垂直運動永磁同步直線電機初始尋相優化方法

曹太騰+章秀華+洪漢玉+洪漢學+王萬里

摘 要：由于電機動子及其加載平臺重量等因素，垂直運動的直線電機尋相電機阻力巨大，一般的初始尋相方法難以實現垂直安裝的直線電機的正確尋相，電機后續動作無法正確完成。針對這一問題，提出一種基于垂直運動的永磁同步直線電機初始尋相優化方法，首先推導出永磁同步直線電機的電磁推力與電機繞組的交軸電流之間關系，平滑增大電流，使電機往復運動尋找相位，再根據光柵尺反饋的位置信息來間接計算電機的電角度，完成電機的初始尋相。本方法可完全克服摩擦阻力使電機運轉，不因電流過大導致電機劇烈抖動。實驗表明本文方法對直線電機有著良好的控制作用，能有效的讓豎立安裝的直線電機克服負載重力和摩擦阻力完成尋相正常運轉。

關鍵詞：永磁同步直線電機；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系統為滿足各種生產檢測需求，有時需要豎立安裝，豎立安裝的電機存在多個電磁和機械變量，它們有較強的耦合效果。為了獲得很好的控制效果以及優秀的動態變速特性，矢量控制技術成為直線電機系統中重要的控制技術[1-4]。如果上電時不能精確完成初始化尋相以及對電角度的測定，將導致直線電機運動有誤，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初始尋相的問題，提出了一種有效的初始尋相優化方法。

1 電機的初始尋相

每次啟動，無法確定直線電機動子的絕對坐標以及電機的相位角。因此每臺電機還需要一個明確的機械原點，每次啟動后電機都要先回原點，之后才能正常的工作。

可以在直線電機附近安裝一個限位開關作為機械原點，限位開關處于負計數方向，當系統運行進入負方向直至限位開關觸發+24V時，立即進入正方向直至直線光柵尺發出第一個Index脈沖信號為止，在負方向距離停止位置最近的一個Index對應的位置就是原點，計數器清零。該過程的原理如下。電機的確定原點后，通過實驗來測量電機在原點處d軸和A軸之間的電角度，即為初始電角度。

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

在初始階段給電機通入固定的電壓矢量，電機的動子會在電壓作用下運動到與定子重合。此時電角度為90°，即為初始電角度。當通入的是直流電壓時，線圈中的電流很大，所以要控制好通入電壓的時間和幅值。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電機電壓方程式相似[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。

由空載感應電動勢基波分量公式：

得出總磁通：

通過對電機的參數、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決定了直線電機的推力。而尋相前靜止的直線電機定子質量和磁阻力帶來的靜摩擦力很大，尋相時給電機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致尋相失敗，給電機施加直流電壓過大時加速度過大則容易對電機端部產生碰撞損壞電機設備，為了避免上述情況，本文采用加大電流平滑增壓往復運行的方式。

如圖3所示，將換向角度設置為180°，平滑地增加電流直到檢測到有一個電角度的運動，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電角度的運動。重復操作直到電流增加到最大，即3A時，電機也沒有發生運動，此時電角度為90°，即完成初始尋相。

試驗表明這種方法可使電機平穩的定位。平穩增大電流既能完全克服電機的磁阻力和摩擦力等因素，讓電機運轉，又不因電流過大導致電機劇烈抖動造成機械損傷，完成了一般水平安裝的電機尋相方法無法幫助豎立安裝的直線電機尋找相位的難題。初始尋相中的往復運動則可以將測量過程中的誤差累積降低到最小，實現精準尋相。

2 實驗結果與結論

實驗選用的永磁同步直線電機參數：動子質量為2 kg，永磁體有效磁鏈為0.106 wb，粘滯摩擦系數等于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，極對數為3，相數等于3，電機額定電流等于24A。對電機進行初始尋相，在電機電流輸入端上施加一個平滑增大至3A的電流，觀察電機的電角度、速度、電流等的變化情況。實驗時，電機空載，速度環的采樣周期為：300us。直線電機驅動器型號：CDHD-4D5，PWM頻率為16KHZ。本文所用實驗設備如圖4所示。

實驗結果證明，采用優化后的初始尋相方法能使永磁同步直線電機具有良好的控制效果，在峰值為3A電流范圍內，初始尋相電機速度響應曲線平滑穩定，完成尋相后電機能長時間穩定運動，不會發生因電角度測量誤差積累而產生的失控現象。電機尋相過程伺服電機驅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，往復運動尋找相位的方法不僅能有效的克服垂直運動直線電機阻力，使之正確完成尋相工作，對于水平運動的直線電機也有著良好的優化尋相作用，往復運動對相位角的尋找以及電角度的測量更為準確，在完全克服摩擦阻力使電機運轉的同時，又不因電流過大導致電機劇烈抖動造成機械損傷，實際調試中此方法對直線電機有著良好的控制作用，能有效的讓豎立放置的直線電機克服自身重力和摩擦阻力正常運轉。

參考文獻

[1]焦留成，袁世鷹.垂直運動永磁同步電動機運行分析[J].中國電機工程學報，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動永磁直線同步電動機電磁推力的影響[J].煤炭學報，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.永磁同步直線電機的小波神經網絡控制[J].電機與控制學報，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的二維傅里葉解析[J].煤炭學報，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.直線電動機靜態橫向邊端效應研究[J].電機與控制學報，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初始轉子位置估計技術[J].中國電機工程學報，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.同步電動機電磁力角與最大推力控制策略的研究[J].煤炭學報，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.無刷直流電動機控制系統中PWM調試方式對換相轉矩脈動的影響[J].電機與控制學報，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伺服控制系統的預見前饋補償[J].電機與控制學報.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.