高频注入在无霍尔直线电机驱动系统上的应用

文:东元集团 - 台安科技 李志刚 陶伟2022年第三期

  1 直线电机原理

  直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能,而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开,并展成平面而成,如图1所示。

直线电机原理图及转变过程.png

图 1 直线电机原理图及转变过程

  直线电机的转变过程是由定子演变而来的一侧称为初级,由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时,将初级和次级制造成不同的长度,以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级,也可以是长初级短次级,考虑到制造成本、运行费用等因素,目前一般均采用的是短初级长次级。

  直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例,当初级绕组通入交流电源时,便在气隙中产生行波磁场,次级在行波磁场切割下,将感应出电动势并产生电流,该电流与气隙中的磁场相作用就产生了电磁推力。如果初级固定,则次级在推力作用下做直线运动; 反之,则初级做直线运动。

  2 含高频注入的直线电机驱动控制系统

  一套直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机,还必须具有能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的驱动器。为此结合客户不同应用场合需求,我司开发出了不同形式的直线电机启动方式(1.强吸;2.根据霍尔信号;3.高频注入侦测)。本文主要就高频注入方式做讨论(实现了在不外加霍尔器件下,初始移动量又最小的启动)。

  (1)高频注入原理及推导

  高频注入法利用电机的凸极性,通过向电机注入特定形式的高频信号(注入方波电压信号,注入频率大概在几KHz),再提取高频响应电流(这些高频响应电流就包含转子位置信息),将这些高频响应电流送入位置观测器, 进而得到电机转子的位置,这类方法在原理分析时就忽略了很多低频分量,故适用于零速情况(如图2所示)。

高频注入控制框图.png

  图 2 高频注入控制框图  

       当高频电压注入时,电机的感抗相对于其它电阻的压降以及磁链压降大很多,则方程化简为下式:

公式1-1.png

公式1-2.png (公式1) 

       整理成矩阵方程为:

公式2.png(公式2) 

  把公式2两边都左乘反park变换矩阵,变换到静止坐标系下,整理公式如下:

公式3.png (公式3)  

      变化得:  

公式4.png (公式4) 

       对公式4求反正切,得:

公式6.png 

   (2) Simulink 仿真验证如图3、图4 。

高频与低频信号分离实现图.png

图 3 高频与低频信号分离实现图

  

仿真αβ轴高频  低频反馈电流图.png

图 4 仿真αβ轴高频 / 低频反馈电流图

       使用反正切求电气角(电机模型初始角设PI/4=0.785), 与图5红圈处一致。

仿真电气角图.png

图 5 仿真电气角图

  (3)直线驱动系统平台验证(如图6所示)。

直线驱动器与直线电机图1.png

直线驱动器与直线电机图2.png

图 6 直线驱动器与直线电机图

  ①首先,依直线电机参数建入伺服驱动器内,如图7 所示。

电机参数设置界面.png

图 7 电机参数设置界面

  ②设定参数Cn009. 2=0,手动电气角对位完成(也可激磁后,电气角对位完成) Cn085= 40% 注入电压duty 大小(如图8所示)。

对位 duty 设置图.png

图 8 对位 duty 设置图

  ③设定dn-011=1,手动对位开始及完成。如图9所示,红线为注入电压命令蓝线为估测电气角角度。

上位机 PClink 追踪图.png

图 9 上位机 PClink 追踪图

 3 结语

  通过高频注入结合我司JSDG2S驱动器,完美地解决了直线电机启动问题,在不增加额外侦测器件的前提下, 定位初始移动量最小,噪声最小,保证了直线电机的稳定可靠性,满足了客户要求。同时,我司直线电机驱动系统应用还在持续推进,未来会针对其他应用场景做探讨、研究,以适配不同的应用环境。





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