CN108448992B - 一种永磁直线电机动子初始位置估算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁直线电机动子初始位置估算方法及系统，其方法包括：通过向永磁直线电机定子电枢绕组注入一系列不连续脉冲电压，改进永磁直线电机动子位置估算过程中脉冲电压矢量的注入顺序，在动子位置粗分判断时，采用脉冲电压矢量两两相差180°方式，可以使电压矢量所产生的运动力矩互相抵消，在动子位置估算过程中不容易产生位移；并且根据区间粗分和细分，适时调整不同阶段所施加的电压矢量的幅值，通过采集永磁直线电机定子电枢绕组电流响应，从而估算永磁直线电机动子位置。本发明方法简单，易于实施，可以有效提高动子位置的辨识精度，避免辨识错误。

Description

一种永磁直线电机动子初始位置估算方法及系统

技术领域

本发明涉及永磁直线电机技术领域，尤其涉及一种永磁直线电机动子初始位置估算方法及系统。

背景技术

在高性能的永磁直线电机伺服控制系统中，动子N极或S极相对于定子磁场的初始位置(以下简称动子初始位置)对电机的启动性能有很大影响，动子初始位置预估不准确，电机启动时可能会出现动子反向运动或失步引起启动失败。

采用绝对式光栅作为位置传感器的直线电机伺服控制系统中，动子位置可以通过传感器直接获得，而采用增量式光栅作为位置传感器的控制系统中，系统上电后，无法由位置传感器直接获得动子初始位置，可以通过施加电压矢量使永磁直线电机运动到指定位置，这一过程称为电机动子预定位，在预定位过程中电机会产生运动，如果无法确定动子初始位置，为了使永磁直线电机平稳启动，系统每次上电之初，都需要通过预定位方法进行动子定位，在一些精密伺服控制系统中这是不允许的。

目前有采用高频正/余弦信号注入法检测永磁直线电机动子初始位置，但高频正/余弦信号注入法，操作方法复杂，辨识精度不高。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种永磁直线电机动子初始位置估算方法及系统，用以解决现有技术中动子初始位置估算操作方法复杂，辨识度不高的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种永磁直线电机动子初始位置估算方法，包括：

在360°内依次产生n个等幅脉冲电压矢量，所述n个等幅脉冲电压矢量将360°分成n等份，所述脉冲电压矢量变换为三相电信号后，输入永磁直线电机的三相绕组，其中，4≤n≤16，n为偶数；

采集永磁直线电机的三相电流；根据电流矢量的幅值，确定永磁直线电机的动子d轴所在的粗分区间(α，β)和(α+180°，β+180°)，其中，0≤α≤180°，0≤β≤180°，

选定任一个粗分区间，在选定的粗分区间内依次产生m个等幅脉冲电压矢量，变换为三相电信号后，输入永磁直线电机的三相绕组，其中，3≤m≤7，m为整数；

采集永磁直线电机的三相电流；根据电流矢量幅值，确定永磁直线电机的动子d轴所在细分区间，对区间取中值，即为估算的动子d轴位置θ；

依次产生2个等幅脉冲电压矢量；变换为三相电信号后，输入永磁直线电机的三相绕组；采集永磁直线电机的三相电流，根据电流矢量幅值，确定动子位置极性；

进一步地，上述n个等幅脉冲电压矢量，第i个电压矢量角度和第i+1个电压矢量角度相差180°，i＝1，3，5…n-1；

上述m个等幅脉冲电压矢量的角度依次相差m个等幅脉冲电压矢量的幅值大于上述n个等幅脉冲电压的幅值；

进一步地，当0≤θ＜180°时，上述2个等幅脉冲电压矢量角度分别为θ和θ+180°，当180°≤θ＜360°时，2个等幅脉冲电压矢量角度分别为θ和θ-180°；2个等幅脉冲电压矢量的幅值，相比m个等幅脉冲电压矢量大。

本发明还提供了一种永磁直线电机动子初始位置估算系统，包括控制单元1、功率输出单元2、信号采集与调理单元3和电流传感器4；

控制单元1与所述功率输出单元2相连，控制单元1与所述信号采集与调理单元3相连，功率输出单元2的输出功率电压和永磁直线电机的三相绕组输入端相连，电流传感器4套接在功率输出单元2与永磁直线电机的三相绕组之间的线缆上，信号采集与调理单元3与电流传感器4的信号接口相连；

控制单元1，用于产生等幅脉冲电压矢量，等幅脉冲电压矢量经过功率输出单元2变化和放大，变为三相电信号，输入三相绕组，电流传感器4采集三相电流，通过信号采集与调理单元3处理后，再输入控制单元1，估算永磁直线电机动子的位置。

进一步地，控制单元1包括脉冲信号发生模块11和幅值判别模块12；脉冲发生模块11产生等幅脉冲电压矢量，所述幅值判别模块12用于估算永磁直线电机动子的位置；

进一步地，幅值判别模块12通过判断电流响应幅值的大小，确定幅值较大电流对应的电压矢量，从而估算永磁直线电机动子的位置。

上述方案的有益效果如下：

本发明实施例提供了一种永磁直线电机动子初始位置估算方法及系统，方法简单，易于实施，可以有效提高动子初始位置的辨识精度，避免辨识错误。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为方法流程示意图；

图2为动子位置粗分区间判断流程示意图；

图3为动子位置细分区间判断流程示意图；

图4为动子位置极性判断流程示意图；

图5为脉冲电压矢量注入顺序示意图；

图6为系统连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本实施例涉及一种永磁直线电机动子初始位置估算方法，具体可以包括：

步骤S1、在360°内依次产生n个等幅脉冲电压矢量，所述n个等幅脉冲电压矢量将360°分成n等份，所述等幅脉冲电压矢量变换为三相电信号后，输入永磁直线电机的三相绕组，其中，4≤n≤16，n为偶数；

采集永磁直线电机的三相电流；根据电流矢量的幅值，确定永磁直线电机的动子d轴所在的粗分区间(α，β)和(α+180°，β+180°)，其中，0≤α≤180°，0≤β≤180°，

步骤S2、选定任一个粗分区间(α，β)或(α+180°，β+180°)，在选定的粗分区间内依次产生m个等幅脉冲电压矢量，变换为三相电信号后，输入永磁直线电机的三相绕组，其中，3≤m≤7，m为整数；

采集永磁直线电机的三相电流；根据电流矢量幅值，确定永磁直线电机的动子d轴所在细分区间，对区间取中值，即为估算的动子d轴位置θ；

步骤S3、依次产生2个等幅脉冲电压矢量；变换为三相电信号后，输入永磁直线电机的三相绕组；采集永磁直线电机的三相电流，根据电流矢量幅值，确定动子位置极性。

进一步地，上述n个等幅脉冲电压矢量，第i个电压矢量角度和第i+1个电压矢量角度相差180°，i＝1，3，5…n-1；

上述m个等幅脉冲电压矢量的角度依次相差并且其幅值大于上述n个等幅脉冲电压矢量的幅值；

进一步地，当0≤θ＜180°时，上述2个等幅脉冲电压矢量角度分别为θ和θ+180°，当180°≤θ＜360°时，2个等幅脉冲电压矢量角度分别为θ和θ-180°；上述2个等幅脉冲电压矢量的幅值，相比m个等幅脉冲电压矢量大。

实施例2

在实施例1中，n优选取8，m优选取5；如图1所示，图1为本发明实施例所述方法流程示意图，具体可以包括如下步骤：

步骤S01：动子位置粗分区间判断

如图2所示，图2为动子位置粗分区间判断流程示意图。如图6所示，图6为系统连接示意图。

永磁直线电机动子位置可能落在一对极0°～359°之间的任意位置，通过脉冲信号发生模块11产生8个电压矢量进行永磁直线电机动子位置粗定位。

如图5所示，图5为脉冲电压矢量注入顺序示意图。脉冲信号发生模块11产生8个等幅值的脉冲电压矢量，8个电压矢量角度值按照0°、180°、45°、225°、90°、270°、135°、315°依次生成，如图5所示的a、b、c、d、e、f、g、h；所产生的电压矢量经过功率输出单元2变化和放大，变为三相电信号，并输入永磁直线电机的三相绕组，通过电流传感器4采集三相电流，并通过信号采集与调理单元3处理之后，变为对应的电流矢量，通过幅值判别模块12，判断电流矢量幅值；如果c、e、d、f电压矢量对应的电流响应明显高于其它电压矢量对应的电流响应，则可以确定永磁直线电机的动子d轴(N极或S极)位于ce和df区间。

步骤S02：动子位置细分区间判断

如图3所示，图3为动子位置细分区间判断流程示意图。

经过上述粗分区间判断，可以判断动子d轴位于ce和df区间，则N极可能位于ce，同样也可能位于df区间；任选一个区间，如图5所示，选定ce区间，脉冲信号发生模块11产生5个等幅值的脉冲电压矢量；由于区间已经逼近动子d轴位置，可以适当增大脉冲电压矢量幅值，从而增强电流响应幅值的辨识度；5个电压矢量角度值按照45°、56.25°、67.5°、78.75°、90°依次生成，如图5所示的ce1、ce2、ce3、ce4、ce5，所产生的电压矢量经过功率输出单元2变化和放大，变为三相电信号，并输入永磁直线电机的三相绕组，通过电流传感器4采集三相电流，并通过信号采集与调理单元3处理之后，变为对应的电流矢量，通过幅值判别模块12，得到两个数值最大的电流矢量，其所对应的电压矢量角度值即为动子d轴所在的细分区间。假设ce3和ce4对应的电流矢量最大，即可确定动子d轴在ce3和ce4区间，即67.5°和78.75°之间，区间的中值73.125°即为估算的动子d轴位置。

区间还可以进一步细分，但是随着区间的细分，电流响应幅值差异越来越小，尤其对于一些隐极式永磁直线电机，其凸极效应比较微弱，电流响应幅值随着区间进一步细分，幅值大小辨识误差率也会随着增大，失去了继续细分意义。

步骤S03：动子位置极性判断

如图4所示，图4为动子位置极性判断流程示意图。

动子d轴位置可以为N极方向也可能为S极方向，N极方向沿动子d轴正方向，S极方向沿动子d轴负方向，N极方向和S极方向相差180°；上一步骤中判断出动子d轴位置为73.125°，该位置既可能为N极位置，也可能为S极位置，如果73.125°为N极位置，则S极位置为253.125°同理，如果73.125°为S极位置，则N极位置为253.125°；根据定子铁心非线性磁化特性，即对应N极的电流响应幅值要高于对应S极的电流响应幅值，可以判断动子极性。脉冲信号发生模块11产生2个等幅值的脉冲电压矢量，由于所施加的电压矢量已经接近真实动子d轴位置，偏转力矩很小，在电压矢量作用下，动子不容易产生运动力矩，因此可进一步增大脉冲电压矢量幅值，增加电流响应辨识度；电压矢量角度值按照73.125°、253.125°依次生成，所产生的电压矢量经过功率输出单元2变化和放大，变为三相电信号，并输入永磁直线电机的三相绕组，通过电流传感器4采集三相电流，并通过信号采集与调理单元3处理之后，变为对应的电流矢量，通过幅值判别模块12，得到数值最大的电流矢量，其所对应的电压矢量角度值即为估算的动子位置(N极)。

实施例3

本实施例涉及一种永磁直线电机动子初始位置估算系统。如图6所示，图6为本发明实施例所述系统连接示意图，所述系统具体可以包括：

系统主要包括控制单元1、功率输出单元2、信号采集与调理单元3和电流传感器4，脉冲信号发生模块11和幅值判别模块12；其中，脉冲信号发生模块11和幅值判别模块12在控制单元1中运行；控制单元1与功率输出单元2通过线缆或者直插式连接器相连，控制单元1与信号采集与调理单元3通过线缆或者直插式连接器相连，功率输出单元2的输出功率电压和永磁直线电机的U、V、W三相绕组输入端通过电缆相连，电流传感器4套接在功率输出单元2与永磁直线电机的三相绕组之间的线缆上，信号采集与调理单元3与电流传感器4的信号接口通过线缆相连。

控制单元1产生的等幅脉冲电压矢量，经过功率输出单元2变化和放大，变为三相电信号，输入三相绕组，电流传感器4采集三相电流，通过信号采集与调理单元3处理后，再输入控制单元1，估算永磁直线电机动子的位置；其中，控制单元1包括脉冲信号发生模块11和幅值判别模块12；脉冲发生模块11产生所述等幅脉冲电压矢量，幅值判别模块12通过判断电流响应幅值的大小，确定幅值较大电流对应的电压矢量，从而估算永磁直线电机动子的位置。

综上所述，本发明实施例提供了一种永磁直线电机动子初始位置估算方法及系统，通过向永磁直线电机定子电枢绕组注入一系列不连续脉冲电压，改进永磁直线电机动子位置估算过程中脉冲电压矢量的注入顺序，在动子位置粗分判断时，采用脉冲电压矢量两两相差180°方式，可以使电压矢量所产生的运动力矩互相抵消，在动子位置估算过程中不容易产生位移；并且根据区间粗分和细分，适时调整不同阶段所施加的电压矢量的幅值，通过采集永磁直线电机定子电枢绕组电流响应，从而估算永磁直线电机动子位置。本发明方法简单，易于实施，可以有效提高动子位置的辨识精度，避免辨识错误。

需要说明的是，上述实施例之间，其相同或相似之处可相互借鉴。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种永磁直线电机动子初始位置估算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、在360°内依次产生n个等幅脉冲电压矢量，所述n个等幅脉冲电压矢量将360°分成n等份，所述脉冲电压矢量变换为三相电信号后，输入永磁直线电机的三相绕组，其中，4≤n≤16，n为偶数；

采集永磁直线电机的三相电流；根据电流矢量的幅值，确定永磁直线电机的动子d轴所在的粗分区间(α,β)和(α+180°,β+180°)，其中，0≤α≤180°，0≤β≤180°，

步骤S2、选定步骤S1中所确定的任一个粗分区间；

在所述选定的粗分区间内依次产生m个等幅脉冲电压矢量，变换为三相电信号后，输入永磁直线电机的三相绕组，其中，3≤m≤7，m为整数；

采集永磁直线电机的三相电流；根据电流矢量幅值，确定永磁直线电机的动子d轴所在细分区间，对区间取中值，即为估算的动子d轴位置θ；

步骤S3、依次产生2个等幅脉冲电压矢量；变换为三相电信号后，输入永磁直线电机的三相绕组；

采集永磁直线电机的三相电流，根据电流矢量幅值，确定动子位置极性。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S1中n个等幅脉冲电压矢量，第i个电压矢量角度和第i+1个电压矢量角度相差180°，i＝1,3,5…n-1。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S2中m个等幅脉冲电压矢量的角度依次相差

4.根据权利要求1或3所述方法，其特征在于，所述步骤S2中m个等幅脉冲电压矢量的幅值大于步骤S1中n个等幅脉冲电压矢量的幅值。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，当0≤θ＜180°时，所述步骤S3中2个等幅脉冲电压矢量角度分别为θ和θ+180°，当180°≤θ＜360°时，所述步骤S3中2个等幅脉冲电压矢量角度分别为θ和θ-180°。

6.根据权利要求1或5所述方法，其特征在于，所述步骤S3中2个等幅脉冲电压矢量的幅值，相比所述步骤S2中m个等幅脉冲电压矢量大。

7.一种永磁直线电机动子初始位置估算系统，其特征在于，所述系统包括控制单元(1)、功率输出单元(2)、信号采集与调理单元(3)和电流传感器(4)；

所述控制单元(1)与所述功率输出单元(2)相连，所述控制单元(1)与所述信号采集与调理单元(3)相连，所述功率输出单元(2)的输出功率电压和永磁直线电机的三相绕组输入端相连，所述电流传感器(4)套接在所述功率输出单元(2)与永磁直线电机的三相绕组之间的线缆上，所述信号采集与调理单元(3)与所述电流传感器(4)的信号接口相连；

所述控制单元(1)，用于产生等幅脉冲电压矢量，所述等幅脉冲电压矢量经过所述功率输出单元(2)变化和放大，变为三相电信号，输入三相绕组，所述电流传感器(4)采集三相电流，通过信号采集与调理单元(3)处理后，再输入控制单元(1)，估算永磁直线电机动子的位置；

所述通过信号采集与调理单元(3)处理后，再输入控制单元(1)，估算永磁直线电机动子的位置，包括：

根据电流矢量的幅值，确定永磁直线电机的动子d轴所在的粗分区间(α,β)和(α+180°,β+180°)，其中，0≤α≤180°，0≤β≤180°，

在选定的粗分区间内依次产生m个等幅脉冲电压矢量，变换为三相电信号后，输入永磁直线电机的三相绕组，其中，3≤m≤7，m为整数；

采集永磁直线电机的三相电流；根据电流矢量幅值，确定永磁直线电机的动子d轴所在细分区间，对区间取中值，即为估算的动子d轴位置θ；

依次产生2个等幅脉冲电压矢量；变换为三相电信号后，输入永磁直线电机的三相绕组；

采集永磁直线电机的三相电流，根据电流矢量幅值，确定动子位置极性。

8.根据权利要求7所述系统，其特征在于，所述控制单元(1)包括脉冲信号发生模块(11)和幅值判别模块(12)。

9.根据权利要求8所述系统，其特征在于，所述脉冲发生模块(11)产生所述等幅脉冲电压矢量，所述幅值判别模块(12)用于估算永磁直线电机动子的位置。

10.根据权利要求9所述系统，其特征在于，所述幅值判别模块(12)通过判断电流响应幅值的大小，确定幅值较大电流对应的电压矢量，从而估算永磁直线电机动子的位置。