7]，利用高階帶遙濾波器提取高頻電壓與電流信號，進而計算出電機動子位置角θr。

1．1  電機凸極效應和動子位置角及高頻電流三者關系式

    為了簡化分析，假設：鐵心非飽和，電機中的渦流損耗和磁滯損耗、電機繞組漏感可以忽略，氣隙中的磁勢呈正弦分布。

    在以上限設情況下，利用電機分析理論，建立高頻激勵下的PMLsM的數學模型為：假設在PMLSM的a相繞組上注入高頻電壓的角頻率為ω，幅值為Ui，則該高頻電壓信號可表示為

經A—B一C坐標系向α-β坐標系變換，得到在坐標系下高頻電壓信號為

     式(3)中，由于注入的高頻電壓信號頻率遠高于基波頻率，定子電阻的影響町以忽略，故存α-β坐標系下，PMLSM的電壓數學模型也可以用式（4）表示：