永磁同步直线电机定位力测试实验研究_周天丰
基于瞬态有限元永磁同步电机静止位置检测策略
基于瞬态有限元永磁同步电机静止位置检测策略刘慧娟;傅为农【摘要】无传感器控制的永磁同步电机在低速和静止时一直存在着转子位置难以检测和估算的问题,本文针对该情况提出了一种基于瞬态有限元分析的转子位置和永磁极极性检测的策略和方法.以两相凸极永磁同步电机为例,通过对永磁同步电机瞬态磁场的有限元分析,考虑铁心饱和与注入信号瞬态特性的影响,提出一种对转子位置非常敏感的组合电感的计算算法,并给出基于该组合电感的转子位置和永磁极极性检测的策略和优化转子位置检测的方法.计算结果表明,该方法能在电机静止和低速时,快速准确地判断出转子位置和永磁极极性.%The sensorless control of permanent magnet synchronous motor (PMSM) at standstill and low speed is very difficult to implement. A methodology to design and optimize the position detection strategy of PMSM using transient finite element analysis (FEA) of magnetic field is presented. It addresses those effects arising both from iron core saturation and the transient characteristics of signals. A combined inductance which is sensitive to the rotor position throughout the complete cycle is proposed for the realization of position detection. The advantage of the proposed novel algorithm is that the rotor's position at low speeds down to standstill can be detected easily. A two-phase PMSM with salient structure is used as an example to demonstrate the method.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2012(036)005【总页数】6页(P1-6)【关键词】转子位置检测;低速;静止;有限元分析;永磁同步电机;无传感器控制【作者】刘慧娟;傅为农【作者单位】北京交通大学电气工程学院,北京100044;香港理工大学电气工程学院,中国香港【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因其高转矩惯性比、高功率密度、高效率,并与矢量控制、直接转矩控制等高性能控制策略相结合的优点,在航空航天、电动汽车、工业控制等领域得到了越来越广泛的应用与发展.在永磁同步电机高性能控制系统中,转子的位置与速度是必须知道的运行参数,而传统的PMSM控制系统通常采用电磁或光电传感器来获取所需的转子位置和转速信号.由于位置传感器存在成本增加、体积增大、可靠性降低和使用条件限制等问题,无传感器控制技术已经成为永磁同步电机驱动控制领域中的研究热点,其中,转子初始位置检测是实现永磁同步电机无传感器控制需要解决的关键问题之一[1-2]. 无传感器控制技术可以简化系统结构,降低系统成本,提高系统运行的可靠性,其基本思想是利用电机绕组中的有关电信号,通过适当的方法估算出转子的位置和转速,实现转子位置的自检测.常用的基波激励检测方法是通过检测基波反电势来获得转子的位置信息,该方法实施虽然简单,但在零速或低速时因反电势过小而根本无法检测,因此只适用于高转速运行,另外,由于该方法要利用基波电压和电流信号计算转子位置和速度,它们对电机参数的变化很敏感,鲁棒性较差.而高频信号注入法与转子转速没有直接关系,能有效克服上述利用反电动势检测转子位置的缺陷.该方法的主要思想是利用电机固有的空间凸极或凸极效应实现对转子位置的检测,即：向电动机定子绕组注入高频电压信号,使其产生幅值恒定的旋转磁场或者产生沿着某一轴线脉动的交变磁场,当转子具有凸极性时,这些磁场会受到凸极转子的调制作用,在定子电流中呈现与转子位置或速度相关联的高频载波信号,从这些载波中即可提取出转子的位置或速度信息以用于系统控制的实现[3-8].高频信号注入法可分为旋转高频信号注入法和脉动高频信号注入法.文献[9-11]提出了一种基于d-q轴电路模型的转子位置检测分析方法,该方法的最大缺点是没有计及铁心饱和与注入信号瞬态特性的影响.为此,本文作者提出了一种利用能计及铁心饱和,以及时间与空间高次谐波[12-13]影响的瞬态有限元分析计算结果,在永磁同步电机低速和静止时检测转子位置和永磁极极性的方法.为提高转子位置检测的准确性,还给出了一种对转子位置非常敏感的组合电感的计算算法.最后,以一台两相凸极永磁同步电机为例,实施所提出的转子位置检测策略.1 电机静止时转子位置检测图1(a)为一台4极两相永磁同步电机一极距范围内横截面示意图.定子槽数为24,定子上有A和B两相绕组,每槽导体数为60,A相与B相绕组轴线互差90°电角度,定子绕组排列如图1(a)所示;转子的凸极结构使电机在d轴和q轴的磁阻不同,转子PM(永磁材料)的矫顽力H c=738 113 A/m,相对磁导率为0.999 971,其磁化的方向从图1(b)可知为非径向方向.这种具有各向异性磁路结构与磁特性的电机将易于进行转子位置的检测.图1 PMSM示意图(转子初始位置θ=0°时)Fig.1 Cross section of PMSM(being studied θ=0°)1.1 转子位置与EMF的关系转子位置检测的机理是在定子某一相(如A相)绕组中注入高频载波电压信号,然后测量另一相定子绕组(如B相)中的感应电势.当A相绕组轴线与转子d轴或q轴重合时,如图2(a)所示,B相绕组中的感应电势将为零;当转子d轴与A相绕组轴线不重合时,由于转子凸极结构的影响,电机中高频电流产生的磁场将发生畸变,因而在B相绕组中产生感应电势,如图2(b)所示.图2 定子绕组电流产生的磁场分布示意图Fig.2 Flux distribution produced by stator current在瞬态有限元的计算中,假设将转子PM矫顽力 H c置为0,在定子A相加电流激励i A=sin(2π×(1/180)t)A,B相绕组开路,转子以很低的转速1°/s旋转,利用瞬态有限元模型计算出定子绕组A相与B相的感应电势波形如图3所示,其中幅值较大的波形为A相绕组的感应电势e A,而幅值较小的波形为B相绕组的感应电势e B.观察图3中感应电势波形还发现,当转子位置θ=45°、135°、225°和315°时,B相感应电势的达到其最大值.为在实际中能准确检测转子位置,有限元计算绕组感应电势时必须考虑磁路饱和的影响.因此,在以下的有限元计算模型中将同时考虑转子PM产生的磁场与定子A相电流产生的磁场共同存在的情况,即将计及铁心饱和的影响.计算模型中将转子PM 的H c恢复为738 113 A/m,在A相绕组中加幅图3 低速时定子绕组感应电势随转子位置变化的波形Fig.3 EMF for rotor position detection when rotor rotating slowly值 V m=1 V和频率 f=1 000 Hz的正弦交流电压v A=V msin(2πft),B相绕组开路,转子静止,瞬态有限元计算出A相感应电势e A、B相感应电势e B,A相电流i A 随时间变化的波形曲线分别如图4和图5所示.图4 当θ=45°转子静止时定子绕组感应电势波形(e A◦e B＜0)Fig.4 Induced emf when at standstill(θ=45°)图5 当θ=45°转子静止时定子A相绕组电流波形Fig.5 Current in phase A at standstill(θ=45°,f=103 Hz)从图4可得到如图6所示的B相感应电势幅值随转子位置变化的关系;从图5可得到如图7所示的A相电流幅值随转子位置变化的关系.利用图4和图5的仿真结果,根据式(1)可以计算出A相绕组的自感L A及A相绕组与B相绕组之间的互感M AB为图6 B相感应电势幅值随转子位置变化的曲线Fig.6 Amplitudes of induced emf of phase B vs rotor position图7 A相电流幅值随转子位置变化的曲线Fig.7 Amplitudes of current of phase A vs rotor position将计算出的绕组自感与互感分别绘成曲线,即得到如图8和图9所示的L BA与M BA随转子位置变化的关系曲线.可见,由于 i A随转子位置不同而变化,且有限元计算时计及了磁路饱和的影响,此时e B的最大幅值出现在θ=30°而不再是如图3所示的45°时,但 M AB却在45°时达到最大值.观察图8与图9可知,L A与 M AB的波形随转子位置的变化是对称的,因此,利用L A与 M AB随转子位置的变化曲线,将比利用i A与e B随转子位置的变化曲线更容易实现转子位置的检测.图8 两相绕组互感 M AB随转子位置变化曲线Fig.8 Mutual inductanceversus rotor position同时应注意,在图8中,当转子位置接近45°时,M AB曲线较平滑,对转子位置的敏感度较小,而此时L A曲线却显示对转子位置较为敏感,因此,构造一个组合电感L Combined如下其中：w 1和 w2分别是由 M AB和L A的幅值决定的权重系数;L Average是 LA的平均值.当0°≤θ＜45°和135°≤θ＜180°时,d sign=+1;当45°≤θ＜135°时 ,d sign=-1.图9 A相自感 L A随转子位置变化曲线Fig.9 Self inductanceof phase A versus rotor position图10 为组合电感 L Combined与转子位置的关系曲线.从图10可知,在整个圆周范围内,组合电感L Combined对转子位置均非常敏感,因此,利用L Combined来进行转子位置检测将提高检测的精确度.图10 组合电感 L Combined随转子位置变化曲线Fig.10 Combined inductance versus rotor position1.2 转子位置检测策略根据图3中A相、B相绕组感应电势波形,图10中组合电感 L Combined的变化曲线,以及图9中A相自感 L A的变化曲线,即可实现转子位置的精确检测,为说明简洁,这里设定转子在45°和90°时,L A1) 首先判定 e A与 e B的乘积,当e A◦e B＜0时,可确定转子位置为0°≤θ＜90°;当e A◦e B＞0时,可确定转子位置为90°≤θ＜180°.2) 若由1)判断出转子位置在0°≤θ＜90°时,则结合 e A、e B的幅值变化趋势,以及L A与L A45°、置在0°≤θ＜45°还是在45°≤θ＜90°.① 当A相、B相绕组感应电势e A、e B的幅值均判定转子位于0°≤θ＜45°区间,再根据组合电感② 当A相绕组感应电势e A的幅值逐渐增大,而B相绕组感应电势e B的幅值逐渐减小,且L A≥L A45°,L Combined ＜L Combined45°时 ,可判定转子位于45°≤θ＜90°区间,再根据组合电感 L Combined的具体值来确定转子的具体位置角度. 3) 若由1)判断出转子位置在90°≤θ＜180°时,则结合e A、e B的幅值变化趋势,以及 L A与L A135°、L Combined与L Combined135°的大小比较来判定转子的位置在90°≤θ＜135°还是在135°≤θ＜180°.① 当A相绕组感应电势e A的幅值逐渐减小,90°≤θ＜135°区间,再根据组合电感 L Combined的具体值来确定转子的具体位置角度.② 当A相、B相绕组感应电势e A、e B的幅值均可判定转子位于135°≤θ＜180°区间,再根据组合电感L Combined的具体值来确定转子的具体位置角度.1.3 负载电流的影响当给定子绕组施加电压时,绕组中将会有电流流过,该负载电流将影响电机铁心的饱和程度,进而影响绕组的电感值.图11和图12表示在转子位置为22.5°时,利用瞬态有限元计算的绕组互感 M AB与自感L A随电流 i A变化的曲线.图11 绕组互感 M AB与电流 i A的关系曲线(θ=22.5°)Fig.11 Mutual inductance versus load current i A atθ=22.5°图12 A相自感L A与负载电流的关系曲线(θ=22.5°)Fig.12 Self inductance versus load current i A atθ=22.5°2 电机静止时永磁极极性检测2.1 永磁极极性检测的方法永磁极极性检测是通过给定子绕组顺序注入如图13所示的极性相反的两个脉冲电压信号,然后分析定子绕组中的电流信号来实现的.图13 转子静止时施加的一对电压脉冲信号波Fig.13 A pair of voltage pulses applied to windings施加的脉冲电压信号必须满足以下条件：两相绕组产生的磁场轴线必须与d轴重合.因为转子位置已经确定,所以,很容易计算出外加电压的空间矢量角度.当给定子绕组施加如图13所示的两个脉冲电压序列时,其中一个脉冲电压将降低电机铁心的饱和程度(对应S极)而另一个将增加铁心的饱和程度(对应N极),由此可判断出转子的N极与S极.因为当定子绕组电流产生的磁场与转子磁场同向时,磁路的饱和程度增加,磁路中的阻抗减小,定子电流增大;反之磁路饱和程度减小,磁阻增大,定子电流减少.图13和图14分别表示施加的电压波形和瞬态有限元计算出的电流波形.应注意：所施加电压脉冲的间隔应确保在绕组中的电流衰减到零之后,再加第2个电压脉冲.2.2 电压脉冲幅值的确定利用脉冲电压注入法来检测永磁极极性时,应确保所加电压脉冲的幅值足够大,以能改变转子磁图14 转子静止时定子绕组中产生的电流波形Fig.14 Current responding to a pair of voltagepulses场的饱和情况.为分析电压的脉冲幅值对定子电流变化的影响,利用瞬态有限元模型,给定子绕组施加如图15所示的幅值逐渐增大的一对方波脉冲电压序列,计算出定子电流波形如图16所示,从图16可见,相同幅值的正、负电压脉冲所产生的正、负电流的幅值大小不相等,正电压脉冲产生的电流幅值约为负电压脉冲产生的电流幅值的2倍.该方法通过检测电压脉冲的电流响应,将不受电机参数变化的影响.图15 转子静止时施加的电压脉冲序列Fig.15 Voltage pulses applied to winding图16 转子静止施加电压脉冲序列后定子绕组电流波形Fig.16 Current responding to series of voltage pulses因此,当给定子绕组注入两个幅值相同极性相反的脉冲电压,检测并比较相应的定子电流波形,若电流幅值较大时表明定子磁场轴线与N极轴线重合;若电流幅值较小时,表明定子磁场轴线与S极轴线重合.3 结论本文提出一种利用瞬态有限元计算与分析,在PMSM低速和静止时检测转子位置和永磁极极性的策略和方法.通过对1台2相PMSM的分析表明：1) 基于对定子A相绕组施加高频载波电压,可以利用B相绕组感应电势和A相绕组电流来检测转子位置的机理,文中提出的对转子位置非常敏感的组合电感的计算算法,能提高转子位置的检测精确度.2) 基于脉冲电压注入法,通过对瞬态有限元计算结果的分析,能准确地判断转子永磁极的极性.3)利用瞬态有限元法对PMSM进行各种注入信号的分析计算时,能自动计及电机铁心饱和的影响和注入信号瞬态特性的影响,瞬态有限元法可作为PMSM无传感器控制系统转子位置检测和永磁极极性判断的有效分析工具.4) 本文所用的瞬态有限元分析方法完全适用于不同于本文示例的2相PMSM,对于三相或其他的PMSM,只要进行如文中所述的各项计算,即可分析总结出转子初始位置检测和永磁极极性判断的策略和方法,应用于PMSM 的实际控制系统.5) 本文作者将在后续论文中进行三相或其他PMSM的分析研究.参考文献(References)：[1]Holtz J,Pan H.Acquisition of rotor anisotropy signals in sensorless position control systems[J].IEEE Trans on Ind Appl,2004,40(5)：1379-1387.[2]Jansen PL,Lorenz RD.Transducerless position and velocity estimation in induction and salient AC machines[J].IEEE on Trans Industry Application,1995,31：240-247.[3]Wang L M,Lorenz R D.Rotor position estimation for permanent magnet synchronous motor using saliency：tracking 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永磁直线同步伺服系统采用神经网络实现的实时IP位置控制器的在线设计
永磁直线同步伺服系统采用神经网络实现的实时IP 位置控制器的在线设计N eural N etw ork R eal -Time IP Position Controller On -Line Designfor Permanent Magnet Linear Synchronous Motor郭庆鼎 周 悦 郭 威(沈阳工业大学电气工程系 110023)G uo Q ingding Zhou Yue G uo Wei (Shenyang P olytechnic University 110023 China )摘要 针对永磁直线同步电机PM LS M 伺服系统中的诸多不确定性问题,提出了采用神经网络来实现实时积分-比例IP 位置控制器的在线设计。
本文所提出的神经网络结构合理、简单,权值具有明确物理意义和可以在线快速调整的特点,以便进行实时控制。
用由递推最小二乘估计器R LS 和负载扰动力观测器构成的估计器来估计动子质量、粘滞摩擦系数和负载扰动力。
将观测的负载扰动力前馈,进一步增强系统的鲁棒性。
关键词:永磁直线同步伺服电机 神经网络实时积分-比例位置控制器 递推最小二乘估计器 鲁棒性Abstract This paper presents a real 2time IP position controller realized by neural netw ork for permanent magnet linear synchronous m otor (PM LS M )serv o system 1In the paper ,neural netw ork s con figuration is sim 2ple and reas onable ,and weight has definitely physical meaning 1It has rapidly adjusting character in ordef to real 2time control 1The m over mass ,viscous friction factor and disturbance force are estimated by the proposed estimator ,which is com posed of a recursive least 2square (R LS )estimator and a disturbance observer 1The observed disturbance force is fed forward ,to increase the robustness of PM LS M drive system 1K eyw ords :PM LS M Neural netw ork real 2time IP position controller R LS R obustness国家自然科学基金资助项目。
永磁直线电动机定位力的研究
微电机
２０ ０ ６年
第 ３卷 ９
第 ４期 （ 第 １ １ ） 总 ５期
中 图分 类号 ：ＴＭ３ ９４ ５ ．
文献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１ ０—８ ８ ２ ０ ）４０ ２—３ ０ １６４ （０ ６０ —０ ８０
永磁 直 线 电动 机 定 位 力 的研 究
ｔ ｅ ｓｏ ｔ ｇ ａ ｄ ｔ ｅｆ ｉ ｎ ｔ ｆｔ ｅｉ ｎ ｃ ｒ ｄ ｈ ｌ ｔ ｎ ｎ ｈ ｎ ｔ ｌ ｇ ｈ ｏ ｏ － ｏ ｅ ．Ｔｈ ｓｐ ｐ ｒｉ ｏ ｃ ｒ ｅ ｎ ｓｕ ｙｎ ｈ ｇ ｉｇ ｆ ｒ ｅ ｉ ｉ ｅｅ ｈ ｒ ｉ ａ ｅ ｃ ｎ ｅ ｎ ｄｏ ｔ ｄ ｉｇ ｔ ｅｌ ｇｎ ｏ ｃ ｓ ｏ ａ ｄ ｏ ｍｉ ｎ ｈ ｌ ｅ ｅｌ ｎ ｔ ｆｔ ｅｉｏ － ｏ ｅ ｏ ｒ ｄ ｃ ｈ ｏ ｇ ｎ ｏ ｃ ． ｎ ｐ ｚ ｇ ｔ ｅｓｅ ｖ ｅ ｇ ｈ ｏ ｈ ｒ ｎ ｃ ｒ ｄ ｔ ｅ ｕ ｅ ｔ ｅｃ ｇ ｉ ｇ ｆ ｒ ｅ ｉ
心端 部 在一个 极 距 的行程 内 ，定 位力 的值变化 一个
２８ 一
维普资讯
永磁直线电动机定位力 的研究
李立毅
孟涛
李小鹏 张艳丽
周期 。因而对 直线 电机定 位 力 的研 究 比较复 杂 。对
于齿槽 定位 力 ，由于在 旋转 电机 中所 用 的方 法也 可
以用在 直线 电机 中 ，方 法 比较成 熟 。有效地 抑 制边
端定位 力 ，是降低 直 线 电机 因定 位力 引起 的力 矩波
动 的重要 途径 。
１ ２ 边 端 定 位 力 分 析 ．
图 ５ 轴向长度为整距长时的合成定位力
由于边 端定 位力 是 由于两 个端 部 引起 的 ，是两
一种永磁直线电机驱动X-Y平台精密轮廓跟踪控制策略
一种永磁直线电机驱动X-Y平台精密轮廓跟踪控制策略武志涛;杨永辉【摘要】为了解决轮廓误差模型的不准确对循迹系统的影响,提出一种新的轮廓误差模型,该模型利用跟踪误差与进给率等信息定义轮廓误差,是一种改进式的等效切线轮廓误差模型.同时,为了减少直驱式X-Y平台在循迹跟踪过程中产生的轮廓误差,采用了位置PDF控制与轮廓TCC补偿控制相结合的整合式控制策略.PDF控制使位置伺服系统具有较好的鲁棒性,TCC轮廓补偿控制可以对轮廓误差进行实时的补偿.实验结果表明,该文所提出的改进式轮廓误差模型无论是在低进给率或高进给率条件下,都可以实时且有效地计算出循圆跟踪系统的轮廓误差,并使X-Y平台满足高精度轮廓跟踪的要求.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2018(033)017【总页数】7页(P4037-4043)【关键词】永磁直线电机;直驱X-Y平台;轮廓误差模型;伺服控制【作者】武志涛;杨永辉【作者单位】辽宁科技大学电子与信息工程学院鞍山 114051;辽宁科技大学电子与信息工程学院鞍山 114051【正文语种】中文【中图分类】TP273为满足先进制造对生产速度和品质的需求，高速、高精度已是未来制造业的趋势，直线电机驱动X-Y精密平台以其响应快速、定位精度高、可靠性好等特点被广泛应用于精密加工设备等领域[1]。
为了解决X-Y平台加工系统普遍存在的轮廓误差问题，文献[2]针对双轴系统的轮廓误差，提出交叉耦合的控制策略（Cross-Coupled Control, CCC），使得两个单轴之间不再是独立的控制（等于将多轴系统进行整合控制），从而降低轮廓误差，但这种方法仅限于定速移动和线性路径。
为使CCC可适用于不同类型的轮廓跟踪任务，文献[3]采用参考模型自适应交叉耦合控制器来修正轮廓误差，通过调整耦合控制器的增益来减小轮廓误差。
文献[4]提出可变增益交叉耦合（variable-gain cross-coupling）控制，使其在跟踪非线性轨迹（如圆形、抛物线等）时，可随着命令路径轮廓的改变实时改变耦合增益值，以提高轮廓跟踪精度。
基于锁相环的永磁同步电机无传感器位置检测
适 用 于 电机 在 中 高 速运 行 的情 况 下 ：② 利 用 电机 的 凸 极 或 饱和 性或 定 子铁 心 的 非 线 性饱 和 特 性 的 信 号 注 入 法 ，如 高 频 旋 转 电压 注 入 法 。高频 脉 振 电 压注入法 ，这类方 法只适用于 电机低速运行 的情 况 ，并且 这 一类 方 法 容 易 引入 高 频 噪声 【３】。文 献 『４］ 提 出的 基 于新 型滑 模 观 测 器 的 ＰＭＳＭ 无 传 感 器 控 制 方 法 ．能够 在 快 速 运 转 时 ．对 电 机进 行 良好 地 控 制 ，但 在 获取 转 子 位 置和 速 度 信 号 时均 从反 电 势 中得 到 。计 算 复 杂 。为 了 实现 在 输 入 信 号存 在 直 流 偏移 、不 对 称 、谐 波 畸 变 等条 件 下 都具 有 较 好 的抗 干 扰 能 力 ［５１．有 学 者 将 滑 模 观 测 器 与 ＰＬＬ结 合 起 来 ，滤 除滑 模 观 测 器 可 能 带 来 的 扰动 ［６］。文 献 ［７］提 出 了一 种 滑 模 自适 应 观 测 器 ，根 据 观 测 器 求解 反 电动 势 ．在 此 基础 上 利 用 反 电动 势 和 位 置 误差 构 成 ＰＬＬ得 到 电机 的位 置 和 转 速 信 号 ，但 计 算 复 杂 。
转子 位置估 算 ．模 型简 单 ，计算 量少 。仿真 和实验 结果 验证 了所提 方法 的有效 性 。
关键 词 ：永 磁 同步 电机 ；无传 感器 ；位置 检测
中图 分 类 号 ：ＴＭ３５１
文 献 标 识 码 ：Ａ
永磁直线同步电机无传感驱动系统全速范围位置估计新方法
永磁直线同步电机无传感驱动系统全速范围位置估计新方法丁莉芬;刘大亮;王桂荣;安小宇【摘要】为了适应直线电机速度变化范围大的特点,针对永磁直线同步电机(PMLSM)无传感驱动系统中难以在全速范围内精确提取动子位置信息这一问题,提出了一种基于扩展卡尔曼滤波法(EKF)和位置闭环观测器的复合新型位置估计算法.在电机起动与低速时采用EKF,在中高速时采用位置闭环观测器,在速度承接区域采用EKF和闭环观测器算法的加权复合,以实现PMLSM从起动到高速全速范围内高精度的位置估计.仿真试验结果表明,提出的方法在全速范围内能较准确地估计出电机的位置信息.%As it had a problem of difficulty to precisely extract the mover position information within the full scope for PMLSM sensorless drive system,and linear motor had the characteristics of wide speed variation range,so a new method of the composite algorithm was proposed.The method was based on the extended Kalman filter (EKF) and closed-loop observer position estimation algorithm.When the motor was started and in low-speed,the extended Kalman filter method was used,but when it was in the high speed,a closed-loop observer position was used.When the speed in undertake region,the weighted composite method was used with extended Kalman filtering algorithms and closed-loop observer to achieve high-precision position estimation in the system of PMLSM from start to a full range of high-speed.Simulation results showed that the method could estimate the location of the motor accurately in full range of speed.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2017(044)009【总页数】6页(P71-76)【关键词】永磁直线同步电机;无传感驱动系统;扩展卡尔曼滤波法;位置观测器【作者】丁莉芬;刘大亮;王桂荣;安小宇【作者单位】郑州轻工业学院电气信息工程学院,河南郑州 450002;河南送变电工程公司,河南郑州 450002;中国计量学院机电工程学院,浙江杭州 310018;郑州轻工业学院电气信息工程学院,河南郑州 450002【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁直线同步电机(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,PMLSM)驱动系统以其高速，大行程、高精密、快响应等特点，在高速、高精密机械加工生产中得到了广泛的应用[1]。
永磁同步直线电机检测系统研究
检测认证永磁同步直线电机检测系统研究■ 滕鹏飞 李希明（浙江方圆检测集团股份有限公司）摘 要：本文在综述直线电机的原理、分类和目前国内相关标准现状后，提出了针对永磁同步直线电机的检测系统。
在分析此类电机的特点后，给出了系统的参数和指标。
利用光栅尺、力传感器、热电偶、工控机和上位机软件构建了检测系统。
本文详细描述了系统的搭建方案、硬件设备、软件功能。
本系统可以实现电压、电流、功率、推力、定位精度、温升等参数的测量，同时可以实现信号的采集、数据处理、数据判断，最终检测完成后打印出具检测报告。
系统的研究为检测机构对永磁同步直线电机的检测和相关标准的制定提供了有力支撑。
关键词：永磁同步直线电机，检测系统，光栅尺，热电偶DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.21.038Research on Test System of Permanent Magnet Synchronous LinearMotorsTENG Peng-fei LI Xi-ming（Zhejiang Fangyuan Test Group Co., Ltd.）Abstract:After summarizing the principle, classification and current situation of domestic standards on linear motors, the paper puts forward a test system for permanent magnet synchronous linear motors. By analyzing the characteristics of this kind of motor, the paper gives the parameters and indexes of the system, and constructs the test system grating ruler, force sensor, thermocouple, industrial personal computer and upper computer software. This paper describes the system construction scheme, hardware equipment and software functions in detail. This system can realize the measurement of voltage, current, power, thrust, positioning accuracy, temperature rise and other parameters, and can realize signal acquisition, data processing, data judgment, and print test reports at last. The research on the system provides a strong support for the test of permanent magnet synchronous linear motors and the development of relevant standards. Keywords: permanent magnet synchronous linear motor, test system, grating ruler, thermocouple0 引 言直线电机可以理解为一台按照径向剖开，展开成平面的旋转电机。
一种基于组合优化的永磁同步直线电机定位力抑制方法
一种基于组合优化的永磁同步直线电机定位力抑制方法《一种基于组合优化的永磁同步直线电机定位力抑制方法》哎呀，永磁同步直线电机这玩意儿，听起来就特别高大上，是吧？但你要是像我一样跟它“纠缠”过，就知道这里面的事儿可多啦。
我记得有一次啊，我在一个实验室里（那实验室可乱乎了，到处都是电线、工具啥的，就像个电线的丛林一样），看到一台永磁同步直线电机。
它就静静地待在那儿，看起来挺老实的，可实际上啊，那定位力的问题就像个调皮捣蛋的小怪兽。
当时我就想啊，这定位力要是不抑制一下，这电机工作起来就老是晃晃悠悠的，像个喝醉酒的大汉似的，根本就没法精准干活儿。
就比如说吧，要是用在那种需要特别精确的自动化生产线上，这电机一“抽风”，生产出来的产品那质量肯定是参差不齐的。
然后我就开始研究怎么抑制这定位力。
我发现那种基于组合优化的方法还挺有趣的。
这就好比是给这个电机请了个特别聪明的小管家。
这个小管家呢，会把电机里面各种各样的参数啊、部件之间的关系啊，都给捋得清清楚楚的。
比如说电机的绕组设计吧，就像给小管家安排不同的小助手一样。
有些绕组要是设计得不合理，那就像是小助手在捣乱，让电机的定位力变得更大。
但是通过组合优化呢，就可以找到最合适的绕组设计组合，让这些小助手都能齐心协力地工作，而不是互相扯后腿。
还有啊，永磁体的布局也是个关键。
我当时就拿着那些永磁体在电机的模型上比划来比划去（那永磁体小小的，但是磁性可强了，不小心还会吸到别的金属东西上，我就老是得小心翼翼的，生怕它突然吸到什么不该吸的东西上，那就麻烦大了）。
不同的永磁体布局就像在棋盘上摆棋子一样，摆得好呢，就能互相配合，降低定位力。
通过组合优化的方法，就像是找到了一个最佳的下棋策略，让这些永磁体能够完美地发挥作用。
再看看电机的铁心结构。
这就好比是电机的骨架一样。
要是骨架不结实或者形状不合理，电机工作的时候就会不稳。
通过组合优化来调整铁心结构，就像是给这个骨架进行精心的改造，让它既能稳稳地支撑电机的运行，又能减少定位力的影响。
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一个位置 上 [ 4] 。 定 位 力包 括 端 部 定位 力 和 齿 槽定 位 力 。 与旋转伺服电机相比 , 平板 式永磁 同步直 线电机 初级绕 组 铁心为长度有限的非封闭结构 , 其端部效应较为明显 , 再 加 上铁心开槽所导致的齿槽效应 , 就会产生较大的定位力 , 从 而影响电机的平稳性 。 欲减小 定位力 对电磁推 力的 影响 , 一方面需要从直线电机设计上考虑如何克服或者减 小端部 效应和齿槽效应 , 另一方面 , 需设计一个可以实时补偿的 控 制算法抑止推力波动 [ 5] 。 对 于前者 , 需要 一个测 试系统 来 验证设计时理论分析 的正确 性 ;而 对于后 者则需 要掌握 定 位力的准确变化规律 , 从控制的角度进行有针对性的处理 , 如推力补偿等 。 正是基 于这两 点考虑 , 本文 对永磁 同步 直 线电机定位力的测试技术进行了研究 。
图 1 永磁直线电机定位力测试原理 F ig 1 M easurem ent principle of the detent force of PML SM 图 1所示为电机向左运动时 , 初级的受力情况 。 首先 , 在直线电机不通电的 状态下 , 先使 电机的初 级正向 (向左 ) 匀速运动 , 记录电机初级在每个绝对位置上的力值 , 通过受 力分析 , 向左的测 力示 数和 定位 力 、重物 G 以 及摩 擦力 有
永磁同 步直线电 机定位力测 量时 , 传统上采 用 “弹 簧
收稿日期 :2006 - 05 - 27 *基金项目 :国家 "十五 "科技攻关项目 (2001BA 205B04)
第 10期 周天丰等 :永磁同步 直线电机定位力测试实验研究 35
理论分析结 果 :端部 力 波形 近似 正 弦曲 线 , 其 幅值 为 80N , 波动周期为电机极距 30mm, 齿槽 力相对 定位力 幅值 较小 为 20 N, 周期为 硅钢片 齿距 10mm。 设计 的直线 电机 样机额定推力为 3000N , 按定位力的理论幅值计算 , 电磁力 的波动约为 5. 3%。
秤 +标尺 ”的测量 方法 [ 6] , 即记 录直 线电 机初 级在 各个 位 置上的弹簧秤的示数 。这种方 法简单 , 容易实现 , 但很难准 确反映出短周期内定位力的变 化 , 再加上随定位力的波动 , 电机初级难以固定在各个连续 位置上 , 同时 , 准确读出弹簧 秤上测量的力值和标尺上的位 置值几乎是不可能的 , 因此 , 只能作为一种较为粗略的测量 方法 。本 文提出并设计了一 种能实时准确记录对 应位置上的定位力的测试方法和测试 系统 。 其主要是应用力传感器和光栅位 置传感器分别用来 测试直线电机的定 位力和 初级位置 , 并 通过数 字信号处 理 器 TM S320F 2812DSP 将力传感 器数 据的模 拟信 号数 字化 , 并与光栅位置信号关联起来 。 该测试方 法可以用于各种平 板式直线电机的定位 力的测量 , 测量方便快速 , 误差小 。 1 定位力测试原理
(1. D epartm en t of P rec ision In strum en ts and M echanology, T singhua Un iversity, Be ijin g 100084, Ch ina;
2. C ollege of Eng ineering, Ch ina Agricu ltura lU n iversity, B e ijing 100083, Ch ina)
如下关系
FL (x) = -F (x) +G +f(x) ,
(1)
式中 FL (x)为直线电机初级向 左运动时 对应位 置上力 的
测量值 , N ;F (x)为 各个位 置上的定 位力值 , N;G为 重物 的
重量 ;f(x)为对应位置上的摩擦力 , N 。
再使电机的初级负向 (向右 )匀 速运动 , 记录 电机初 级
为此 , 系统采用往复运动双向测量的方案 , 利用摩擦力 大小相等 、方向相反的 特点加 以抵消 。 为 了保证 直线电 机 初级在运动时不随 定位力 的波动而 左右窜 动 , 在直线电 机 一端挂一重物 G , 以削 弱定位 力波动 对电机 运动 平稳性 的 影响 。 根据测试原理 , 电机向左运动时 , 初级的受力情况如 图 1所示 。
要单独测量出直 线电机的端部定位力或者齿槽力是非 常困难的 。 结合理论 分析结 果 , 设 计出一 种测量 端部定 位 力和齿槽力的合力 的方案 , 即 测量定位 力的方 案 。 实际 测 量中 , 定位力又和摩擦力 是形影 不离 、交织在 一起 的 , 只 要 电机初级和 次级 之间 有相 对运 动 , 摩擦 力就 一 定存 在 , 因 此 , 测试定位力时应尽可能地剔除摩擦力的影响 。
Ab stract: In order to satisfy the sm oothness o f thrust o f flat three-phase pe rm anen t m agnet linea r synchronous m oto r (PM LSM ), factors and regu larity of its end fo rce and slo t force a re ana lyzed through fin ite elem entm e thod. A m ethod to m easure the de tent fo rce in the right and left direction accord ing to rec iprocating movement on the w ho le stroke is in troduced, w hich can e lim inate the e ffec t o f the friction fo rce, and the experim ent is ca rried ou t on an optim ized p ro to type. TM S320F2812 dig ital signa l processo r(D SP) co llec ted the signa l of fo rce-transducer and encoder. A fter ca lcula tion, de tent force as a function o f d isp lacement is acqu ired accura te ly and rap id ly, and the m easurement e rro r can be w ithin 3N. The results of experim ent justify the va lidity o f the ana ly sis m ode l, wh ich is
use fu l for the furthe r design of high perfo rmance servo con tro ller of PM LSM. K ey word s:perm anent m agne t linear synchronous m o to r(PM LSM );end force; slo t force;detent force;d ig ita l signal processor(DSP)
周天丰 1 , 刘成颖1 , 赵 彤 1 , 孙 洁 1 , 林家春 2
(1. 清华大学 精密仪器与机械学系 , 北京 100084; 2. 中国农业大学 工学院 , 北京 100083)
摘 要 :为满足平板式三相交 流永磁同步直线电动机 (PM LSM )推 力平稳性要求 , 利用有限元 方法分析端 部力和齿槽力的形成 原因和波动规律 , 介绍了一种全行程往复运动双向测 量的直线电机定位力的方法 , 可 以克服摩擦 力的影响 , 并在样机上实验完成 。 测试中利 用高性 能数字 信号处 理器 TM S320F 2812DSP 采集 力传感器和光栅信号 , 能较准确 、快速地计算出对应 位置上 的定位 力 , 误 差稳定 在 3N 以内 。 实 验结果与 理论分析基 本一致 , 为高性能直线电机伺服控制器的改进设计提 供了客观数据 。 关键词 :永磁同步直 线电动机 ;端部力 ;齿槽力 ;定位力 ;数字信号处理器 中图分类号 :TM 93 文献标识码 :A 文章编号 : 1000 - 9787(2006)10 - 0034 - 04
在对应位置的力值 , 通过受力分析 , 向右的测力示数和定 位
力 、重物 G 以及摩擦力有如下关系
FR (x) = -F(x) +G - f(x) ,
(2)
式中 FR (x)为直线电机初级向右 运动时对应 位置上力 的
测量值 , N 。
在同一个位置 , 磁钢对铁心的垂直吸引力相同 , 可认 为
摩擦力大小与电 机初级 运动 方向 无关 , 通过 公式 (1)和 公
式G[ FR (x) +FL (x)] /2 .
(3)
2 定位力测试系 统设计
2. 1 定位力测试系统硬件设计
根据上述测试原理 , 设计了定位力测试装置 , 其总体 结
构如图 2所示 。
图 2 永磁直线电机定位力测量装置 F ig 2 M ea surem entm echanism of the detent force of PML SM 图 2的测量装置中 , 旋转 电机和 蜗轮蜗 杆带动 直线 电 机初级作匀速直线运 动 。 进行 定位力 测试时 , 需控 制旋 转 电机转 速 n, 使初级 的直线 运动速 度小于 光栅允 许的最 高 速度 , 保 证能实时读取光 栅位置 和测力传 感器的 数据 。 控 制重物的重量 G约为定位 力幅值的 5倍左 右 , 保 证电机 初 级不随定位力的波动 而左右 窜动 , 而又不 会超出 测力传 感 器的量程 。