CN104009685B - 一种用于电磁弹射的无位置传感控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电磁弹射的无位置传感控制方法，在电机启动之前采用高频低压注入法，分别检测U/V/W相的相电流响应峰值，经过三角函数变化，随后计算动子初始位置；在低速段采用光栅尺进行位置信号检测，中、高速时采用基于PWM调制技术的反电动势法检测动子位置；在低速和中速转化区间，采用PI调节器，将光栅尺检测到的位置信号与反电动势法检测的位置信号的差值作为PI调节器的输入，经过调节后使得两者分别检测到的位置信号重叠。本发明可以准确、有效的检测直线电机加速运行时的位置信息，克服了机械式传感器在中、高速无法正常检测位置信号所存在带来的弊端，提高了系统的准确性和可靠性。

Description

一种用于电磁弹射的无位置传感控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于电磁弹射的无位置传感控制方法，是一种将高频低压注入法、光栅尺检测、反电动势法与PI调节器结合在一起的位置传感器技术。

背景技术

在电磁弹射过程中，永磁直线同步电机推进速度是不断增加的，最高速度达到100m/s。在高速时，感应同步器、光栅尺无法较精确地提供精确位置反馈，甚至无法正常工作，使得高速电机的伺服控制研究一直处于停滞状态。要实现高速电机的伺服控制，必须要有符合高速电机伺服控制要求的位置反馈器件。在伺服控制中要实现动子位置的检测通常有两种方式，一种是无位置传感器的方式，如基于状态观测和反馈的方法；另一种是有位置传感器的方式，如光电式编码器、感应同步器和磁电式编码器等。其中无位置传感的控制方式是目前伺服电机控制研究的热点，它在提高系统可靠性、高速阶段控制性能等方面有一定的优势，但是低速时反电动势信号较小不易检测，特别是当电机静止时反电动势为零，难以从反电动势中获得动子位置。

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：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于电磁弹射的无位置传感控制方法，可以针对不同的速度段来选择检测方法并且将高频低压注入法、光栅尺检测、反电动势法与PI调节器结合，能够同时解决零速和低速段位置检测难度大的弊端，提高整个电磁弹射系统加速过程的稳定性、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：

一种用于电磁弹射的无位置传感控制方法，将高频低压注入法、光栅尺检测、反电动势法与PI调节器结合在一起，具体为：初始位置检测(电机启动之前)采用高频低压注入法，分别检测U/V/W相的相电流响应峰值，经过三角函数变化，随后计算动子初始位置；电机启动之后，电机一直处于加速阶段，为了进行准确的检测，在低速段采用光栅尺进行位置信号检测，在中、高速时采用基于SVPWM的反电动势法检测动子位置；在低速和中速转化区间，采用PI调节器，将光栅尺检测到的位置信号与反电动势法检测到的位置信号的差值作为PI调节器的输入，经过PI调节器后使得两者分别检测到的位置信号重叠，将误差最小化，最后光栅尺退出检测环节，由反电动势法单独作用。

上述方法，具体包括如下步骤：

(1)采用高频低压注入法对动子进行初始位置检测，首先通过控制三相逆变器向电机施加三次不同的高频低压脉冲，分别检测U相、V相和W相的相电流响应峰值i_u、i_v和i_w；再通过对i_u、i_v和i_w进行比较，初步判断转子位置角所在区间；最后对i_u、i_v和i_w进行三角函数变化，估计出动子位置；其中i_u、i_v和i_w的检测规则为：

当U相上桥臂导通，V相和W相下桥臂导通时，检测U相电流峰值为i_u；

当V相上桥臂导通，U相和W相下桥臂导通时，检测V相电流峰值为i_v；

当W相上桥臂导通，U相和V相下桥臂导通时，检测W相电流峰值为i_w；

(2)低速段采取光栅尺对动子位置进行检测；

(3)低速和中速转化区间采用PI调节器对动子位置进行检测，采用PI调节器，将光栅尺检测到的位置信号与反电动势法检测到的位置信号的差值作为PI调节器的输入，经过PI调节器后使得两者分别检测到的位置信号重叠，将误差最小化，最后光栅尺退出检测环节，由反电动势法单独作用；

(4)中、高速段采用基于SVPWM的反电动势法对动子位置进行检测，每一次采样周期中都有三种不同的电压矢量，其中每一种电压矢量对应着不同的相电流变化值，通过测量不同电压矢量下对应的相电流变化值，获取反电动势，最后求出动子位置。

有益效果：本发明提供的用于电磁弹射的无位置传感控制方法，具有如下优势：1、采用高频低压注入法对初始位置进行检测，能够非常准确地检测到动子初始位置，实现电机的顺利启动；2、可以针对不同的速度段来选择不同的检测方法，提高电磁弹射加速系统的稳定性和精确度；3、在低速段，使用光栅尺对动子位子信号进行检测，有效解决了在低速段反电动势信号较小不易检测的问题；4、在中、高速段，采用基于SVPWM的反电动势技术进行计算和处理，有效解决了光栅尺无法较精确地提供精确位置反馈，甚至无法正常工作的问题；5、在过渡区间采用PI调节器，减少了中、高速下的位置信号检测误差。

附图说明

图1为本发明的整体流程图；

图2为初始位置检测框图；

图3为三相逆变器结构框图；

图4为SVPWM控制策略相电流与电压矢量对应图；

图5为反电势检测原理图；

图6为含有PI调节器的过渡区间转化图；

图7为电磁弹射控制系统框图

图8为光栅尺输出信号波形；

图9为光栅尺信号调理电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种用于电磁弹射的无位置传感控制方法，将高频低压注入法、光栅尺检测、反电动势法与PI调节器结合在一起，具体为：初始位置检测(电机启动之前)采用高频低压注入法，分别检测U/V/W相的相电流响应峰值，经过三角函数变化，随后计算动子初始位置；电机启动之后，电机一直处于加速阶段，为了进行准确的检测，在低速段采用光栅尺进行位置信号检测，在中、高速时采用基于SVPWM的反电动势法检测动子位置；在低速和中速转化区间，采用PI调节器，将光栅尺检测到的位置信号与反电动势法检测到的位置信号的差值作为PI调节器的输入，经过PI调节器后使得两者分别检测到的位置信号重叠，将误差最小化，最后光栅尺退出检测环节，由反电动势法单独作用。

下面就各个阶段加以详细说明。

初始位置检测

采用高频低压注入法对动子进行初始位置检测，首先通过控制三相逆变器向电机施加三次不同的高频低压脉冲，分别检测U相、V相和W相的相电流响应峰值i_u、i_v和i_w，具体为：

当U相上桥臂导通，V相和W相下桥臂导通时，检测U相电流峰值为i_u

当V相上桥臂导通，U相和W相下桥臂导通时，检测V相电流峰值为i_v

当W相上桥臂导通，U相和V相下桥臂导通时，检测W相电流峰值为i_w

根据永磁电机凸极效应，可知检测的相电流峰值随动子位置角的变化呈现如下式的变化规律：

其中，△i为随动子变化的电流幅值，θ_r为动子初始位置角；I₀为直流分量；根据电机坐标变换基本理论，静止坐标系U-V-W与α-β坐标系之间的关系可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}i\cos 2{\mathrm{\θ}}_r\\ \mathrm{\Δ}i\sin 2{\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]$

因此，动子初始位置角θ_r可以表示为：

${\mathrm{\θ}}_r=\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{2}\arctan \frac{i_{\mathrm{\β}}}{i_{\mathrm{\α}}}\\ \mathrm{or}\\ \frac{1}{2}\arctan \frac{i_{\mathrm{\β}}}{i_{\mathrm{\α}}}+\mathrm{\π}\end{array}\right.$

至此，电磁弹射的直线电机的动子初始位置角检测完毕，开始启动电机。

低速段位置检测

低速段采取光栅尺对动子位置进行检测，增量式光栅尺的工作原理与增量式光电编码器的工作原理基本相同。光栅尺的动子读头直线运动一定距离后光栅尺的输出端便发出一定数目的脉冲信号，脉冲信号的频率与动子读头的运动速度成正比，因而还可以通过对位置脉冲信号频率的量化算出速度值。增量式光栅尺通常有三组脉冲输出信号：A、B和Z，其中A、B信号为相位互差90°的正交信号，Z为同步信号，动子读头移动过固定的距离或者A、B输出固定数目的脉冲便输出一个同步脉冲。增量式光栅尺的A、B和Z信号中，Z信号称为参考位置信号，通常在尺身的固定位置产生该信号，用于同步和位置标定作用。两组正交的A、B信号还可以判断运动的方向：当脉冲信号B前沿出现时，A为高电平，速度为正；当脉冲信号B前沿出现时，A为低电平，速度为负，光栅尺动子读头正向运动时三组脉冲输出信号如图8所示。

例如，增量式光栅尺的动子读头移动10mm输出2000个脉冲，则输出每个脉冲动子读头走过的距离为d₀＝0.005mm。第k个采样周期时的位置为：

d_k＝d_k-1+d₀m_k

式中，d_k-1为第(k-1)周期末的位置，d_k为第k周期末的位置，m_k为在第k周期采样得到的脉冲信号个数。由于光栅尺在安装时不可能将磁轴位置与零计数位置(Z信号输出时的位置)完全对应，所以程序中的位置信号通常需要经过调理后才可以正确使用。另外，为了避免累积误差，可以在每个Z脉冲信号出现时将位置信号清零，重新放入初始位置，再按照上式计算当前位置。

在实际控制电路中，若需要将RS422协议的六路差分信号转换为三路共地的A、B和Z信号，需要设计相应的转换调理电路。如图9所示，MC3486为摩托罗拉公司的差分信号转换芯片，可实现以上要求的转换，而且还可以通过设置与EN端相接的外部电源电压来实现电平转换。位置脉冲信号经限流电阻输入芯片的输入端，每个芯片最多可同时转换四路差分信号，还可以实现输入端和输出端的电气隔离。

将光栅尺输出脉冲信号的频率信息转换为速度信号的方法通常有三种：M(测频)法、T(测周期)法和M/T(测频率和周期)法。其中，M法是通过计数一个采样周期中光栅尺输出脉冲的个数来计算速度，适用于较高速度时的场合，速度较低时，由于一个采样周期中输出脉冲个数少导致计算精度较差。T法是通过计数一个光栅尺输出脉冲期间微处理器标准时钟脉冲的个数来计算速度，该方法适用于低速场合，高速时由于每个输出脉冲期间的标准脉冲个数较少，精度也相应降低。M/T法结合了二者的特点，使用两个计数器来计算速度值，其中一个计数器计数一个采样脉冲期间光栅尺输出脉冲的个数，另一个计数器在每个输出脉冲信号到来时都清零，用来计数单个输出脉冲(特别是采样周期开始时和结束时的两个输出脉冲)期间标准时钟脉冲的个数，通过下式来精确计算速度值。

$v_k=d_0\frac{m_{1k}{f}_c}{m_{2k}}$

式中，v_k为第k个采样周期的速度值，m_1k为第k个采样周期期间光栅尺输出的脉冲个数，m_2k为第k个采样周期期间标准时钟周期的总个数，f_c为标准时钟脉冲的频率。M/T法测量速度存在最低速度限制，即一个采样周期T期间至少有一个光栅尺脉冲输出。所以，能够测量的最低速度值为：

$v_{\min }=\frac{d_0}{T}$

例如，采样时间为2ms的数字系统，采用分辨率为5μm的光栅尺时，能够检测的最低速度为2.5mm/s。当需要测量更低的速度时，须加大光栅尺的分辨率或者减小数字系统的采样频率。

中、高速段位置检测

中、高速段采用基于SVPWM的反电动势法对动子位置进行检测，每一次采样周期中都有三种不同的电压矢量，其中每一种电压矢量对应着不同的相电流变化值，通过测量不同电压矢量下对应的相电流变化值，获取反电动势，最后求出动子位置。

首先需要设定一个速度切换值w_rl，当电机开始启动加速，在低速(0～w_rl)区间，通过增量式光栅尺对位置信号进行检测，到达速度切换值w_rl后，采用基于空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)的反电动势法对永磁直线电机动子位置进行检测，基本原理如下：根据永磁同步直线电机的实验测试，如图4所示，在PWM调制技术下，因为电机的电感较小，故其相电流一直会呈现出较大的变化率，在电机的电压方程中，其相电流的变化率与施加的电压具有一定的函数关系，其中反电势与电机的速度和电感也具有比例关系，因此，通过检测电流的变化率，即可获得永磁同步直线电机的速度与位置。我们以图5，电机的矢量位置V₄和V₆区间为例，在具体操作过程如下：

对于SVPWM调制技术，在一个PWM周期，相电压和电流变化率之间的关系如图4所示，图4中S_u、S_v和S_w分别表示U相、V相和W相的开关管导通状态(即S＝1，表示上桥臂导通，下桥臂关断；S＝0，表示下桥臂导通，上桥臂关断。)，电压的空间矢量如图5所示。每一次的PWM调制周期包括2个非零电压矢量和2个零电压矢量，标记下标l,m,n表示三次时间间隔中的电压和电流变化，在图4中，V_m＝V₆，V_n＝V₄和两个零电压矢量V_l1＝V₇，V_l2＝V₀，因为V₇和V₀为产生相同电流变化率的零电压矢量，因此这里把V₇和V₀看成一个电压矢量，图4中在电压矢量V₆的作用下，持续时间为△t_m，则电流变化量为△i_m，在电压矢量V₄的作用下，持续时间为△t_n，则电流变化量为△i_n，在零电压矢量V₇,V₀的作用下，持续时间为△t_l1+△t_l2，则电流变化量为△i_l1+△i_l2，如果这些电流变化量△i_m，△i_n和△i_l1+△i_l2可以被准确测量，则在电压矢量已知的情况下，通过电机数学模型便可求出与动子位置构成函数关系的电机电感值和反电动势值。具体的算法如下：

在永磁直线电机中，其d轴与永磁直线电机的动子永磁体的N极重合，且其q轴超前d轴90°。忽略定子电阻r_s，在X-Y坐标系下的电压方程为：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{L}_o+L_1\cos 2\mathrm{\θ}& L_1\sin 2\mathrm{\θ}\\ L_1\sin 2\mathrm{\θ}& L_o-L_1\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]p\left[\begin{array}{c}{i}_x\\ i_y\end{array}\right]\\ +v2(L_d-L_q)\left[\begin{array}{cc}-\sin 2\mathrm{\θ}& \cos 2\mathrm{\θ}\\ \cos 2\mathrm{\θ}& \sin 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_x\\ i_y\end{array}\right]+{\mathrm{v\λ}}_m\left[\begin{array}{c}-\sin \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\end{array}---\left(1\right)$

其中，L_d，L_q分别表示d轴和q轴电感，v为电机速度，P为微分算子，λ_m为反电动势系数，V_x,V_y,i_x,i_y分别为电机在X-Y坐标系下的电压和电流值，θ为动子位置角，L_o＝(L_d+L_q)/2，L₁＝(L_d-L_q)/2。从结构上我们把永磁直线电机分为两种，即隐极式永磁直线电机或内置式永磁直线电机，其实隐极式永磁直线电机其L_d＝L_q，对于内置式永磁直线电机其L_d≈L_q，因此不管是哪种类型的永磁直线电机，上式的右半部分的第二项可以忽略，即可以写成：

$\left[\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{L}_{11}& L_{12}\\ L_{21}& L_{22}\end{array}\right]p\left[\begin{array}{c}{i}_x\\ i_y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{e}_x\\ e_y\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，e_x(k)和e_y(k)为X-Y坐标系下的反电动势，在离散的形式下，式(2)可以转换成带有时间常数k的形式，即：

$\left[\begin{array}{c}{V}_x\left(k\right)\\ V_y\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{L}_{11}\left(k\right)& L_{12}\left(k\right)\\ L_{21}\left(k\right)& L_{22}\left(k\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{i}_x/T_s\\ \mathrm{\Δ}{i}_y/T_s\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{e}_x\left(k\right)\\ e_y\left(k\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中，T_s为采样周期。

其中电感值L和反电动势值e，在一次PWM采样周期T_s内，为一恒定常数，由上述原理可知在一个SVPWM调制周期中，电压和电流都有三次变化，通过这三次变化，电感和反电动势值可以写成：

$\left[\begin{array}{c}{L}_{11}\left(k\right)\\ L_{12}\left(k\right)\\ e_x\left(k\right)\end{array}\right]=M^{-1}\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{xl}}\left(k\right)\\ V_{\mathrm{xm}}\left(k\right)\\ V_{\mathrm{xn}}\left(k\right)\end{array}\right]$ 和 $\left[\begin{array}{c}{L}_{21}\left(k\right)\\ L_{22}\left(k\right)\\ e_y\left(k\right)\end{array}\right]=M^{-1}\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{yl}}\left(k\right)\\ V_{\mathrm{ym}}\left(k\right)\\ V_{\mathrm{yn}}\left(k\right)\end{array}\right]$ (4)

其中，M为电流变化矩阵，即：

$M=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{xl}}\left(k\right)}{\mathrm{\Δ}{t}_l\left(k\right)}& \frac{\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{yl}}\left(k\right)}{\mathrm{\Δ}{t}_l\left(k\right)}& 1\\ \frac{\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{xm}}\left(k\right)}{\mathrm{\Δ}{t}_m\left(k\right)}& \frac{\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{ym}}\left(k\right)}{\mathrm{\Δ}{t}_m\left(k\right)}& 1\\ \frac{\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{xn}}\left(k\right)}{\mathrm{\Δ}{t}_n\left(k\right)}& \frac{\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{yn}}\left(k\right)}{\mathrm{\Δ}{t}_n\left(k\right)}& 1\end{array}\right]$

通过电流传感器，分别检测M中的各项电流参数，结合已知的电压矢量V_xl，V_xm，V_xn，通过式(4)求出e_x和e_y，根据式(1)和(2)，可以看出e_x＝-wλ_msinθ，e_y＝-wλ_mcosθ，因此可以看出θ与e_x和e_y构成函数关系，即：

$\tan (\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{2})=\frac{e_y\left(k\right)}{e_x\left(k\right)}---\left(5\right)$

因此，根据式(5)就可以求出动子位置θ。

低速和中速转化区间位置检测

以上分别是在低速时，采用光栅尺进行位置信号的检测；中、高速时，采用反电动势法进行检测，但是在两者切换区间，即光栅尺退出工作，反电动势接替光栅尺进行检测的过程中，需要设计一个PI调节器，使得光栅尺退出工作之前最后一次检测的到位置信号，与反电动所检测到的信号完全一致。如此才能实现平滑的切换，其具体过程如图6所示，即把光栅尺的检测位置信号与反电动势法检测位置信号的差值作为PI调节器的输入，经PI调节器调节后，产生更为稳定的信号Λ，作为开关控制器的指示，即当Λ≠0时，经开关控制器切换到上部，由光栅尺检测信号作为最终输出信号，当Λ＝0时，经开关控制器切换到下部，由反电动势法检测信号作为最终输出信号。其实PI调节器的设计如下：

C(s)＝K_p+K_i/s，

式中，K_p＝12为比例调节器参数，K_i＝0.5×10^-2为积分调节器参数。

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)

1.一种用于电磁弹射的无位置传感控制方法，其特征在于：将高频低压注入法、光栅尺检测、反电动势法与PI调节器结合在一起，具体为：初始位置检测采用高频低压注入法，分别检测U/V/W相的相电流响应峰值，经过三角函数变化，随后计算动子初始位置；电机启动之后，在低速段采用光栅尺进行位置信号检测，在中、高速时采用基于SVPWM的反电动势法检测动子位置；在低速和中速转化区间，采用PI调节器，将光栅尺检测到的位置信号与反电动势法检测到的位置信号的差值作为PI调节器的输入，经过PI调节器后使得两者分别检测到的位置信号重叠，将误差最小化，最后光栅尺退出检测环节，由反电动势法单独作用；具体包括如下步骤：

(1)采用高频低压注入法对动子进行初始位置检测，首先通过控制三相逆变器向电机施加三次不同的高频低压脉冲，分别检测U相、V相和W相的相电流响应峰值i_u、i_v和i_w；再通过对i_u、i_v和i_w进行比较，初步判断转子位置角所在区间；最后对i_u、i_v和i_w进行三角函数变化，估计出动子位置；其中i_u、i_v和i_w的检测规则为：

当U相上桥臂导通，V相和W相下桥臂导通时，检测U相电流峰值为i_u；

当V相上桥臂导通，U相和W相下桥臂导通时，检测V相电流峰值为i_v；

当W相上桥臂导通，U相和V相下桥臂导通时，检测W相电流峰值为i_w；

(2)低速段采取光栅尺对动子位置进行检测；

(3)低速和中速转化区间采用PI调节器对动子位置进行检测，采用PI调节器，将光栅尺检测到的位置信号与反电动势法检测到的位置信号的差值作为PI调节器的输入，经过PI调节器后使得两者分别检测到的位置信号重叠，将误差最小化，最后光栅尺退出检测环节，由反电动势法单独作用；

(4)中、高速段采用基于SVPWM的反电动势法对动子位置进行检测，每一次采样周期中都有三种不同的电压矢量，其中每一种电压矢量对应着不同的相电流变化值，通过测量不同电压矢量下对应的相电流变化值，获取反电动势，最后求出动子位置。