高响应直线电机伺服系统信号检测技术的研究_3永磁同步直线电机控制系统的位置检测技

3 永磁同步直线电机控制系统的位置检测技术永磁同步直线电机控制系统的关键技术之一是动子位置的检测，只有检测出动子实际的空间位置后，控制系统才能决定驱动器的通电方式、控制模式及输出电流的频率和相位，以保证电机的正常工作，因而准确、可靠的动子位置检测是电机控制系统中的关键环节。

3.1 位置检测方案实现位置信号检测的方案大体上可分为两大类：有传感器位置检测（直接位置检测）和无传感器位置检测（间接位置检测）。

有传感器位置检测是利用位置传感器直接获得定子和动子(转子)磁场相对位置信息的方法，而无传感器位置检测是利用电动机的某些电气参数如电机转子位置函数关系来解算转子位置信息的方法。

两种方案相比之下各有利弊，后者具有机械结构简单、抗干扰能力强、可靠性高等优点，但其精度比前者略低。

3.1.1 有传感器位置检测方案位置检测系统是伺服系统的重要组成部分，其精度和稳定性对伺服系统和被检测元件都有很大的影响。

位置检测系统的核心是检测元件，其产生的反馈信号在闭环系统中起着重要的作用，对于一些高档的数控装置其位置伺服系统的定位精度主要取决于位置检测元件的精度。

因此对检测元件的主要要求有[16]：（1） 具有高可靠性和高抗干扰能力（2） 可满足伺服系统精度和速度的要求（3） 能适应生产现场的工作环境，使用、维护方便（4） 价格合理，寿命长（5） 便于安装和连接位置检测元件按照功能可分为回转式和直线式两大类。

回转式用于检测角位移，比较常见的有旋转变压器、感应同步器圆光栅等；直线式用于检测直线位移，比如直线光栅尺、直线感应同步器等。

位置检测元件按照其输出信号的类型可分为模拟式和数字式。

模拟式检测元件测得的位置信号式一个模拟量，这个模拟量需经A/D转换后方可送入数字检测系统；而数字式检测元件测得的位置信号是数字量，它可以直接送入数字装置。

目前应用最广的是利用光电转换原理构成的非接触式光电编码器。

由于其精度高，可靠性好，性能稳定，体积小和使用方便，在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。

光电编码器的码盘通常是一块光学玻璃，其上刻有透光和不透光的图形。

编码器光源产生的光经光学系统形成一束平行光投射在码盘上，并与位于码盘另一面成径向排列的光敏元件相耦合。

码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，对应每一码道有一个光敏元件。

当码盘处于不同位置时，各光敏元件才根据受光照与否转换输出相应的电平信号。

光学码盘通常用照相腐蚀法制作。

与其它编码器一样，光码盘的精度决定了光电编码器的精度。

为此，不仅要求码盘分度精确，而且要求它在阴暗交替处有陡峭的边缘，以便减少逻辑“0”和“1”相互转换时引起的噪声。

这要求光学投影精确，并采用材质精细的码盘材料。

目前，光电编码器大多采用格雷码盘，输出信号可用硬件或软件进行二进制转换。

光源采用发光二极管，光敏元件为硅光电池或光电晶体管。

光敏元件的输出信号经放大及整形电路，得到具有足够高的电平与接近理想方波的信号。

为了尽可能减少干扰噪声，通常放大及整形电路都装在编码器的壳体内。

此外，由于光敏元件及电路的滞后特性，使输出波形有一定的时间滞后，限制了最大使用转速。

光电编码器按照其测量的值可以分为绝对式和增量式。

（1）绝对编码器对于一个具有n位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有n条码道。

绝对编码器在转轴的任意位置都可给出一个固定的与位置相对应的数字码输出。

（2）增量编码器增量编码器码盘要比绝对编码器码盘简单得多，一般只需三条码道。

这里的码道实际上已不具有绝对码盘码道的意义。

在增量编码器码盘最外圈的码道上均布有相当数量的透光与不透光的扇形区，这是用来产生计数脉冲的增量码道。

扇形区的多少决定了编码器的分辨率，扇形区越多，分辨率越高。

例如，一个每转6000脉冲的增量编码器，其码盘的增量码道上共有6000个透光和不透光扇形区。

中间一圈码道上有与外圈码道相同数目的扇形区，但错开半个扇形区，作为辨向码道。

在正转时，增量计数脉冲波形超前辨向脉冲波形π/2；反转时，增量计数脉冲滞后π/2。

这种辨向方法与光栅的辨向原理相同。

同样，用这两个相位差为π/2的脉冲输出可进一步作细分。

第三圈码道上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置，所产生的脉冲信号将给计数系统提供一个初始的零位(清零)信号。

与绝对编码器类似，增量编码器的精度主要取决于码盘本身的精度。

用于光电绝对编码器的技术，大部分也适用于光电增量编码器。

3.1.2 无传感器位置检测方案此位置检测方案是检测过程中没有用到位置传感器，利用其他方法通过转换后而间接得到位置信号的方法。

永磁同步电机的位置估计方法常用的有电感法、磁链法、假想坐标系法、观测器法、卡尔曼滤波法等[17]。

（1）电感法在凸极式永磁电机里，直轴与交轴的磁阻有较大差别，导致绕组电感变化很大。

一般交轴电感远大于直轴电感，两者之比可达2.5。

因此，绕组电感可看作为转子位置的函数，利用这一点可估计出转子的位置。

有文献先推导出一种根据电机的电压和电流间接计算电感的方法，由于要求自然对数，较为繁琐。

后来又提出一种直接计算方法，在开关频率大于10kHz时，可保证足够的计算精度，而计算量却大大减少。

根据计算出的电感值再查找预先准备好的相电感与转子位置对照表，即可得到转子位置估计值。

有文献分析了永磁电机的谐波模型，导出了包含转子位置信息的电感矩阵，因此可根据电流谐波分量估算出转子位置。

还有的方法通过给q轴注入一高频载波信号，绕组中产生随位置变化的高频电流，再对电流信号进行处理可得到估计位置与实际位置的误差信号，使这个误差为零即可得到位置估计值。

实验表明，这种方法在高速和低速时都有较好的跟踪性能。

但负载电流增大时，误差明显随之增大，因而需采取补偿措施。

（2）磁链法磁链是电流和转子位置的函数，因此可将磁链用于位置估计。

磁链是不能直接测量的物理量。

为了获得磁链值，必须先测量电机的相电压和电流。

再结合相电阻值，将磁链计算出来。

有文献就是利用这一特点来得到转子的位置或速度估计值。

根据电机在静止的、旋转的d-q轴模型与abc坐标变量之间的关系。

经过一系列公式推导得出了电机的速度表达式，再进一步可算出位置值。

这些表达式只是变化的电压、电流的函数。

定子电阻和交直轴电感都假定不变。

另外有一种方法直接对电机在abc坐标系下的模型进行分析，将微分方程转化为差分方程，用前三步的位置估计值来预测下一步的位置。

在每个估算周期对线电流值估计两次，一次用于校正位置值，一次用于校正磁链值。

因此这种方法有较高的准确度，对测量误差和参数变化也不很敏感。

这种算法己用于BLDC和PMSM的位置估计，取得了很好的效果。

也可以对具体的某台电机先找出其磁链－电流－位置特性对照表，再根据估计的磁链和测出的电流查表得出转子位置，这样运算量将减少。

（3）假想坐标系法任何电机的方程均可在静止abc坐标系或与转子同步旋转的d-q坐标系下表示。

假想坐标系法就是假设还有一个旋转的坐标系，也叫做估计坐标系，它与d-q坐标系有位置差A，这就是转子位置估计值与实际值之差。

这个差值导致实际的状态变量(电压、电流等)与估计的状态变量(理想值)之间也有差别。

因此可根据状态变量之差来反推A，再采用自同步技术使A为零即可得实际位置。

有的方法采用瞬时电压作为状态变量。

在理想条件下，假定位置估计值与实际值相等。

控制器据此及测得的电流值由瞬时电压方程算出电压指令(理想值)，而实际电压可以测量。

也可根据PWM方式、功率管的死区时间和直流侧电压值计算出来。

（4）观测器法随着高速数字信号处理器(DSP)的性能迅速提高。

包含大量向量或矩阵运算的现代控制理论越来越多地应用于实践，如观测器法和卡尔曼滤波法。

观测器的稳定性直接影响到位置估计的准确性。

因此现在单纯的观测器很少直接用于位置估计。

有文献采用静止坐标系下的定子电流作为状态变量，建立了包括参数变化等扰动在内的状态方程，由此构造一个滑模观测器，令电流估计值和实际值之差为开关函数，即为滑动超平面。

由滑动模的存在条件可解出开关增益的范围。

观测器法必须对系统增益进行优化，即确定在各种负载条件下的最优增益，这是比较困难的，状态的初始条件对观测器的收敛性影响也很大。

（5）卡尔曼滤波法卡尔曼滤波器是动态非线性系统在最小二乘意义下的最优状态估计器，也即状态变量的最小方差估计器对于含零均值白高斯噪声项的系统状态方程及量测方程，卡尔曼滤波器通过预测——滤波两步骤，可以很好地消除噪声影响，给出最优状态估计值。

有文献采用了扩展卡尔曼滤波器来对电机的转子、速度等进行状态估计。

有些文献采用了一种计算量相对较小的算法，将所有变量化为小于1的值，以利于作定点数运算，并将舍入误差和截断误差也计入到系统噪声，仿真和实验结果表明，这种算法可用于位置和速度实时估计。

但是扩展卡尔曼滤波器一般计算量大。

对系统参数敏感以及需要初始位置信息，这些缺点阻碍了它的实际应用。

3.1.3 各种位置检测方案的比较对于旋转电机，采用旋转编码器的方式可以得到较好的速度响应。

但是，由于永磁同步直线电机是直接产生直线运动的，所以旋转的光电编码器如果要运用在这种场合需要通过转换机制将直线运动转换成旋转运动再进行测量,增加了测量的复杂程度。

近年来各种无传感器位置检测的方案不断被提出，并且具有各自的特点和应用优势。

无传感器检测方法通常是基于凸极效应, 在精确度上还需要提高。

通常的永磁同步直线电机的控制方案均采用直线光栅来进行位置信号的检测，由于光栅可以直线安装，同时具有较好的动态响应，所以在直线电机的位置检测装置中，通常选用光栅作为位置传感器。

但是光栅元件具有价格高和安装成本大等缺点。

本课题所研制的交流永磁同步直线电机选用的是直接位置检测方法。

3.2 基于直线光栅传感器的位置检测技术在直线电机的位置伺服控制系统中，要实现对动子位移的精确控制，就必须通过高精度的位置检测装置对其进行检测，以便将位置信号反馈给微处理器进行相应的数据处理。

随着光栅刻腐技术、电子技术的发展，光栅莫尔条纹细分技术的不断改进，以及计算机处理技术的巨大进步，光栅技术得到了快速的发展，在直线电机的位置检测和控制中，利用光栅尺进行高速、高精度的位置检测得到了广泛的应用。

3.2.1 直线光栅传感器的工作原理及特点光栅是在刻划基面上等间距（或不等间距）地密集刻划，使刻线处不透光，未刻划处透光，形成透光与不透光相间排列构成的光学器件，是一种运用光的衍射效应来测量直线位移和角位移的光学传感器。

它具有检测范围大、测量精度高、响应速度快等优点，因此在测量系统中得到了广泛应用[18～20]。

（1）光栅的分类光栅按其功能可分为长光栅和圆光栅，长光栅形状呈尺状，用于测量直线位移；圆光栅呈盘状，用于测量角位移。

按其介质——光线的传播途径，光栅可分为透射式光栅和反射式光栅。