CN103501151B - 一种永磁直线电机用无位置传感器 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种永磁直线电机用无位置传感器

技术领域

本发明涉及一种永磁直线电机用的无位置传感器，更为具体地说是一种将初始位置检测、滑模观测器、旋转高频电压注入和重复控制器相结合的无位置传感器。

背景技术

目前，由于数控加工领域在速度、加速度、精度以及工作行程方面的需求越来越高，新型数控机床逐渐趋向于采用直线永磁电机作为进给驱动电机以替代传统的“旋转伺服电机+滚珠丝杠”的进给方式，高性能的数控机床驱动系统广泛采用了矢量控制和直接转矩控制策略，他们都需要位置传感器提供转速与动子位置反馈信号。但是，一般情况下，数控机床采用机械式位置传感器来检测电机的转速和动子位置，如光电编码器和旋转变压器。然后，机械式传感器的存在带来了很多弊端：1）电机与控制器之间的连接元件增多，坑干扰能力变差，降低了系统可靠性；2）加大了电机空间尺寸和体积，减少了功率密度，增加了系统的硬件成本和维护成本；3）在高温与强腐蚀环境中，将使传感器性能变差、甚至失效，导致电机驱动系统无法正常工作。

众所研究成果表明，当电机转速高于一定的转速时，实现无位置传感器控制并不困难，但在起动、零速和低速运行时，实现转速和位置估计难度较大。从现有的技术可以看出，无位置传感器控制技术大致可以分为两大类：一类适用于中、高速，另一类适用于零速和低速。中、高速的控制方法大多基于电机基波模型，直接从反电动势中获取动子位置信息，相对容易实现。但在低速时反电势信号较小不易检测，特别是当电机静止时反电势为零，难以从反电势中获得动子位置。

发明内容

发明目的：为了克服机械式传感器带来的弊端，同时解决零速和低速段位置检测难度较大问题，本发明目的是提供一种永磁直线电机用的无位置传感器，可以针对不同的速度段来选择检测方法并且将初始位置检测、滑模观测器、高频电压注入和重复控制器相结合，提高永磁直线电机以及应用永磁直线电机的数控机床进给驱动系统的稳定性、精确度和动态响应能力。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种永磁直线电机用无位置传感器，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：

$L_{\mathrm{ab}}\left({\mathrm{\θ}}_r\right)=\frac{{2U}_{\mathrm{dc}}}{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ab}}/{\mathrm{dt}|}_{\mathrm{on}}-{\mathrm{di}}_{\mathrm{ab}}/{\mathrm{dt}|}_{\mathrm{off}}}$

$L_{\mathrm{ac}}\left({\mathrm{\θ}}_r\right)=\frac{{2U}_{\mathrm{dc}}}{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}}/{\mathrm{dt}|}_{\mathrm{on}}-{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}}/{\mathrm{dt}|}_{\mathrm{off}}}$

$L_{\mathrm{bc}}\left({\mathrm{\θ}}_r\right)=\frac{{2U}_{\mathrm{dc}}}{{\mathrm{di}}_{\mathrm{bc}}/{\mathrm{dt}|}_{\mathrm{on}}-{\mathrm{di}}_{\mathrm{bc}}/{\mathrm{dt}|}_{\mathrm{off}}}$

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：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{ab}}=3[L_o+L_m\cos (2P_r{\mathrm{\θ}}_r-{120}^0)]\\ L_{\mathrm{ac}}=3[L_o+L_m\cos (2P_r{\mathrm{\θ}}_r+{120}^0)]\\ L_{\mathrm{bc}}=3[L_o+L_m\cos \left(2P_r{\mathrm{\θ}}_r\right)]\end{array}\right.$

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：

$v_{\mathrm{qdsi}}^s=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{qsi}}^s\\ v_{\mathrm{dsi}}^s\end{array}\right]=v_{\mathrm{si}}\left[\begin{array}{c}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\ω}}_{i}t\right)\end{array}\right]=v_{\mathrm{si}}{e}^{j{\mathrm{\ω}}_{i}t}\end{array}$

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：

$i_{\mathrm{qdi}}=i_{\mathrm{dqs}\_\mathrm{ip}}^s+i_{\mathrm{dqs}\_\mathrm{in}}^s=i_{\mathrm{ip}}{e}^{j({\mathrm{\θ}}_t\left(t\right)-\mathrm{\π}/2)}+i_{\mathrm{in}}{e}^{j(2{\mathrm{\θ}}_{r1}-{\mathrm{\θ}}_t\left(t\right)+\mathrm{\π}/2)}$

其中： $i_{\mathrm{dqs}\_\mathrm{ip}}^s=i_{\mathrm{ip}}{e}^{j({\mathrm{\θ}}_t\left(t\right)-\mathrm{\π}/2)}$ 为正相序电流分量； $i_{\mathrm{dqs}\_\mathrm{in}}^s=i_{\mathrm{in}}{e}^{j(2{\mathrm{\θ}}_{r1}-{\mathrm{\θ}}_t\left(t\right)+\mathrm{\π}/2)}$ 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：

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，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：

${\stackrel{.}{\hat{i}}}_{\mathrm{sf}}=A{\hat{i}}_{\mathrm{sf}}+B(u_{\mathrm{sf}}-z)$

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为滑膜控制函数， $\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{k\&delta;}& {\tilde{i}}_{\mathrm{sf}}\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}\\ k{\tilde{i}}_{\mathrm{sf}}& -\mathrm{\&delta;}<{\tilde{i}}_{\mathrm{sf}}<\mathrm{\&delta;}\\ -\mathrm{k\&delta;}& {\tilde{i}}_{\mathrm{sf}}\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.;$ 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

${\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r2}={-\tan }^{-1}(e_{\mathrm{s\&alpha;f}}/e_{\mathrm{s\&beta;f}})$

其中：为α坐标系下的反电动势，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：

${\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r3}=\mathrm{\&gamma;}{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r1}+(1-\mathrm{\&gamma;}){\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r2}$

其中：γ为加权因子，且：

$\mathrm{\&gamma;}=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r\right|\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rp}1}\\ \frac{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rp}2}-{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r}{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rp}2}-{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rp}1}}{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rp}1}<\left|{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r\right|<{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rp}2}& \\ 0& \left|{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r\right|\&GreaterEqual;{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rp}2}\end{array}\right.$

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。

有益效果：本发明提供的永磁直线电机用无位置传感器，可以针对不同的速度段来选择检测方法并且将初始位置检测、滑模观测器、旋转高频电压注入和重复控制器相结合，提高了直线伺服电机位置的检测精度；特别适用于进给驱动装置采用直线电机的数控机床的高精度伺服系统中。

附图说明

图1为初始位置检测的原理框图；

图2为三相逆变器结构示意图；

图3为旋转高频注入法和重复控制器的原理框图；

图4为滑模观测器和混合观测器原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种永磁直线电机用无位置传感器，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，下面结合各个模块，对永磁直线电机的动子位置角的估计值获得过程进行说明。

初始位置检测模块

如图1所示，在电机启动前，需要对初始位置进行检测，本案采用的方法为：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。以A相为例，第一步施加电压脉冲到A、B相，C相悬空，第二步使T₁和T₄关断，电流通过二极管续流，通过线电感计算模块可以得到AB相线电感L_ab为：

$L_{\mathrm{ab}}\left({\mathrm{\&theta;}}_r\right)=\frac{{2U}_{\mathrm{dc}}}{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ab}}/{\mathrm{dt}|}_{\mathrm{on}}-{\mathrm{di}}_{\mathrm{ab}}/{\mathrm{dt}|}_{\mathrm{off}}}$

同理计算得到：

$L_{\mathrm{ac}}\left({\mathrm{\&theta;}}_r\right)=\frac{{2U}_{\mathrm{dc}}}{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}}/{\mathrm{dt}|}_{\mathrm{on}}-{\mathrm{di}}_{\mathrm{ac}}/{\mathrm{dt}|}_{\mathrm{off}}}$

$L_{\mathrm{bc}}\left({\mathrm{\&theta;}}_r\right)=\frac{{2U}_{\mathrm{dc}}}{{\mathrm{di}}_{\mathrm{bc}}/{\mathrm{dt}|}_{\mathrm{on}}-{\mathrm{di}}_{\mathrm{bc}}/{\mathrm{dt}|}_{\mathrm{off}}}$

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。

在得到三相线电感值后，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可以初步估计出动子的初始位置，通过位置角计算模块反向计算出动子初始位置角估计值θ_r：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{ab}}=3[L_o+L_m\cos (2P_r{\mathrm{\&theta;}}_r-{120}^0)]\\ L_{\mathrm{ac}}=3[L_o+L_m\cos (2P_r{\mathrm{\&theta;}}_r+{120}^0)]\\ L_{\mathrm{bc}}=3[L_o+L_m\cos \left(2P_r{\mathrm{\&theta;}}_r\right)]\end{array}\right.$

其中：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。

初步估计只能提取动子的位置信息，但是无法判断出动子的磁极方向，本案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（i_a、i_b、i_c）的峰值的不同，判断出动子的磁极方向，最终得出

低速段位置检测模块

如图3所示，在电机启动后，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

图3中，BPF、SFF分别是为带通、同轴高通滤波器，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：

$v_{\mathrm{qdsi}}^s=\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{qsi}}^s\\ v_{\mathrm{dsi}}^s\end{array}\right]=v_{\mathrm{si}}\left[\begin{array}{c}\cos \left({\mathrm{\&omega;}}_{i}t\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{i}t\right)\end{array}\right]=v_{\mathrm{si}}{e}^{j{\mathrm{\&omega;}}_{i}t}\end{array}$

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：

$i_{\mathrm{qdi}}=i_{\mathrm{dqs}\_\mathrm{ip}}^s+i_{\mathrm{dqs}\_\mathrm{in}}^s=i_{\mathrm{ip}}{e}^{j({\mathrm{\&theta;}}_t\left(t\right)-\mathrm{\&pi;}/2)}+i_{\mathrm{in}}{e}^{j(2{\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_t\left(t\right)+\mathrm{\&pi;}/2)}$

其中： $i_{\mathrm{dqs}\_\mathrm{ip}}^s=i_{\mathrm{ip}}{e}^{j({\mathrm{\&theta;}}_t\left(t\right)-\mathrm{\&pi;}/2)}$ 为正相序电流分量； $i_{\mathrm{dqs}\_\mathrm{in}}^s=i_{\mathrm{in}}{e}^{j(2{\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_t\left(t\right)+\mathrm{\&pi;}/2)}$ 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：

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，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)。

重复控制原理指出，如果某一个信号可以视为一个自治系统的输出，将这一信号的模型设置在稳定的闭环系统中，则反馈系统可实现对此信号的完全跟踪/抑制，它的创新之处在于成功构造出周期为T的任意周期信号内模，即通过将形如M_1C的外激励信号内模包含在反馈回路中并镇定系统，重复控制系统可以实现对任意周期为T的扰动信号的逐渐跟踪/抑制，本案在重复控制器中串联低通滤波器Q(s)和动态补偿器B(s)，提高了系统的稳定性和鲁棒性。因此为了提高系统的稳定性，加入重复控制器，能够使得矢量角误差ε更加的稳定。

中高速段位置检测模块

当处于中高速段位置时，采用滑模观测器获取动子位置信息，如图4所示，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。

在中高速端位置检测模块中，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：

${\stackrel{.}{\hat{i}}}_{\mathrm{sf}}=A{\hat{i}}_{\mathrm{sf}}+B(u_{\mathrm{sf}}-z)$

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为滑膜控制函数， $\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{k\&delta;}& {\tilde{i}}_{\mathrm{sf}}\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}\\ k{\tilde{i}}_{\mathrm{sf}}& -\mathrm{\&delta;}<{\tilde{i}}_{\mathrm{sf}}<\mathrm{\&delta;}\\ -\mathrm{k\&delta;}& {\tilde{i}}_{\mathrm{sf}}\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.;$ 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

${\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r2}={-\tan }^{-1}(e_{\mathrm{s\&alpha;f}}/e_{\mathrm{s\&beta;f}})$

其中：为α坐标系下的反电动势，为β坐标系下的反电动势。

过渡区域位置检测模块

电机启动后，采用混合观测器获取动子位置信息，如图4所示，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。

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：

${\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r3}=\mathrm{\&gamma;}{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r1}+(1-\mathrm{\&gamma;}){\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r2}$

其中：γ为加权因子，且：

$\mathrm{\&gamma;}=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r\right|\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rp}1}\\ \frac{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rp}2}-{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r}{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rp}2}-{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rp}1}}{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rp}1}<\left|{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r\right|<{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rp}2}& \\ 0& \left|{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r\right|\&GreaterEqual;{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{rp}2}\end{array}\right.$

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。

本案可以针对不同的速度段来选择检测方法并且将初始位置检测、滑模观测器、旋转高频电压注入和重复控制器相结合，提高了直线伺服电机位置的检测精度；特别适用于进给驱动装置采用直线电机的数控机床的高精度伺服系统中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一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：

$L_{ab}\left({\mathrm{\&theta;}}_r\right)=\frac{2U_{dc}}{{\mathrm{di}}_{ab}/dt{|}_{on}-{\mathrm{di}}_{ab}/dt{|}_{off}}$

$L_{ac}\left({\mathrm{\&theta;}}_r\right)=\frac{2U_{dc}}{{\mathrm{di}}_{ac}/dt{|}_{on}-{\mathrm{di}}_{ac}/dt{|}_{off}}$

$L_{bc}\left({\mathrm{\&theta;}}_r\right)=\frac{2U_{dc}}{{\mathrm{di}}_{bc}/dt{|}_{on}-{\mathrm{di}}_{bc}/dt{|}_{off}}$

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：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{ab}=3\&lsqb;L_o+L_m\cos \left(2P_r{\mathrm{\&theta;}}_r-{120}^0\right)\&rsqb;\\ L_{ac}=3\&lsqb;L_o+L_m\cos \left(2P_r{\mathrm{\&theta;}}_r+{120}^0\right)\&rsqb;\\ L_{bc}=3\&lsqb;L_o+L_m\cos \left(2P_r{\mathrm{\&theta;}}_r\right)\&rsqb;\end{array}\right.$

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：

$v_{qdsi}^s=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&nu;}}_{qsi}^s\\ {\mathrm{\&nu;}}_{dsi}^s\end{array}\right]={\mathrm{\&nu;}}_{si}\left[\begin{array}{c}cos\left({\mathrm{\&omega;}}_{i}t\right)\\ -sin\left({\mathrm{\&omega;}}_{i}t\right)\end{array}\right]={\mathrm{\&nu;}}_{si}{e}^{{\mathrm{j\&omega;}}_{i}t}$

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：

$i_{qdi}^s=i_{dqs\_ip}^s+i_{dqs\_in}^s=i_{ip}{e}^{j\left({\mathrm{\&theta;}}_t\right(t)-\mathrm{\&pi;}/2)}+i_{in}{e}^{j(2{\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_t(t)+\mathrm{\&pi;}/2)}$

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：

$\mathrm{\&epsiv;}=i_{qs\_in}^{i}cos\left(2{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r1}\right)-i_{ds\_in}^{i}sin\left(2{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r1}\right)=sin(2{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r1}-2{\mathrm{\&theta;}}_{r1})$

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：

${\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{i}}}_{sf}=A{\hat{i}}_{sf}+B(u_{sf}-z)$

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， $z=\left\{\begin{array}{cc}k\mathrm{\&delta;}& {\tilde{i}}_{sf}\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}\\ k{\tilde{i}}_{sf}& -\mathrm{\&delta;}<{\tilde{i}}_{sf}<\mathrm{\&delta;}\\ -k\mathrm{\&delta;}& {\tilde{i}}_{sf}\&le;-\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.;$ 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

${\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r2}=-{\tan }^{-1}(e_{s\mathrm{\&alpha;}f}/e_{s\mathrm{\&beta;}f})$

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：

${\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r3}=\mathrm{\&gamma;}{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r1}+(1-\mathrm{\&gamma;}){\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_{r2}$

其中：γ为加权因子，且：

$\mathrm{\&gamma;}=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r\right|\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{rp1}\\ \frac{{\mathrm{\&omega;}}_{rp2}-{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r}{{\mathrm{\&omega;}}_{rp2}-{\mathrm{\&omega;}}_{rp1}}& {\mathrm{\&omega;}}_{rp1}<\left|{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r\right|<{\mathrm{\&omega;}}_{rp2}\\ 0& \left|{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r\right|\&GreaterEqual;{\mathrm{\&omega;}}_{rp2}\end{array}\right.$

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。