CN102497157B - 绕组分段直线电机的无传感器控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

绕组分段直线电机的无传感器控制装置及控制方法，属于直线电机控制技术领域。它解决了常规的普通高速电机无传感器控制的方法不能用于绕组分段直线电机的控制的问题。控制装置由第一智能功率模块、第二智能功率模块、第一电流传感器、第二电流传感器、光隔驱动器、逻辑信号处理及锁存器和微控制器DSP组成；控制方法依据绕组分段直线电机相邻两个电枢段的三相反电势的非周期变化特点，通过电流传感器检测相邻两段电枢绕组中的三相电流信号，进而计算获得其三相电压信号，并进行采样处理，在非周期信号的变化过程中，抽取变量特征获得电势信号特征值，来获得动子的准确位置及速度信息。本发明适用于直线电机的控制。

Description

绕组分段直线电机的无传感器控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种绕组分段直线电机的无传感器控制装置及控制方法，属于直线电机控制技术领域。

背景技术

直线电机不需要中间转换机构，可以将电能直接转换成直线运动的机械能，实现对系统的直接驱动，可应用于舰载机弹射起飞、火箭和卫星发射、科学实验、星际航行及采油设备等领域，极具运行优势和应用潜力。

直线电机分为短初级长次级和长初级短次级两种类型，前者在短行程场合具有一定优势，但次级运动时会带来拖曳电缆导线的问题。短次级直线电机则没有这些缺点，但其初级电枢较长，绕组的电阻和电感较大，会引起电机的损耗及系统效率的降低。所以长初级电机绕组一般采用分段供电的方式驱动。这种分段供电的直线电机只对与次级产生耦合的电枢段通电，并根据次级位置的变化将电源顺次切换至其余电枢段，并可随时更替发生故障的模块，便于维护管理。

绕组分段直线电机在运行过程中，控制系统需要根据准确的位置及速度信号来保证供电切换及控制策略的实施。传统的获取位置及速度信号的方法是采用机械传感器，但在一些特殊场合如电磁弹射领域，检测系统面临高温、粉尘、振动、强磁场等特殊工况，会对机械传感器(如光栅尺、磁栅尺)及其连接器形成很大干扰，极易导致传感器性能的不稳定，而影响检测精度。同时，对于高速直线电机来说，机械传感器的安装增加了电机动子与控制系统之间的连接线和接口电路，造成系统的可靠性难以保证。另外，在行程较长的系统中，常规传感器的大量铺设无疑增加了系统成本和维修难度。而位置信息和速度信息的获取又是必不可少的，随着无传感器技术研究理论渐趋成熟，无传感器检测成为解决这些问题的重要手段。

无位置传感器技术的基本原理是依赖于电机系统本身的运行状态变量(如磁链或者反电势等)来估计运动部件的位置和速度信息。在电机处于低速时，大多利用电机的凸极特性以及磁场饱和特性来预估运动部件的位置和速度；处于高速状态时，反电势或者磁链中就包含有位置及速度信号，这使得高速时的无传感技术比低速有着更广泛的应用范围，而且相对更简单。相比于普通电机呈现周期性变化的状态变量，绕组分段直线电机的次级动子在两电枢段之间过渡时，具有两通路的三相反电势或磁链信号，它们随动子位置而呈现出非周期性变化。因此，对于绕组分段直线电机来说，常规的普通高速电机无传感器检测的方法显然不能够适用，它必需获取准确的速度或位置信息来进行供电切换，若检测方法不当，不能准确识别动子位置，必然会造成供电切换的失效，影响电机运行的稳定性，甚至造成电机系统的损坏。

发明内容

本发明的目的是解决常规的普通高速电机无传感器控制的方法不能用于绕组分段直线电机的控制的问题，提供一种绕组分段直线电机的无传感器控制装置及控制方法。

本发明所述绕组分段直线电机的无传感器控制装置，所述直线电机每个定子段的长度均大于所述直线电机动子沿运动方向的长度，它由第一智能功率模块、第二智能功率模块、第一电流传感器、第二电流传感器、光隔驱动器、逻辑信号处理及锁存器和微控制器DSP组成，

微控制器DSP由第一电流信号采样处理单元、第二电流信号采样处理单元、第一Clark变换单元、第二Clark变换单元、第一Park变换单元、第二Park变换单元、第一反电势观测器、第二反电势观测器、区间判断信号单元、复合相加单元、位置及速度估计单元、速度调节器、第一电流调节器、第二电流调节器、第一Park逆变换单元、第二Park逆变换单元、第一空间矢量脉宽调制单元和第二空间矢量脉宽调制单元组成，

第一智能功率模块用于对所述直线电机的奇数段绕组进行驱动，第二智能功率模块用于对所述直线电机的偶数段绕组进行驱动，

第一电流传感器用于采集第一智能功率模块中的三相电流信号，第二电流传感器用于采集第二智能功率模块中的三相电流信号，

第一电流传感器的电流信号输出端连接第一电流信号采样处理单元的电流信号输入端，第一电流信号采样处理单元的电流信号输出端连接第一Clark变换单元的电流信号输入端，第一Clark变换单元的电流信号输出端同时连接第一Park变换单元的电流信号输入端和第一反电势观测器的电流信号输入端，第一反电势观测器的电压信号输入端连接第一Park逆变换单元的电压信号输出端，第一反电势观测器的电势信号输出端同时连接区间判断信号单元的第一电势信号输入端和复合相加单元的第一电势信号输入端，

第二电流传感器的电流信号输出端连接第二电流信号采样处理单元的电流信号输入端，第二电流信号采样处理单元的电流信号输出端连接第二Clark变换单元的电流信号输入端，第二Clark变换单元的电流信号输出端同时连接第二Park变换单元的电流信号输入端和第二反电势观测器的电流信号输入端，第二反电势观测器的电压信号输入端连接第二Park逆变换单元的电压信号输出端，第二反电势观测器的电势信号输出端同时连接区间判断信号单元的第二电势信号输入端和复合相加单元的第二电势信号输入端，

复合相加单元的电势信号输出端连接位置及速度估计单元的电势信号输入端，位置及速度估计单元的段间位置系数输入端连接区间判断信号单元的段间位置系数输出端，区间判断信号单元的段间位置系数输出端同时连接逻辑信号处理及锁存器段间位置系数输入端，

位置及速度估计单元的位置信号输出端同时连接第一Park变换单元的位置信号输入端、第一Park逆变换单元的位置信号输入端、第二Park变换单元的位置信号输入端及第二Park逆变换单元的位置信号输入端，

位置及速度估计单元的速度信号输出端连接速度调节器的估算速度信号输入端，速度调节器的给定速度信号输入端用于输入给定速度信号，

速度调节器电流信号输出端同时连接第一电流调节器的估计电流信号输入端和第二电流调节器的估计电流信号输入端，第一电流调节器的给定电流信号输入端用于输入给定电流信号，第一电流调节器的Park变换电流信号输入端连接第一Park变换单元的电流信号输出端，第一电流调节器的电压信号输出端连接第一Park逆变换单元的电压信号输入端，第一Park逆变换单元的电压信号输出端连接第一空间矢量脉宽调制单元的电压信号输入端，第一空间矢量脉宽调制单元的电压信号输出端连接逻辑信号处理及锁存器的第一电压信号输入端，

第二电流调节器的给定电流信号输入端用于输入给定电流信号，第二电流调节器的Park变换电流信号输入端连接第二Park变换单元的电流信号输出端，第二电流调节器的电压信号输出端连接第二Park逆变换单元的电压信号输入端，第二Park逆变换单元的电压信号输出端连接第二空间矢量脉宽调制单元的电压信号输入端，第二空间矢量脉宽调制单元的电压信号输出端连接逻辑信号处理及锁存器的第二电压信号输入端，

逻辑信号处理及锁存器的电压信号输出端连接光隔驱动器的电压信号输入端，光隔驱动器的第一组驱动信号输出端连接第一智能功率模块的驱动信号输入端，光隔驱动器的第二组驱动信号输出端连接第二智能功率模块的驱动信号输入端。

本发明所述基于上述装置的控制方法：

采用第一智能功率模块对所述直线电机的奇数段绕组进行驱动，采用第二智能功率模块对所述直线电机的偶数段绕组进行驱动，

当电机动子整体位于一个定子段内时，通过相应的电流传感器对该定子段的电枢绕组的驱动电流进行采集，并控制相应的智能功率模块控制该定子段的电枢绕组的驱动电流，以电机动子位于奇数段的一个定子段内为例说明控制过程：

采用第一电流传感器采集第一智能功率模块的三相电流信号，然后将该三相电流信号输入到第一电流信号采样处理单元进行A/D转换，得到三相电流信号i_1a、i_1b和i_1c，三相电流信号i_1a、i_1b和i_1c经第一Clark变换单元进行三相静止坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β，该二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β同时输入给第一Park变换单元和第一反电势观测器，第一反电势观测器同时接收第一Park逆变换单元输出的电压信号u_1α和u_1β，第一反电势观测器经运算获得此时某一奇数段绕组的预估电势信号ê₁(ê_1α，ê_1β)，

奇数段绕组的预估电势信号ê₁的α轴分量ê_1α和β轴分量ê_1β经过一阶低通滤波，滤除高频干扰信号后，通过atan2(-ê_1α，ê_1β)函数可以求出其观测值

表示电机的d轴与其A相的夹角，再利用旋转和直线运动变换方程

即求出动子位置，对动子位置进行微分即获得动子的速度信号

第一Park变换单元将输入的二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β及位置信号

进行静止坐标系到旋转坐标系的变换，获得的结果输入到第一电流调节器，

速度调节器将其输入的速度信号

与给定速度信号v^*进行比较，经速度PID调节运算后获得电流信号i_q，

第一电流调节器将接收到的由电流信号i_1α和i_1β经静止坐标系到旋转坐标系变换后获得的信号和电流信号i_q与电流给定信号i_d ^*进行比较后，获得的电压信号经第一Park逆变换单元进行二相旋转坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电压信号u_1α和u_1β，该二相静止坐标系的电压信号u_1α和u_1β经第一空间矢量脉宽调制单元输入给逻辑信号处理及锁存器，

逻辑信号处理及锁存器将接收到的信号进行缓存处理后输出给光隔驱动器，光隔驱动器将强弱电信号进行隔离后输出给第一智能功率模块，由第一智能功率模块实现对所述直线电机的奇数段绕组的控制；

当电机动子的位置信号

达到预设定阈值时，即电机动子横跨相邻两个定子段时，启动与所述定子段相邻的下一个定子段的智能功率模块驱动所述下一个定子段的电枢绕组开始工作，同时通过相应的电流传感器对该定子段的电枢绕组驱动电流进行采集，该过程具体为：

采用第一电流传感器采集第一智能功率模块的三相电流信号，然后将该三相电流信号输入到第一电流信号采样处理单元进行A/D转换，得到三相电流信号i_1a、i_1b和i_1c，三相电流信号i_1a、i_1b和i_1c经第一Clark变换单元进行三相静止坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β，该二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β同时输入给第一Park变换单元和第一反电势观测器，第一反电势观测器同时接收第一Park逆变换单元输出的电压信号u_1α和u_1β，第一反电势观测器经运算获得此时某一奇数段绕组的预估电势信号ê₁，

采用第二电流传感器采集第二智能功率模块的三相电流信号，然后将该三相电流信号输入到第二电流信号采样处理单元进行A/D转换，得到三相电流信号i_2a、i_2b和i_2c，三相电流信号i_2a、i_2b和i_2c经第二Clark变换单元进行三相静止坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电流信号i_2α和i_2β，该二相静止坐标系的电流信号i_2α和i_2β同时输入给第二Park变换单元和第二反电势观测器，第二反电势观测器同时接收第二Park逆变换单元输出的电压信号u_2α和u_2β，第二反电势观测器经运算获得此时某一偶数段绕组的预估电势信号ê₂(ê_2α，ê_2β)，

当电机动子匀速运动时：

奇数段绕组的预估电势信号模值|ê₁|，即和偶数段绕组的预估电势信号|ê₂|，即

通过区间判断信号单元进行模值比较获取段间位置系数

该段间位置系数

输入给逻辑信号处理及锁存器，再把

|ê₁|、|ê₂|送给位置及速度估计单元进行估算，获得位置信号

和速度信号

当电机动子在相邻两个定子段间进行加速、减速或匀速运动时：

奇数段绕组的预估电势信号ê₁和偶数段绕组的预估电势信号ê₂经复合运算单元进行相加合成，获得两个定子段感应电势信号的统一合成值(ê_α，ê_β)，该电势信号值经过位置及速度估计单元进行估算，获得位置信号

和速度信号

第一Park变换单元将输入的二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β及位置信号

进行静止坐标系到旋转坐标系的变换，获得的结果输入到第一电流调节器，

第二Park变换单元将输入的二相静止坐标系的电流信号i_2α和i_2β及位置信号

进行静止坐标系到旋转坐标系的变换，获得的结果输入到第二电流调节器，

速度调节器将其输入的速度信号

与给定速度信号v^*进行比较，获得电流信号i_q，

第一电流调节器将接收到的由电流信号i_1α和i_1β经静止坐标系到旋转坐标系变换后获得的信号和电流信号i_q与电流给定信号i_d ^*进行比较后，获得的电压信号经第一Park逆变换单元进行二相旋转坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电压信号u_1α和u_1β，该二相静止坐标系的电压信号u_1α和u_1β经第一空间矢量脉宽调制单元输入给逻辑信号处理及锁存器，

第二电流调节器将接收到的由电流信号i_2α和i_2β经静止坐标系到旋转坐标系变换后获得的信号和电流信号i_q与电流给定信号i_d ^*进行比较后，获得的电压信号经第二Park逆变换单元进行二相旋转坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电压信号u_2α和u_2β，该二相静止坐标系的电压信号u_2α和u_2β经第二空间矢量脉宽调制单元输入给逻辑信号处理及锁存器，

逻辑信号处理及锁存器将接收到的信号进行缓存处理后输出给光隔驱动器，光隔驱动器将强弱电信号进行隔离后输出给第一智能功率模块和第二智能功率模块，由第一智能功率模块和第二智能功率模块实现对所述直线电机的奇数段绕组和偶数段绕组的控制。

所述位置及速度估计单元对电机动子位置进行判断的具体方法分为加速或减速运动位置判断方法和匀速运动位置判断方法：

加速或减速运动位置判断方法：

根据公式：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}=-f_m\·\sin (\mathrm{x\π}/\mathrm{\τ})\·\mathrm{v\π}/\mathrm{\τ}\\ e_{\mathrm{\β}}=f_m\·\cos (\mathrm{x\π}/\mathrm{\τ})\·\mathrm{v\π}/\mathrm{\τ}\end{array}\right.,$

获得参数e，所述参数e表示定子绕组的感应电势，

公式中， $(-\frac{x}{\mathrm{p\τ}}+\frac{n}{p})$ 和 $(\frac{x}{\mathrm{p\τ}}-\frac{n}{p}+1)$ 为比例系数，

λ_PM表示磁链，f_m表示永磁体磁链，x表示动子位置信号，

nτ表示定子段的长度，n为大于1的整数，

P为电机极数，动子长度等于pτ，τ为电机极距；

根据上述公式，获得动子位置信号x：

$x=\mathrm{\θ}\·\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\τ}},$

式中θ＝a tan2(-ê_α，ê_β)；

进而根据动子位置信号x，获得动子速度v：

$v=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}};$

匀速运动位置判断方法：

第一段定子绕组和第二段定子绕组的感应电势的模值为：

$\left|{\hat{e}}_1\right|=\sqrt{{\hat{e}}_{1\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{1\mathrm{\β}}^2},$

$\left|{\hat{e}}_2\right|=\sqrt{{\hat{e}}_{2\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{2\mathrm{\β}}^2},$

根据段间位置系数

将段间位置系数

的比例关系映射到电机动子的长度上，则有：

$\hat{k}=\frac{\left|{\hat{e}}_1\right|}{\left|{\hat{e}}_2\right|}=\frac{A}{B},$

A+B＝pτ

式中A表示电机动子与相邻前一个定子段的耦合长度，B表示电机动子与相邻后一个定子段的耦合长度，

求解获得： $\begin{array}{c}A=\frac{\hat{k}\·\mathrm{p\τ}}{1+\hat{k}}\\ B=\frac{\mathrm{p\τ}}{1+\hat{k}}\end{array},$

式中： $0\≤\hat{k}\≤\∞,$

则获得动子位置信号x：x＝(nτ-pτ)+B，

进而根据动子位置信号x，获得动子速度v：

$v=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}},$ $\mathrm{\θ}=x\·\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\π}}.$

本发明的优点是：本发明针对绕组分段式直线电机，设计了一种无传感器控制装置及控制方法，它采用基于观测器的复合检测方法进行电机动子位置及速度的预估，进而实现电机的动子在相邻初级电枢段间的平滑运行。

本发明依据绕组分段直线电机相邻两个电枢段的三相反电势的非周期变化特点，通过电流传感器检测相邻两段电枢绕组中的三相电流信号，进而计算获得其三相电压信号，并进行采样处理，在非周期信号的变化过程中，抽取变量特征获得电势信号特征值，来获得动子的准确位置及速度信息。通过状态观测器或滑膜观测器获得相邻两段电枢绕组中的预估电势，由两组预估电势信号进行模值比较，该比较结果可以判断出电机动子所处区间，以据此进行供电切换。同时对两组预估电势信号进行复合相加运算及协同处理，提取反电势信号特征，并细化信号特征，建立特征信号与次级速度及位置的对应关系，信号的细化程度决定了预估速度及位置的准确度；采用微处理器DSP中软件编程功能实现对检测数据的一系列处理过程，实现对绕组分段直线电机的控制。

本发明克服了传统中依赖机械传感器采集信号对电机进行控制带来的使用限制和可靠性问题，极大拓展了分段电机系统的应用范围；本发明方法原理清晰，结合绕组分段电机的运动状态变量特点，能够避免位置检测的盲点，可以实现绕组分段电机的段间平稳过渡；它通过在微处理器中进行模块设计来增加相应模块，无需增加额外的硬件设备，实现方式简单，节约了系统成本。本发明所提出的无传感器控制方法及控制装置既适用于长初级绕组分段直线感应电机，也适用于长初级绕组分段永磁同步直线电机。

附图说明

图1为本发明的原理框图，图中箭头所示为动子运动方向；

图2为基于状态观测器的无传感器控制原理框图；

图3为基于滑膜观测器的无传感器控制原理框图；

图4为本发明所述电机绕组分段的结构示意图；

图5为本发明电机当次级部件处于图1所示位置时，第一段初级电枢绕组与第二段初级电枢绕组的反电势随动子位置的变化曲线图，图中E11、E12、E13为第一段初级电枢绕组的三相反电势，E21、E22、E23为第二段初级电枢绕组的三相反电势。

图6为直线电机动子通过直线电机相邻两分段边界时，两段绕组的三相反电势幅值合成拟合图，图中A为E11和E21合成的曲线，B为E12和E22合成的曲线，C为E13和E23合成的曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述绕组分段直线电机的无传感器控制装置，所述直线电机每个定子段的长度均大于所述直线电机动子沿运动方向的长度，其特征在于：它由第一智能功率模块1-1、第二智能功率模块1-2、第一电流传感器2-1、第二电流传感器2-2、光隔驱动器3、逻辑信号处理及锁存器4和微控制器DSP5组成，

微控制器DSP5由第一电流信号采样处理单元5-11、第二电流信号采样处理单元5-12、第一Clark变换单元5-21、第二Clark变换单元5-22、第一Park变换单元5-31、第二Park变换单元5-32、第一反电势观测器5-41、第二反电势观测器5-42、区间判断信号单元5-5、复合相加单元5-6、位置及速度估计单元5-7、速度调节器5-8、第一电流调节器5-91、第二电流调节器5-92、第一Park逆变换单元5-101、第二Park逆变换单元5-102、第一空间矢量脉宽调制单元5-111和第二空间矢量脉宽调制单元5-112组成，

第一智能功率模块1-1用于对所述直线电机的奇数段绕组进行驱动，第二智能功率模块1-2用于对所述直线电机的偶数段绕组进行驱动，

第一电流传感器2-1用于采集第一智能功率模块1-1中的三相电流信号，第二电流传感器2-2用于采集第二智能功率模块1-2中的三相电流信号，

第一电流传感器2-1的电流信号输出端连接第一电流信号采样处理单元5-11的电流信号输入端，第一电流信号采样处理单元5-11的电流信号输出端连接第一Clark变换单元5-21的电流信号输入端，第一Clark变换单元5-21的电流信号输出端同时连接第一Park变换单元5-31的电流信号输入端和第一反电势观测器5-41的电流信号输入端，第一反电势观测器5-41的电压信号输入端连接第一Park逆变换单元5-101的电压信号输出端，第一反电势观测器5-41的电势信号输出端同时连接区间判断信号单元5-5的第一电势信号输入端和复合相加单元5-6的第一电势信号输入端，

第二电流传感器2-2的电流信号输出端连接第二电流信号采样处理单元5-12的电流信号输入端，第二电流信号采样处理单元5-12的电流信号输出端连接第二Clark变换单元5-22的电流信号输入端，第二Clark变换单元5-22的电流信号输出端同时连接第二Park变换单元5-32的电流信号输入端和第二反电势观测器5-42的电流信号输入端，第二反电势观测器5-42的电压信号输入端连接第二Park逆变换单元5-102的电压信号输出端，第二反电势观测器5-42的电势信号输出端同时连接区间判断信号单元5-5的第二电势信号输入端和复合相加单元5-6的第二电势信号输入端，

复合相加单元5-6的电势信号输出端连接位置及速度估计单元5-7的电势信号输入端，位置及速度估计单元5-7的段间位置系数输入端连接区间判断信号单元5-5的段间位置系数输出端，区间判断信号单元5-5的段间位置系数输出端同时连接逻辑信号处理及锁存器4段间位置系数输入端，

位置及速度估计单元5-7的位置信号输出端同时连接第一Park变换单元5-31的位置信号输入端、第一Park逆变换单元5-101的位置信号输入端、第二Park变换单元5-32的位置信号输入端及第二Park逆变换单元5-102的位置信号输入端，

位置及速度估计单元5-7的速度信号输出端连接速度调节器5-8的估算速度信号输入端，速度调节器5-8的给定速度信号输入端用于输入给定速度信号，

速度调节器5-8电流信号输出端同时连接第一电流调节器5-91的估计电流信号输入端和第二电流调节器5-92的估计电流信号输入端，第一电流调节器5-91的给定电流信号输入端用于输入给定电流信号，第一电流调节器5-91的Park变换电流信号输入端连接第一Park变换单元5-31的电流信号输出端，第一电流调节器5-91的电压信号输出端连接第一Park逆变换单元5-101的电压信号输入端，第一Park逆变换单元5-101的电压信号输出端连接第一空间矢量脉宽调制单元5-111的电压信号输入端，第一空间矢量脉宽调制单元5-111的电压信号输出端连接逻辑信号处理及锁存器4的第一电压信号输入端，

第二电流调节器5-92的给定电流信号输入端用于输入给定电流信号，第二电流调节器5-92的Park变换电流信号输入端连接第二Park变换单元5-32的电流信号输出端，第二电流调节器5-92的电压信号输出端连接第二Park逆变换单元5-102的电压信号输入端，第二Park逆变换单元5-102的电压信号输出端连接第二空间矢量脉宽调制单元5-112的电压信号输入端，第二空间矢量脉宽调制单元5-112的电压信号输出端连接逻辑信号处理及锁存器4的第二电压信号输入端，

逻辑信号处理及锁存器4的电压信号输出端连接光隔驱动器3的电压信号输入端，光隔驱动器3的第一组驱动信号输出端连接第一智能功率模块1-1的驱动信号输入端，光隔驱动器3的第二组驱动信号输出端连接第二智能功率模块1-2的驱动信号输入端。

本实施方式采用基于永磁磁场定向的无传感器矢量控制方案对绕组分段直线电机进行控制，其速度和电流采用双闭环的PID调节器控制。整套驱动装置包括微控制器DSP5、两组智能功率模块、光隔驱动器3、两个电流传感器及逻辑信号处理及锁存器4，两组IPM三相逆变器模块(两组智能功率模块)分别实现了对所述直线电机的奇数段绕组和偶数段绕组的驱动，逻辑信号处理及锁存器4对其输入的数据进行缓存，光隔驱动器3对强\弱电信号进行隔离。由两个电流传感器分别获得两组智能功率模块中的三相电流信号，接至微控制器DSP5的模数A/D转换输入引脚进行电流信号采样。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述第一反电势观测器5-41和第二反电势观测器5-42为状态观测器。

具体实施方式三：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述第一反电势观测器5-41和第二反电势观测器5-42为滑膜观测器。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，所述第一智能功率模块1-1和第二智能功率模块1-2的型号为TMS150RLEA060。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，所述光隔驱动器3的型号为HCPL4504。

具体实施方式六：本实施方式为对实施方式一、二、三、四或五的进一步说明，所述第一电流传感器2-1和第二电流传感器2-2的型号为LA-100P。

具体实施方式七：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明，所述逻辑信号处理及锁存器4的型号为74LS541。

具体实施方式八：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步说明，所述微控制器DSP5的型号为TMS320F28335。

具体实施方式九：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述基于实施方式一至八中任一实施方式所述的绕组分段直线电机的无传感器控制装置的控制方法：

采用第一智能功率模块1-1对所述直线电机的奇数段绕组进行驱动，采用第二智能功率模块1-2对所述直线电机的偶数段绕组进行驱动，

当电机动子整体位于一个定子段内时，通过相应的电流传感器对该定子段的电枢绕组的驱动电流进行采集，并控制相应的智能功率模块控制该定子段的电枢绕组的驱动电流，以电机动子位于奇数段的一个定子段内为例说明控制过程：

采用第一电流传感器2-1采集第一智能功率模块1-1的三相电流信号，然后将该三相电流信号输入到第一电流信号采样处理单元5-11进行A/D转换，得到三相电流信号i_1a、i_1b和i_1c，三相电流信号i_1a、i_1b和i_1c经第一Clark变换单元5-21进行三相静止坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β，该二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β同时输入给第一Park变换单元5-31和第一反电势观测器5-41，第一反电势观测器5-41同时接收第一Park逆变换单元5-101输出的电压信号u_1α和u_1β，第一反电势观测器5-41经运算获得此时某一奇数段绕组的预估电势信号ê₁(ê_1α，ê_1β)，

奇数段绕组的预估电势信号ê₁的α轴分量ê_1α和β轴分量ê_1β经过一阶低通滤波，滤除高频干扰信号后，通过a tan2(-ê_1α，ê_1β)函数可以求出其观测值

表示电机的d轴与其A相的夹角，再利用旋转和直线运动变换方程

即求出动子位置，对动子位置进行微分即获得动子的速度信号

第一Park变换单元5-31将输入的二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β及位置信号

进行静止坐标系到旋转坐标系的变换，获得的结果输入到第一电流调节器5-91，

速度调节器5-8将其输入的速度信号

与给定速度信号v^*进行比较，经速度PID调节运算后获得电流信号i_q，

第一电流调节器5-91将接收到的由电流信号i_1α和i_1β经静止坐标系到旋转坐标系变换后获得的信号和电流信号i_q与电流给定信号i_d ^*进行比较后，获得的电压信号经第一Park逆变换单元5-101进行二相旋转坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电压信号u_1α和u_1β，该二相静止坐标系的电压信号u_1α和u_1β经第一空间矢量脉宽调制单元5-111输入给逻辑信号处理及锁存器4，

逻辑信号处理及锁存器4将接收到的信号进行缓存处理后输出给光隔驱动器3，光隔驱动器3将强弱电信号进行隔离后输出给第一智能功率模块1-1，由第一智能功率模块1-1实现对所述直线电机的奇数段绕组的控制；

当电机动子的位置信号

达到预设定阈值时，即电机动子横跨相邻两个定子段时，启动与所述定子段相邻的下一个定子段的智能功率模块驱动所述下一个定子段的电枢绕组开始工作，同时通过相应的电流传感器对该定子段的电枢绕组驱动电流进行采集，该过程具体为：

采用第一电流传感器2-1采集第一智能功率模块1-1的三相电流信号，然后将该三相电流信号输入到第一电流信号采样处理单元5-11进行A/D转换，得到三相电流信号i_1a、i_1b和i_1c，三相电流信号i_1a、i_1b和i_1c经第一Clark变换单元5-21进行三相静止坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β，该二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β同时输入给第一Park变换单元5-31和第一反电势观测器5-41，第一反电势观测器5-41同时接收第一Park逆变换单元5-101输出的电压信号u_1α和u_1β，第一反电势观测器5-41经运算获得此时某一奇数段绕组的预估电势信号ê₁，

采用第二电流传感器2-2采集第二智能功率模块1-2的三相电流信号，然后将该三相电流信号输入到第二电流信号采样处理单元5-12进行A/D转换，得到三相电流信号i_2a、i_2b和i_2c，三相电流信号i_2a、i_2b和i_2c经第二Clark变换单元5-22进行三相静止坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电流信号i_2α和i_2β，该二相静止坐标系的电流信号i_2α和i_2β同时输入给第二Park变换单元5-32和第二反电势观测器5-42，第二反电势观测器5-42同时接收第二Park逆变换单元5-102输出的电压信号u_2α和u_2β，第二反电势观测器5-42经运算获得此时某一偶数段绕组的预估电势信号ê₂(ê_2α，ê_2β)，

当电机动子匀速运动时：

奇数段绕组的预估电势信号模值|ê₁|，即

和偶数段绕组的预估电势信号|ê₂|，即通过区间判断信号单元5-5进行模值比较获取段间位置系数该段间位置系数输入给逻辑信号处理及锁存器4，再把

|ê₁|、|ê₂|送给位置及速度估计单元5-7进行估算，获得位置信号

和速度信号

当电机动子在相邻两个定子段间进行加速、减速或匀速运动时：

奇数段绕组的预估电势信号ê₁和偶数段绕组的预估电势信号ê₂经复合运算单元5-6进行相加合成，获得两个定子段感应电势信号的统一合成值(ê_α，ê_β)，该电势信号值经过位置及速度估计单元5-7进行估算，获得位置信号

和速度信号

第一Park变换单元5-31将输入的二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β及位置信号

进行静止坐标系到旋转坐标系的变换，获得的结果输入到第一电流调节器5-91，

第二Park变换单元5-32将输入的二相静止坐标系的电流信号i_2α和i_2β及位置信号

进行静止坐标系到旋转坐标系的变换，获得的结果输入到第二电流调节器5-92，

速度调节器5-8将其输入的速度信号与给定速度信号v^*进行比较，获得电流信号i_q，

第一电流调节器5-91将接收到的由电流信号i_1α和i_1β经静止坐标系到旋转坐标系变换后获得的信号和电流信号i_q与电流给定信号i_d ^*进行比较后，获得的电压信号经第一Park逆变换单元5-101进行二相旋转坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电压信号u_1α和u_1β，该二相静止坐标系的电压信号u_1α和u_1β经第一空间矢量脉宽调制单元5-111输入给逻辑信号处理及锁存器4，

第二电流调节器5-92将接收到的由电流信号i_2α和i_2β经静止坐标系到旋转坐标系变换后获得的信号和电流信号i_q与电流给定信号i_d ^*进行比较后，获得的电压信号经第二Park逆变换单元5-102进行二相旋转坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电压信号u_2α和u_2β，该二相静止坐标系的电压信号u_2α和u_2β经第二空间矢量脉宽调制单元5-112输入给逻辑信号处理及锁存器4，

逻辑信号处理及锁存器4将接收到的信号进行缓存处理后输出给光隔驱动器3，光隔驱动器3将强弱电信号进行隔离后输出给第一智能功率模块1-1和第二智能功率模块1-2，由第一智能功率模块1-1和第二智能功率模块1-2实现对所述直线电机的奇数段绕组和偶数段绕组的控制。

本实施方式所述的控制方法由微控制器DSP5中的模块设计实现。依据电机的数学模型，在微控制器DSP5中建立两个闭环观测器，该闭环观测器可为图2所示的状态观测器或图3所示的滑模观测器。逻辑信号处理及锁存器4输出的控制信号，可以改变能功率模块的工作状态，速度调节器5-8对两个电流调节器输出的采集获得的电流值进行同步获取，能够实现动子在初级相邻两个电枢段之间的平稳过渡。

当电机动子完全进入第二段电机定子段时，运行情况与上述动子完全在一段定子段内的运行情况一致，依此类推。

具体实施方式十：本实施方式是对实施方式九的进一步说明，所述位置及速度估计单元5-7对电机动子位置进行判断的具体方法分为加速或减速运动位置判断方法和匀速运动位置判断方法：

加速或减速运动位置判断方法：

根据公式：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}=-f_m\·\sin (\mathrm{x\π}/\mathrm{\τ})\·\mathrm{v\π}/\mathrm{\τ}\\ e_{\mathrm{\β}}=f_m\·\cos (\mathrm{x\π}/\mathrm{\τ})\·\mathrm{v\π}/\mathrm{\τ}\end{array}\right.,$

获得参数e，所述参数e表示定子绕组的感应电势，

公式中， $(-\frac{x}{\mathrm{p\τ}}+\frac{n}{p})$ 和 $(\frac{x}{\mathrm{p\τ}}-\frac{n}{p}+1)$ 为比例系数，

λ_PM表示磁链，f_m表示永磁体磁链，x表示动子位置信号，

nτ表示定子段的长度，n为大于1的整数，

P为电机极数，动子长度等于pτ，τ为电机极距；

根据上述公式，获得动子位置信号x：

$x=\mathrm{\θ}\·\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\τ}},$

式中θ＝a tan 2(-ê_α，ê_β)；

进而根据动子位置信号x，获得动子速度v：

$v=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}};$

由于本发明电机的结构特点，相邻两段定子绕组在物理上是断开的，但在空间上是连续的(没有间隔)，因此当电机动子在相邻两段电机定子段间运动时相邻两个定子段的感应电势无相位差。从而可以将两段感应电势直接相加，合成为一个统一的感应电势，效果就如同一段电机一样，利用公式可以计算出动子位置和速度。该方法适合于各种运行条件下使用且对精度较高的场合，如加速运行，减速运行及匀速运行。

当电机动子在分段定子段区间运动情况下，电机动子移出某相邻前一个定子段时，电机动子的永磁体磁链与该定子段的电枢绕组耦合程度逐渐减弱且成线性关系变化，相应的感应电势也逐渐减小，直到完全移出该定子段时会变为零。电机动子逐渐进入相邻下一个定子段时，电机动子的永磁体磁链与该定子段的电枢绕组耦合程度逐渐增强且成线性变化，直到完全进入时达到极值，相应的感应电势亦如此变化。但永磁体磁与两段电机定子段总的耦合长度是保持不变的，与两段电机耦合值的和同动子完全在一段定子段内运行时完全相同，近似为一个常量f_m。

匀速运动位置判断方法：

第一段定子绕组和第二段定子绕组的感应电势的模值为：

$\left|{\hat{e}}_1\right|=\sqrt{{\hat{e}}_{1\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{1\mathrm{\β}}^2},$

$\left|{\hat{e}}_2\right|=\sqrt{{\hat{e}}_{2\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{2\mathrm{\β}}^2},$

根据段间位置系数

将段间位置系数

的比例关系映射到电机动子的长度上，则有：

$\hat{k}=\frac{\left|{\hat{e}}_1\right|}{\left|{\hat{e}}_2\right|}=\frac{A}{B},$

A+B＝pτ

式中A表示电机动子与相邻前一个定子段的耦合长度，B表示电机动子与相邻后一个定子段的耦合长度，

求解获得： $\begin{array}{c}A=\frac{\hat{k}\·\mathrm{p\τ}}{1+\hat{k}}\\ B=\frac{\mathrm{p\τ}}{1+\hat{k}}\end{array},$

式中： $0\≤\hat{k}\≤\∞,$

则获得动子位置信号x：x＝(nτ-pτ)+B，

进而根据动子位置信号x，获得动子速度v：

$v=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}},$ $\mathrm{\θ}=x\·\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\π}}.$

虽然相邻两个定子段的感应电势是不断变化的，但匀速运动时相邻两个定子段的感应电势的幅值之和为一个常量，该常量与电机动子在某一个定子段内运行时的幅值相等，因此可以利用该两段电机的感应电势幅值之比来定位动子并确定动子速度。当电机动子运行位置达到阈值时，用阈值加上B的值就是电机动子的位置x。此时，当

为零时，就停止给一个定子段的电枢绕组供电，仅对第二个定子段的电枢绕组供电即可。

本实施方式中关于阈值的设定，可以采用诸多方法，比如：采用定子段的长度nτ与动子长度pτ作差，所述差值即为阈值。也可以采用尺直接测量进而获得所述阈值。当开始给相邻的下一段定子绕组供电时，当动子已完全脱离相邻的前一段定子，即该前一段定子的电势减小到0时，及时停止给该段定子绕组供电。

下面给出三个定子段的供电策略，对多个定子段的情况，原理相同：

结合图4和图5，给出了相邻段电枢绕组的三相反电势随动子位置的变化特点，电机动子与某一段初级绕组有三种位置关系：即动子进入某一段初级绕组、动子完全位于某一段初级绕组内、动子离开某一段初级绕组。当电机动子完全位于第一段初级电枢绕组内时，三相反电势E11、E12、E13随动子位置呈现周期性变化，当动子进入某一段时，进入段的绕组反电势E21、E22、E2逐渐变大，离开段的反电势E11、E12、E13逐渐较小，退出某段时的情况与此相同，反电势随动子位置呈现出非周期性变化。对于直线感应电机来说，运动的次级部件一般是铜或铝制成的金属板；对于永磁同步直线电机来说，运动的次级部件是永磁体及铁轭部分。

参照图2对基于状态观测器的无传感器电机控制方法的实现过程进行详细说明。观测器的建立过程如下：对计算反电势(图5中的E11、E12、E13及E21、E22、E 23)，进行归一化处理，以其变化量为扰动量建立扰动观测器，依据电机的数学模型来预测电机状态；以电流采样信号的观测误差来构成校正项，这个校正项相当于一个误差补偿器，由它产生对状态估计方程的校正输入，由此构成了闭环状态估计。随后对两组扰动状态观测器输出的预估电势信号进行如下综合处理：首先通过两组估计电势的模值比较，进行区间判断，经微处理器DSP处理，通过逻辑信号处理及锁存器4输出信号

实现供电切换；对两组估计电势进行复合相加计算，可建立信号特征与速度及位置的关系表，通过查表法输出速度及位置信息，结合区间判断结果，改变IPM模块工作状态。通过微处理器中软件编程功能实现状态观测器模块、区间判断、复合相加、信号特征模块等多个模块功能。该方法具有动态性能好，稳定性高的特点。

本实施方式中无位置传感器检测方法还可以采用滑膜观测器。以静止坐标系下的定子电流为状态变量建立滑膜观测器，定义电流观测误差作为滑模平面，采用滑膜面的开关函数作为反馈，同时根据滑膜可达条件计算出开关函数增益取值范围。根据滑膜变结构理论，当滑动模态发生时，电流以及电流变化率均为零，根据等效控制原理，此时开关函数与反电势相等，即得到了反电势的观测值。该方法的控制过程具有很强的鲁棒性，可以避免状态观测器受电机参数变化影响较大的问题，估计算法也较简单。随后对得到的预估电势结果的处理方法与采用状态观测器相同。

本发明方法中，采用基于永磁磁场定向的无传感器矢量控制方案，速度和电流采用双闭环的PID调节器。其驱动控制装置可以为：三菱公司的IPM智能功率模块TMS150RLEA060、安捷伦公司的光隔驱动HCPL4504、Lem莱姆公司的电流传感器LA-100P、锁存电路74LS541、TI公司的微控制器DSP芯片TMS320F28335。两组IPM三相逆变器模块分别对奇数段与偶数段电枢供电，并根据逻辑信号处理及锁存器4的输出信号实时调整IPM模块工作状态。由电流传感器获得两组IPM模块中的三相电流信号，对其进行放大偏置处理后，送入DSP内部的12位模数转换模块进行采样。通过算法模块计算实时位置及速度信息，速度信息反馈入速度PID环节，构成速度闭环；速度环输出信号为两个电流调节器输入参考电流，与经过clark、park变换后的电流采样信号构成两组电流闭环调节器。

本发明中的驱动控制装置的工作过程：图5所示，当电机次级动子在第一段初级电枢绕组内运行时，第一智能功率模块1-1工作，第二智能功率模块1-2不工作，一旦观测出来的位置

等于事先设定好的阈值，就证明电机动子已经接近相邻定子段分段区间的边界了，次级电机动子要逐渐进入第二段定子段并逐渐退出第一段电机定子段。此时，微控制器DSP5给出指令，使第二智能功率模块1-2启动工作；因为此时电机动子磁链与第一段定子绕组耦合程度逐渐减小，反电势也就逐渐减小(和动子磁链的耦合程度成线性关系)，无法利用一段反电势计算动子的位置和速度，所以需要利用第二段电机的反电势信号共同处理(第二段电机的份额反电势信号逐渐增大，与动子磁链的耦合程度成线性关系)。通过预估电势ê₁和ê₂中的模值比较或复合相加运算后，通过对预先设置特征表进行查询获得准确的位置及速度信息，判断次级的位置区间；当估计

说明次级动子此时完全进入第二电枢段，则使第一智能功率模块1-1停止工作；以上过程中的信号由逻辑信号处理及锁存器4输出给智能功率模块，以实现供电切换。反馈回外环速度PID调节器和内环电流PID调节器，经SVPWM脉宽调制，改变IPM智能功率模块工作状态。两个电流调节器的参考电流均采用速度外环的输出信号，相邻两段电枢绕组中励磁电流达到同步控制，即实现平稳过渡。

或者利用直线电机的两个分段反电势的幅值的比值也可以判断动子在段间的位置信息，对位置微分求得速度值。两种方法加以复合校正可以得到动子的精确位置x和速度信息v。这时当位置达到另一特定值时(事先标定好的)，说明动子已经离开分段区间，进入到第二段电机了。因此停止对第一段电机供电，仅对第二段电机供电，并利用段内无传感器算法(滑模观测器)计算动子的位置和速度。

本发明方法实现了分段电机次级位置及速度的准确预估，保证了动子在段内运行的平滑过渡，它充分利用分段电机系统相邻两段电枢绕组中的反电势变化特点，通过建立观测器进行电势预估，由模值比较和复合运算实现了动子位置及速度的预估。本发明所述的方法及控制装置既适用于长初级绕组分段的直线感应电机，又适用于长初级绕组分段的永磁同步直线电机。

Claims (10)

1.一种绕组分段直线电机的无传感器控制装置，所述直线电机每个定子段的长度均大于所述直线电机动子沿运动方向的长度，其特征在于：它由第一智能功率模块（1-1）、第二智能功率模块（1-2）、第一电流传感器（2-1）、第二电流传感器（2-2）、光隔驱动器（3）、逻辑信号处理及锁存器（4）和微控制器DSP（5）组成，

微控制器DSP（5）由第一电流信号采样处理单元（5-11）、第二电流信号采样处理单元（5-12）、第一Clark变换单元（5-21）、第二Clark变换单元（5-22）、第一Park变换单元（5-31）、第二Park变换单元（5-32）、第一反电势观测器（5-41）、第二反电势观测器（5-42）、区间判断信号单元（5-5）、复合相加单元（5-6）、位置及速度估计单元（5-7）、速度调节器（5-8）、第一电流调节器（5-91）、第二电流调节器（5-92）、第一Park逆变换单元（5-101）、第二Park逆变换单元（5-102）、第一空间矢量脉宽调制单元（5-111）和第二空间矢量脉宽调制单元（5-112）组成，

第一智能功率模块（1-1）用于对所述直线电机的奇数段绕组进行驱动，第二智能功率模块（1-2）用于对所述直线电机的偶数段绕组进行驱动，

第一电流传感器（2-1）用于采集第一智能功率模块（1-1）中的三相电流信号，第二电流传感器（2-2）用于采集第二智能功率模块（1-2）中的三相电流信号，

第一电流传感器（2-1）的电流信号输出端连接第一电流信号采样处理单元（5-11）的电流信号输入端，第一电流信号采样处理单元（5-11）的电流信号输出端连接第一Clark变换单元（5-21）的电流信号输入端，第一Clark变换单元（5-21）的电流信号输出端同时连接第一Park变换单元（5-31）的电流信号输入端和第一反电势观测器（5-41）的电流信号输入端，第一反电势观测器（5-41）的电压信号输入端连接第一Park逆变换单元（5-101）的电压信号输出端，第一反电势观测器（5-41）的电势信号输出端同时连接区间判断信号单元（5-5）的第一电势信号输入端和复合相加单元（5-6）的第一电势信号输入端，

第二电流传感器（2-2）的电流信号输出端连接第二电流信号采样处理单元（5-12）的电流信号输入端，第二电流信号采样处理单元（5-12）的电流信号输出端连接第二Clark变换单元（5-22）的电流信号输入端，第二Clark变换单元（5-22）的电流信号输出端同时连接第二Park变换单元（5-32）的电流信号输入端和第二反电势观测器（5-42）的电流信号输入端，第二反电势观测器（5-42）的电压信号输入端连接第二Park逆变换单元（5-102）的电压信号输出端，第二反电势观测器（5-42）的电势信号输出端同时连接区间判断信号单元（5-5）的第二电势信号输入端和复合相加单元（5-6）的第二电势信号输入端，

复合相加单元（5-6）的电势信号输出端连接位置及速度估计单元（5-7）的电势信号输入端，位置及速度估计单元（5-7）的段间位置系数输入端连接区间判断信号单元（5-5）的段间位置系数输出端，区间判断信号单元（5-5）的段间位置系数输出端同时连接逻辑信号处理及锁存器（4）段间位置系数输入端，

位置及速度估计单元（5-7）的位置信号输出端同时连接第一Park变换单元（5-31）的位置信号输入端、第一Park逆变换单元（5-101）的位置信号输入端、第二Park变换单元（5-32）的位置信号输入端及第二Park逆变换单元（5-102）的位置信号输入端，

位置及速度估计单元（5-7）的速度信号输出端连接速度调节器（5-8）的估算速度信号输入端，速度调节器（5-8）的给定速度信号输入端用于输入给定速度信号，

速度调节器（5-8）电流信号输出端同时连接第一电流调节器（5-91）的估计电流信号输入端和第二电流调节器（5-92）的估计电流信号输入端，第一电流调节器（5-91）的给定电流信号输入端用于输入给定电流信号，第一电流调节器（5-91）的Park变换电流信号输入端连接第一Park变换单元（5-31）的电流信号输出端，第一电流调节器（5-91）的电压信号输出端连接第一Park逆变换单元（5-101）的电压信号输入端，第一Park逆变换单元（5-101）的电压信号输出端连接第一空间矢量脉宽调制单元（5-111）的电压信号输入端，第一空间矢量脉宽调制单元（5-111）的电压信号输出端连接逻辑信号处理及锁存器（4）的第一电压信号输入端，

第二电流调节器（5-92）的给定电流信号输入端用于输入给定电流信号，第二电流调节器（5-92）的Park变换电流信号输入端连接第二Park变换单元（5-32）的电流信号输出端，第二电流调节器（5-92）的电压信号输出端连接第二Park逆变换单元（5-102）的电压信号输入端，第二Park逆变换单元（5-102）的电压信号输出端连接第二空间矢量脉宽调制单元（5-112）的电压信号输入端，第二空间矢量脉宽调制单元（5-112）的电压信号输出端连接逻辑信号处理及锁存器（4）的第二电压信号输入端，

逻辑信号处理及锁存器（4）的电压信号输出端连接光隔驱动器（3）的电压信号输入端，光隔驱动器（3）的第一组驱动信号输出端连接第一智能功率模块（1-1）的驱动信号输入端，光隔驱动器（3）的第二组驱动信号输出端连接第二智能功率模块（1-2）的驱动信号输入端。

2.根据权利要求1所述的绕组分段直线电机的无传感器控制装置，其特征在于：所述第一反电势观测器（5-41）和第二反电势观测器（5-42）为状态观测器。

3.根据权利要求1所述的绕组分段直线电机的无传感器控制装置，其特征在于：所述第一反电势观测器（5-41）和第二反电势观测器（5-42）为滑膜观测器。

4.根据权利要求1、2或3所述的绕组分段直线电机的无传感器控制装置，其特征在于：所述第一智能功率模块（1-1）和第二智能功率模块（1-2）的型号为TMS150RLEA060。

5.根据权利要求1、2或3所述的绕组分段直线电机的无传感器控制装置，其特征在于：所述光隔驱动器（3）的型号为HCPL4504。

6.根据权利要求1、2或3所述的绕组分段直线电机的无传感器控制装置，其特征在于：所述第一电流传感器（2-1）和第二电流传感器（2-2）的型号为LA-100P。

7.根据权利要求1、2或3所述的绕组分段直线电机的无传感器控制装置，其特征在于：所述逻辑信号处理及锁存器（4）的型号为74LS541。

8.根据权利要求1、2或3所述的绕组分段直线电机的无传感器控制装置，其特征在于：所述微控制器DSP（5）的型号为TMS320F28335。

9.一种基于权利要求1所述绕组分段直线电机的无传感器控制装置的控制方法，其特征在于：

采用第一智能功率模块（1-1）对所述直线电机的奇数段绕组进行驱动，采用第二智能功率模块（1-2）对所述直线电机的偶数段绕组进行驱动，

当电机动子整体位于一个定子段内时，通过相应的电流传感器对该定子段的电枢绕组的驱动电流进行采集，并控制相应的智能功率模块控制该定子段的电枢绕组的驱动电流，电机动子位于奇数段的一个定子段内的控制过程为：

采用第一电流传感器（2-1）采集第一智能功率模块（1-1）的三相电流信号，然后将该三相电流信号输入到第一电流信号采样处理单元（5-11）进行A/D转换，得到三相电流信号i_1a、i_1b和i_1c，三相电流信号i_1a、i_1b和i_1c经第一Clark变换单元（5-21）进行三相静止坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β，该二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β同时输入给第一Park变换单元（5-31）和第一反电势观测器（5-41），第一反电势观测器（5-41）同时接收第一Park逆变换单元（5-101）输出的电压信号u_1α和u_1β，第一反电势观测器（5-41）经运算获得此时某一奇数段绕组的预估电势信号

奇数段绕组的预估电势信号

的α轴分量

和β轴分量

经过一阶低通滤波，滤除高频干扰信号后，通过函数可以求出其观测值

表示电机的d轴与其A相的夹角，再利用旋转和直线运动变换方程

即求出动子位置，对动子位置进行微分即获得动子的速度信号

第一Park变换单元（5-31）将输入的二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β及位置信号

进行静止坐标系到旋转坐标系的变换，获得的结果输入到第一电流调节器（5-91），

速度调节器（5-8）将其输入的速度信号与给定速度信号v^*进行比较，经速度PID调节运算后获得电流信号i_q，

第一电流调节器（5-91）将接收到的由电流信号i_1α和i_1β经静止坐标系到旋转坐标系变换后获得的信号和电流信号i_q与电流给定信号i_d ^*进行比较后，获得的电压信号经第一Park逆变换单元（5-101）进行二相旋转坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电压信号u_1α和u_1β，该二相静止坐标系的电压信号u_1α和u_1β经第一空间矢量脉宽调制单元（5-111）输入给逻辑信号处理及锁存器（4），

逻辑信号处理及锁存器（4）将接收到的信号进行缓存处理后输出给光隔驱动器（3），光隔驱动器（3）将强弱电信号进行隔离后输出给第一智能功率模块（1-1），由第一智能功率模块（1-1）实现对所述直线电机的奇数段绕组的控制；

当电机动子的位置信号

达到预设定阈值时，即电机动子横跨相邻两个定子段时，启动与所述定子段相邻的下一个定子段的智能功率模块驱动所述下一个定子段的电枢绕组开始工作，同时通过相应的电流传感器对该定子段的电枢绕组驱动电流进行采集，该过程具体为：

采用第一电流传感器（2-1）采集第一智能功率模块（1-1）的三相电流信号，然后将该三相电流信号输入到第一电流信号采样处理单元（5-11）进行A/D转换，得到三相电流信号i_1a、i_1b和i_1c，三相电流信号i_1a、i_1b和i_1c经第一Clark变换单元（5-21）进行三相静止坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β，该二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β同时输入给第一Park变换单元（5-31）和第一反电势观测器（5-41），第一反电势观测器（5-41）同时接收第一Park逆变换单元（5-101）输出的电压信号u_1α和u_1β，第一反电势观测器（5-41）经运算获得此时某一奇数段绕组的预估电势信号

采用第二电流传感器（2-2）采集第二智能功率模块（1-2）的三相电流信号，然后将该三相电流信号输入到第二电流信号采样处理单元（5-12）进行A/D转换，得到三相电流信号i_2a、i_2b和i_2c，三相电流信号i_2a、i_2b和i_2c经第二Clark变换单元（5-22）进行三相静止坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电流信号i_2α和i_2β，该二相静止坐标系的电流信号i_2α和i_2β同时输入给第二Park变换单元（5-32）和第二反电势观测器（5-42），第二反电势观测器（5-42）同时接收第二Park逆变换单元（5-102）输出的电压信号u_2α和u_2β，第二反电势观测器（5-42）经运算获得此时某一偶数段绕组的预估电势信号

当电机动子匀速运动时：

奇数段绕组的预估电势信号模值即

和偶数段绕组的预估电势信号

即通过区间判断信号单元（5-5）进行模值比较获取段间位置系数

该段间位置系数

输入给逻辑信号处理及锁存器（4），再把

送给位置及速度估计单元（5-7）进行估算，获得位置信号和速度信号

当电机动子在相邻两个定子段间进行加速、减速或匀速运动时：

奇数段绕组的预估电势信号和偶数段绕组的预估电势信号

经复合运算单元（5-6）进行相加合成，获得两个定子段感应电势信号的统一合成值

该电势信号值经过位置及速度估计单元（5-7）进行估算，获得位置信号

和速度信号

第一Park变换单元（5-31）将输入的二相静止坐标系的电流信号i_1α和i_1β及位置信号

进行静止坐标系到旋转坐标系的变换，获得的结果输入到第一电流调节器（5-91），

第二Park变换单元（5-32）将输入的二相静止坐标系的电流信号i_2α和i_2β及位置信号

进行静止坐标系到旋转坐标系的变换，获得的结果输入到第二电流调节器（5-92），

速度调节器（5-8）将其输入的速度信号

与给定速度信号v^*进行比较，获得电流信号i_q，

第一电流调节器（5-91）将接收到的由电流信号i_1α和i_1β经静止坐标系到旋转坐标系变换后获得的信号和电流信号i_q与电流给定信号i_d ^*进行比较后，获得的电压信号经第一Park逆变换单元（5-101）进行二相旋转坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电压信号u_1α和u_1β，该二相静止坐标系的电压信号u_1α和u_1β经第一空间矢量脉宽调制单元（5-111）输入给逻辑信号处理及锁存器（4），

第二电流调节器（5-92）将接收到的由电流信号i_2α和i_2β经静止坐标系到旋转坐标系变换后获得的信号和电流信号i_q与电流给定信号i_d ^*进行比较后，获得的电压信号经第二Park逆变换单元（5-102）进行二相旋转坐标系到二相静止坐标系的变换获得二相静止坐标系的电压信号u_2α和u_2β，该二相静止坐标系的电压信号u_2α和u_2β经第二空间矢量脉宽调制单元（5-112）输入给逻辑信号处理及锁存器（4），

逻辑信号处理及锁存器（4）将接收到的信号进行缓存处理后输出给光隔驱动器（3），光隔驱动器（3）将强弱电信号进行隔离后输出给第一智能功率模块（1-1）和第二智能功率模块（1-2），由第一智能功率模块（1-1）和第二智能功率模块（1-2）实现对所述直线电机的奇数段绕组和偶数段绕组的控制。

10.根据权利要求9所述的绕组分段直线电机的无传感器控制装置的控制方法，其特征在于：所述位置及速度估计单元（5-7）对电机动子位置进行判断的具体方法分为加速或减速运动位置判断方法和匀速运动位置判断方法：

加速或减速运动位置判断方法：

根据公式：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}=-f_m\·\sin (\mathrm{x\π}/\mathrm{\τ})\·\mathrm{v\π}/\mathrm{\τ}\\ e_{\mathrm{\β}}=f_m\·\cos (\mathrm{x\π}/\mathrm{\τ})\·\mathrm{v\π}/\mathrm{\τ}\end{array}\right.,$

获得参数e，所述参数e表示定子绕组的感应电势，

公式中，

和

为比例系数，

λ_PM表示磁链，f_m表示永磁体磁链，x表示动子位置信号，

nτ表示定子段的长度,n为大于1的整数，

P为电机极数，动子长度等于pτ，τ为电机极距；

根据上述公式，获得动子位置信号x：

$x=\mathrm{\θ}\·\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\τ}},$

式中 $\mathrm{\θ}=a\tan 2({-\hat{e}}_{\mathrm{\α}},{\hat{e}}_{\mathrm{\β}});$

进而根据动子位置信号x，获得动子速度v：

$v=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}};$

匀速运动位置判断方法：

第一段定子绕组和第二段定子绕组的感应电势的模值为：

$\left|\hat{e}1\right|=\sqrt{{\hat{e}}_{1\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{1\mathrm{\β}}^2},$

$\left|\hat{e}2\right|=\sqrt{{\hat{e}}_{2\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{2\mathrm{\β}}^2},$

根据段间位置系数

将段间位置系数

的比例关系映射到电机动子的长度上，则有：

A+B=pτ

式中A表示电机动子与相邻前一个定子段的耦合长度，B表示电机动子与相邻后一个定子段的耦合长度，

求解获得： $\begin{array}{c}A=\frac{\widehat{k\·}\mathrm{p\τ}}{1+\hat{k}}\\ B=\frac{\mathrm{p\τ}}{1+\hat{k}}\end{array},$

式中： $0\≤\hat{k}\≤+\∞,$

则获得动子位置信号x：x=(nτ-pτ)+B，

进而根据动子位置信号x，获得动子速度v：

$v=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}},$ $\mathrm{\θ}=x\·\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\π}}.$

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