垂直運(yùn)動永磁同步直線電機(jī)初始尋相優(yōu)化方法

曹太騰+章秀華+洪漢玉+洪漢學(xué)+王萬里

摘 要：由于電機(jī)動子及其加載平臺重量等因素，垂直運(yùn)動的直線電機(jī)尋相電機(jī)阻力巨大，一般的初始尋相方法難以實(shí)現(xiàn)垂直安裝的直線電機(jī)的正確尋相，電機(jī)后續(xù)動作無法正確完成。針對這一問題，提出一種基于垂直運(yùn)動的永磁同步直線電機(jī)初始尋相優(yōu)化方法，首先推導(dǎo)出永磁同步直線電機(jī)的電磁推力與電機(jī)繞組的交軸電流之間關(guān)系，平滑增大電流，使電機(jī)往復(fù)運(yùn)動尋找相位，再根據(jù)光柵尺反饋的位置信息來間接計(jì)算電機(jī)的電角度，完成電機(jī)的初始尋相。本方法可完全克服摩擦阻力使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，不因電流過大導(dǎo)致電機(jī)劇烈抖動。實(shí)驗(yàn)表明本文方法對直線電機(jī)有著良好的控制作用，能有效的讓豎立安裝的直線電機(jī)克服負(fù)載重力和摩擦阻力完成尋相正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：永磁同步直線電機(jī)；初始尋相；電角度；電磁推力

Abstract： Due the linear motor mover and its loaded platform and other factors to resulting the great resistance， it is difficult to achieve initialing phase correctly for vertical linear motor by a general method， causing the motor can not complete the follow-up action correctly. To solve this problem， this article presents a optimized method that make vertical Permanent Magnet Synchronous Linear Motor initialing phase correctly， firstly figuring out the relationship between the electromagnetic force of permanent magnet synchronous linear motor and the cross-axis current of motor winding， increasing the current smoothly， do motion reciprocally to initialize phase， then according to the position information fed back by grating to calculate electrical angle of the motor indirectly. In this way it can completely overcome friction to make motor running， at the same time， would not cause the motor to shake violently because of over current. The experiments show that there is good control effect to linear motor in this way， and effectively make vertical linear motors against gravity and friction initialing phase to complete the normal operation.

Keywords： permanent magnet synchronous linear motor； initialize phase； electrical angle；electromagnetic force

引言

永磁同步交流直線電機(jī)系統(tǒng)為滿足各種生產(chǎn)檢測需求，有時(shí)需要豎立安裝，豎立安裝的電機(jī)存在多個(gè)電磁和機(jī)械變量，它們有較強(qiáng)的耦合效果。為了獲得很好的控制效果以及優(yōu)秀的動態(tài)變速特性，矢量控制技術(shù)成為直線電機(jī)系統(tǒng)中重要的控制技術(shù)[1-4]。如果上電時(shí)不能精確完成初始化尋相以及對電角度的測定，將導(dǎo)致直線電機(jī)運(yùn)動有誤，甚至不能啟動。本文針對一般尋相方法無法完成豎立安裝的直線電機(jī)初始尋相的問題，提出了一種有效的初始尋相優(yōu)化方法。

1 電機(jī)的初始尋相

每次啟動，無法確定直線電機(jī)動子的絕對坐標(biāo)以及電機(jī)的相位角。因此每臺電機(jī)還需要一個(gè)明確的機(jī)械原點(diǎn)，每次啟動后電機(jī)都要先回原點(diǎn)，之后才能正常的工作。

可以在直線電機(jī)附近安裝一個(gè)限位開關(guān)作為機(jī)械原點(diǎn)，限位開關(guān)處于負(fù)計(jì)數(shù)方向，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)入負(fù)方向直至限位開關(guān)觸發(fā)+24V時(shí)，立即進(jìn)入正方向直至直線光柵尺發(fā)出第一個(gè)Index脈沖信號為止，在負(fù)方向距離停止位置最近的一個(gè)Index對應(yīng)的位置就是原點(diǎn)，計(jì)數(shù)器清零。該過程的原理如下。電機(jī)的確定原點(diǎn)后，通過實(shí)驗(yàn)來測量電機(jī)在原點(diǎn)處d軸和A軸之間的電角度，即為初始電角度。

這種方法中，電機(jī)回到原點(diǎn)前不能確定電角度。為了確定電角度，可以給電機(jī)的定子線圈加入方向確定的電壓，如圖2所示。

在初始階段給電機(jī)通入固定的電壓矢量，電機(jī)的動子會在電壓作用下運(yùn)動到與定子重合。此時(shí)電角度為90°，即為初始電角度。當(dāng)通入的是直流電壓時(shí)，線圈中的電流很大，所以要控制好通入電壓的時(shí)間和幅值。若只考慮基波分量，需要借鑒dq軸模型[12]。dq軸模型的電壓方程式與旋轉(zhuǎn)電機(jī)電壓方程式相似[13]，其模型為：

式中，？姿d=Lsid+？姿PM1，為直軸磁通鏈，？姿d=Lsiq，為交軸磁通鏈，RS為電樞繞組的電阻，？棕r=？仔v/？子，v為線速度，p=d/dt。

由空載感應(yīng)電動勢基波分量公式：

得出總磁通：

通過對電機(jī)的參數(shù)、電流、電壓及磁鏈作PARK變換得電磁功率：

推力為：

式中，？子為電機(jī)的極距，為定值，λPM為永磁體磁鏈，也為常量。

由上式知，繞組的電流分量iq決定了直線電機(jī)的推力。而尋相前靜止的直線電機(jī)定子質(zhì)量和磁阻力帶來的靜摩擦力很大，尋相時(shí)給電機(jī)施加的直流電壓過小則無法克服初始靜摩擦力而推力不足導(dǎo)致尋相失敗，給電機(jī)施加直流電壓過大時(shí)加速度過大則容易對電機(jī)端部產(chǎn)生碰撞損壞電機(jī)設(shè)備，為了避免上述情況，本文采用加大電流平滑增壓往復(fù)運(yùn)行的方式。

如圖3所示，將換向角度設(shè)置為180°，平滑地增加電流直到檢測到有一個(gè)電角度的運(yùn)動，將換向角度減小一半，并反向移動。增加電流直到檢測到有一個(gè)電角度的運(yùn)動。重復(fù)操作直到電流增加到最大，即3A時(shí)，電機(jī)也沒有發(fā)生運(yùn)動，此時(shí)電角度為90°，即完成初始尋相。

試驗(yàn)表明這種方法可使電機(jī)平穩(wěn)的定位。平穩(wěn)增大電流既能完全克服電機(jī)的磁阻力和摩擦力等因素，讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，又不因電流過大導(dǎo)致電機(jī)劇烈抖動造成機(jī)械損傷，完成了一般水平安裝的電機(jī)尋相方法無法幫助豎立安裝的直線電機(jī)尋找相位的難題。初始尋相中的往復(fù)運(yùn)動則可以將測量過程中的誤差累積降低到最小，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)尋相。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

實(shí)驗(yàn)選用的永磁同步直線電機(jī)參數(shù)：動子質(zhì)量為2 kg，永磁體有效磁鏈為0.106 wb，粘滯摩擦系數(shù)等于1.2Ns/m，動子電樞電阻等于8.8Ω，動子電感為3.2mH，極距等于42mm，極對數(shù)為3，相數(shù)等于3，電機(jī)額定電流等于24A。對電機(jī)進(jìn)行初始尋相，在電機(jī)電流輸入端上施加一個(gè)平滑增大至3A的電流，觀察電機(jī)的電角度、速度、電流等的變化情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)，電機(jī)空載，速度環(huán)的采樣周期為：300us。直線電機(jī)驅(qū)動器型號：CDHD-4D5，PWM頻率為16KHZ。本文所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用優(yōu)化后的初始尋相方法能使永磁同步直線電機(jī)具有良好的控制效果，在峰值為3A電流范圍內(nèi)，初始尋相電機(jī)速度響應(yīng)曲線平滑穩(wěn)定，完成尋相后電機(jī)能長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)動，不會發(fā)生因電角度測量誤差積累而產(chǎn)生的失控現(xiàn)象。電機(jī)尋相過程伺服電機(jī)驅(qū)動器檢測到的位移速度波形圖和電流波形圖如圖5所示。

本文提出的平滑增大電流，往復(fù)運(yùn)動尋找相位的方法不僅能有效的克服垂直運(yùn)動直線電機(jī)阻力，使之正確完成尋相工作，對于水平運(yùn)動的直線電機(jī)也有著良好的優(yōu)化尋相作用，往復(fù)運(yùn)動對相位角的尋找以及電角度的測量更為準(zhǔn)確，在完全克服摩擦阻力使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，又不因電流過大導(dǎo)致電機(jī)劇烈抖動造成機(jī)械損傷，實(shí)際調(diào)試中此方法對直線電機(jī)有著良好的控制作用，能有效的讓豎立放置的直線電機(jī)克服自身重力和摩擦阻力正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]焦留成，袁世鷹.垂直運(yùn)動永磁同步電動機(jī)運(yùn)行分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22（4）：37-40.Jiao Liucheng，Yuan Shiying.Study on operating characteristics of permanent magnet linear synchronous motor for vertical movement[J].Proceedings of the CSEE，2002，22（4）：37-40.

[2]焦留成，袁世鷹.恒流源供電對垂直運(yùn)動永磁直線同步電動機(jī)電磁推力的影響[J].煤炭學(xué)報(bào)，2000，25（4）：420-422.Jiao Liucheng，Yuan Shiying.Effect of constant current cource supply on the electromagnetic force of permanent magnet linear synchronous motor for vertical movement[J].Journal of China Coal Society，2000，25（4）：420-422.

[3]Masayuki Sanada，Shigeo Morimoto，Yoji Takeda Interior Permanent magenet Linear Synchronous Motor for High-Performance Drives[J].IEEE Transactions on industry applications，1997，33（4）：996-972.

[4]黨選舉，徐小平，于曉明，等.永磁同步直線電機(jī)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2013，17（2）：38-42.Dang Xuanju，Xu Xiaoping，Yu Xiaoming，Jiang Hui. Control for PMLSM based on wavelet neural network[J].Electric Machines and Control.2013，17（2）：38-42.

[5]汪旭東，袁世鷹，王兆安.永磁直線同步電動機(jī)的二維傅里葉解析[J].煤炭學(xué)報(bào)，1998，24（4）：411-415.Wang Xudong，Yuan Shiying，Wang Zhaoan.Two dimensional Fourier analysis of a permanent magnet linear synchronous motor[J].Journal of China Coal Society，1998，24（4）：411-415.

[6]張廣溢.直線電動機(jī)靜態(tài)橫向邊端效應(yīng)研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，1999，3（2）：126-128.Zhang Guangyi.Research on the static transverse end effect of the linear motor[J].Electric Machines and Control.1999，3（2）：126-128.

[7]韋鯤，金辛海.表面式永磁同步電機(jī)初始轉(zhuǎn)子位置估計(jì)技術(shù)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（22）：104-109.Wei Kun，Jin Xinhai.Initial Rotor Position Estimate Technique on Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor[J].Proceedings of the CSEE，2006，26（22）：104-109.

[8]Jia ZENG，Ghislain REMY，Philippe DEGOBERT， Pierre-Jean BARRE.Thrust Control of the Permanent Magnet Linear Synchronous Motor with Multi-Frequency Resonant Controllers.

[9]Chang-Chou Hwang， Ping-Lun Li， and Cheng-Tsung Liu.Optimal Design of a Permanent Magnet Linear Synchronous Motor With Low Cogging Force[J].IEEE Transaction on Magnetics，2012，48（2）：29-36.

[10]Seok-Myeong Jang，Sung-Ho Lee， and In-Ki Yoon.Design Criteria for Detent Force Reduction of Permanent-Magnet Linear Synchronous Motors With Halbach Array[J].IEEE Transaction on Magnetics，2002，38（5）：41-44.

[11]王福忠，汪旭東，焦留成.同步電動機(jī)電磁力角與最大推力控制策略的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2000，20（3）：307-312.Wang Fuzhong，Wang Xudong，Jiao Liucheng.Research on control strategy of electromagnetic force angle and the maximum of thrust of permanent magnet linear synchronous motor for vertical movement[J].Journal of China Coal Society，2000，20（3）：307-312.

[12]張相軍，陳伯時(shí).無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)中PWM調(diào)試方式對換相轉(zhuǎn)矩脈動的影響[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2003，7（2）：87-91.Zhang Xiangjun，Chen Boshi.The different influences of four PWM modes on commutation torque ripples in brushless DC motor control system[J].Electric Machines and Control.2003，7（2）：87-91.

[13]郭慶鼎，郭威，周悅.交流永磁直線同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的預(yù)見前饋補(bǔ)償[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào).1999，3：141-145.Guo Qingding，Guo Wei，Zhou Yue.Preview feedforward compensation of AC permanent magnet linear synchronous motor servo system[J].Proceedings of the CSEE，1999，3：141-145.

[14]MENG Fanwei， LIU Chengying， LI Zhijun， and WANG Liping.Adaptive PI Control Strategy for Flat Permanent Magnet Linear Synchronous Motor Vibration Suppression[J].Chinese journal of mechanical engineering.2012，25（6）：121-124.