基于DSP的永磁直線同步電動機無傳感器功率角測量
王福忠1,2，袁世鷹1，劉靜1
(1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，河南焦作454000
2中國礦業(yè)大學(xué)機電與信息I程學(xué)院，北京100083)
摘要：推導(dǎo)了永磁直線同步電動機(PMLSM)的功率角弓動子位置角的關(guān)系方程，建立了高頻激勵下的PMLSM的高頻電流一電樞電感動子位置角之間的解析方程，沒計了以TMS320F2812為核心的動子位置與功率角檢測裝置。該裝置包括高頻信號發(fā)生器的設(shè)計，耦合電容器和電壓電流互感器選犁，帶通濾波單兀設(shè)計，A／D轉(zhuǎn)換模塊的選擇及其與數(shù)字信號處理器(DSP)的接線，高頻電壓信號注入方式與信號獲取接線等內(nèi)容。試驗表明，該方法實時陛好，且精度滿足要求.關(guān)鍵詞：永磁直線同步電動機；無傳感器;功率角
申圖分類號：TM 351文獻標(biāo)志碼：A文章編號：16734-540(2010)054)056-05
0 引言
分段式永磁直線同步電動機(Pelrnanent Magnet Linear Synehronous Motor，PMLSM)采用永磁體(動子)移動、電樞繞組(定子)分段的結(jié)構(gòu)，適應(yīng)于長距離、大推力的工業(yè)場合。但是，該電動機在運行中失步和機械振蕩等問題一直困擾著電機的設(shè)計者和使用者。要實現(xiàn)該電機的穩(wěn)定控制，抑制電機推力的波動都需要已知電機的動子位置與功率角。傳統(tǒng)測量方法大多采用機械傳感器法和反電動勢法。機械傳感器法需要在動子上安裝相應(yīng)的信號傳感器，投資大。反電動勢法是基于基波激勵的方法，簡單經(jīng)濟可靠，但在零速或低速時會因反電動勢過小無法檢測而失敗。
為了能夠獲得包括零速的全速范圍內(nèi)電機動子位置及功率角，設(shè)計了基于DSP的高頻電壓注入法的分段式PMLSM功率角測量裝置。
l PMLsM功率角測量的基本原理
如果以PMLSM的定子a相繞組軸線為參考軸，功率角應(yīng)等于動子永磁體在a相定亍二繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢Va與a相繞組外加工作電壓Ua之間的相位差角。由電機學(xué)原理可得，動子永磁體在a相定了繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢、a相定子繞組的供電電壓、a相軸之間的關(guān)系如圖l所示。圖1中，θr為動于的位置角。
由圖1可得PMLSM的功率角θ與動子位置角θr的關(guān)系為
式中：φ——a柏電壓相對于定子a相繞組軸線的相位角，以ω做旋轉(zhuǎn)運動。
式巾：φ0為初始相位，可由電機剛起動時(t=0+)，施加在定子a相繞組上的電壓和電流求得。利用式(2)計算φ時，時問為電壓在每個周期內(nèi)的旋轉(zhuǎn)時間，即電壓波形以。相繞組軸線為參考軸，每經(jīng)過一個周期(對應(yīng)的角度旋轉(zhuǎn)．360。)時問清零，重新開始計時。θr為動予位置角，是直線電機的d軸(旋轉(zhuǎn)軸)在二個極距距離內(nèi)與定子a相繞組軸線(非移動)之間的夾角，電機d軸每移動2個極距r(對應(yīng)的夾角移動360。)，目，重新開始計算。
由式(1)可知，求取PMLSM的功率角，首先需要得到動子的位最角θr。本文采用在PMLSMa相繞組中持續(xù)注入高頻電壓信號[1-7]，利用高階帶遙濾波器提取高頻電壓與電流信號，進而計算出電機動子位置角θr。
1．1 電機凸極效應(yīng)和動子位置角及高頻電流三者關(guān)系式
為了簡化分析，假設(shè)：鐵心非飽和，電機中的渦流損耗和磁滯損耗、電機繞組漏感可以忽略，氣隙中的磁勢呈正弦分布。
在以上限設(shè)情況下，利用電機分析理論，建立高頻激勵下的PMLsM的數(shù)學(xué)模型為：假設(shè)在PMLSM的a相繞組上注入高頻電壓的角頻率為ω，幅值為Ui，則該高頻電壓信號可表示為
經(jīng)A—B一C坐標(biāo)系向α-β坐標(biāo)系變換，得到在坐標(biāo)系下高頻電壓信號為
式(3)中，由于注入的高頻電壓信號頻率遠高于基波頻率，定子電阻的影響町以忽略，故存α-β坐標(biāo)系下，PMLSM的電壓數(shù)學(xué)模型也可以用式（4）表示：
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