高頻注入在無霍爾直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)上的應(yīng)用
1 直線電機(jī)原理
直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開，并展成平面而成，如圖1所示。
圖 1 直線電機(jī)原理圖及轉(zhuǎn)變過程
直線電機(jī)的轉(zhuǎn)變過程是由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內(nèi)初級與次級之間的耦合保持不變。直線電機(jī)可以是短初級長次級，也可以是長初級短次級，考慮到制造成本、運(yùn)行費(fèi)用等因素，目前一般均采用的是短初級長次級。
直線電動機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)相似。以直線感應(yīng)電動機(jī)為例，當(dāng)初級繞組通入交流電源時(shí)，便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應(yīng)出電動勢并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產(chǎn)生了電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運(yùn)動; 反之，則初級做直線運(yùn)動。
2 含高頻注入的直線電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)
一套直線電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不僅要有性能良好的直線電機(jī)，還必須具有能在安全可靠的條件下實(shí)現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)要求的驅(qū)動器。為此結(jié)合客戶不同應(yīng)用場合需求，我司開發(fā)出了不同形式的直線電機(jī)啟動方式(1.強(qiáng)吸;2.根據(jù)霍爾信號;3.高頻注入偵測)。本文主要就高頻注入方式做討論(實(shí)現(xiàn)了在不外加霍爾器件下，初始移動量又最小的啟動)。
(1)高頻注入原理及推導(dǎo)
高頻注入法利用電機(jī)的凸極性，通過向電機(jī)注入特定形式的高頻信號(注入方波電壓信號，注入頻率大概在幾KHz)，再提取高頻響應(yīng)電流(這些高頻響應(yīng)電流就包含轉(zhuǎn)子位置信息)，將這些高頻響應(yīng)電流送入位置觀測器， 進(jìn)而得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，這類方法在原理分析時(shí)就忽略了很多低頻分量，故適用于零速情況(如圖2所示)。
圖 2 高頻注入控制框圖
當(dāng)高頻電壓注入時(shí)，電機(jī)的感抗相對于其它電阻的壓降以及磁鏈壓降大很多，則方程化簡為下式：
(公式1)
整理成矩陣方程為：
(公式2)
把公式2兩邊都左乘反park變換矩陣，變換到靜止坐標(biāo)系下，整理公式如下：
(公式3)
變化得：
(公式4)
對公式4求反正切，得：
(2) Simulink 仿真驗(yàn)證如圖3、圖4 。
圖 3 高頻與低頻信號分離實(shí)現(xiàn)圖
圖 4 仿真αβ軸高頻 / 低頻反饋電流圖
使用反正切求電氣角(電機(jī)模型初始角設(shè)PI/4=0.785)， 與圖5紅圈處一致。
圖 5 仿真電氣角圖
(3)直線驅(qū)動系統(tǒng)平臺驗(yàn)證(如圖6所示)。
圖 6 直線驅(qū)動器與直線電機(jī)圖
①首先，依直線電機(jī)參數(shù)建入伺服驅(qū)動器內(nèi)，如圖7 所示。
圖 7 電機(jī)參數(shù)設(shè)置界面
?、谠O(shè)定參數(shù)Cn009. 2=0，手動電氣角對位完成(也可激磁后，電氣角對位完成) Cn085= 40% 注入電壓duty 大小(如圖8所示)。
圖 8 對位 duty 設(shè)置圖
③設(shè)定dn-011=1，手動對位開始及完成。如圖9所示，紅線為注入電壓命令藍(lán)線為估測電氣角角度。
圖 9 上位機(jī) PClink 追蹤圖
3 結(jié)語
通過高頻注入結(jié)合我司JSDG2S驅(qū)動器，完美地解決了直線電機(jī)啟動問題，在不增加額外偵測器件的前提下， 定位初始移動量最小，噪聲最小，保證了直線電機(jī)的穩(wěn)定可靠性，滿足了客戶要求。同時(shí)，我司直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用還在持續(xù)推進(jìn)，未來會針對其他應(yīng)用場景做探討、研究，以適配不同的應(yīng)用環(huán)境。
