基于DSP的永磁直线同步电动机无传感器功率角测量

    王福忠^1,2，袁世鹰¹，刘静¹

(1.河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454000

  2中国矿业大学机电与信息I程学院，北京100083)

      摘要：推导了永磁直线同步电动机(PMLSM)的功率角弓动子位置角的关系方程，建立了高频激励下的PMLSM的高频电流一电枢电感动子位置角之间的解析方程，没计了以TMS320F2812为核心的动子位置与功率角检测装置。该装置包括高频信号发生器的设计，耦合电容器和电压电流互感器选犁，带通滤波单兀设计，A／D转换模块的选择及其与数字信号处理器(DSP)的接线，高频电压信号注入方式与信号获取接线等内容。试验表明，该方法实时陛好，且精度满足要求.关键词：永磁直线同步电动机；无传感器;功率角

    申图分类号：TM 351文献标志码：A文章编号：16734-540(2010)054)056-05

0  引言

    分段式永磁直线同步电动机(Pelrnanent Magnet Linear Synehronous Motor，PMLSM)采用永磁体(动子)移动、电枢绕组(定子)分段的结构，适应于长距离、大推力的工业场合。但是，该电动机在运行中失步和机械振荡等问题一直困扰着电机的设计者和使用者。要实现该电机的稳定控制，抑制电机推力的波动都需要已知电机的动子位置与功率角。传统测量方法大多采用机械传感器法和反电动势法。机械传感器法需要在动子上安装相应的信号传感器，投资大。反电动势法是基于基波激励的方法，简单经济可靠，但在零速或低速时会因反电动势过小无法检测而失败。

    为了能够获得包括零速的全速范围内电机动子位置及功率角，设计了基于DSP的高频电压注入法的分段式PMLSM功率角测量装置。

l  PMLsM功率角测量的基本原理

    如果以PMLSM的定子a相绕组轴线为参考轴，功率角应等于动子永磁体在a相定亍二绕组中产生的感应电势Va与a相绕组外加工作电压Ua之间的相位差角。由电机学原理可得，动子永磁体在a相定了绕组中产生的感应电势、a相定子绕组的供电电压、a相轴之间的关系如图l所示。图1中，θr为动于的位置角。

    由图1可得PMLSM的功率角θ与动子位置角θr的关系为

式中：φ——a柏电压相对于定子a相绕组轴线的相位角，以ω做旋转运动。

式巾：φ0为初始相位，可由电机刚起动时(t=0+)，施加在定子a相绕组上的电压和电流求得。利用式(2)计算φ时，时问为电压在每个周期内的旋转时间，即电压波形以。相绕组轴线为参考轴，每经过一个周期(对应的角度旋转．360^。)时问清零，重新开始计时。θr为动予位置角，是直线电机的d轴(旋转轴)在二个极距距离内与定子a相绕组轴线(非移动)之间的夹角，电机d轴每移动2个极距r(对应的夹角移动360^。)，目，重新开始计算。

    由式(1)可知，求取PMLSM的功率角，首先需要得到动子的位最角θr。本文采用在PMLSMa相绕组中持续注入高频电压信号^[1-7]，利用高阶带遥滤波器提取高频电压与电流信号，进而计算出电机动子位置角θr。

1．1  电机凸极效应和动子位置角及高频电流三者关系式

    为了简化分析，假设：铁心非饱和，电机中的涡流损耗和磁滞损耗、电机绕组漏感可以忽略，气隙中的磁势呈正弦分布。

    在以上限设情况下，利用电机分析理论，建立高频激励下的PMLsM的数学模型为：假设在PMLSM的a相绕组上注入高频电压的角频率为ω，幅值为Ui，则该高频电压信号可表示为

经A—B一C坐标系向α-β坐标系变换，得到在坐标系下高频电压信号为

     式(3)中，由于注入的高频电压信号频率远高于基波频率，定子电阻的影响町以忽略，故存α-β坐标系下，PMLSM的电压数学模型也可以用式（4）表示：