垂直运动永磁同步直线电机初始寻相优化方法

曹太腾+章秀华+洪汉玉+洪汉学+王万里

摘 要：由于电机动子及其加载平台重量等因素，垂直运动的直线电机寻相电机阻力巨大，一般的初始寻相方法难以实现垂直安装的直线电机的正确寻相，电机后续动作无法正确完成。针对这一问题，提出一种基于垂直运动的永磁同步直线电机初始寻相优化方法，首先推导出永磁同步直线电机的电磁推力与电机绕组的交轴电流之间关系，平滑增大电流，使电机往复运动寻找相位，再根据光栅尺反馈的位置信息来间接计算电机的电角度，完成电机的初始寻相。本方法可完全克服摩擦阻力使电机运转，不因电流过大导致电机剧烈抖动。实验表明本文方法对直线电机有着良好的控制作用，能有效的让竖立安装的直线电机克服负载重力和摩擦阻力完成寻相正常运转。

关键词：永磁同步直线电机；初始寻相；电角度；电磁推力

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

永磁同步交流直線电机系统为满足各种生产检测需求，有时需要竖立安装，竖立安装的电机存在多个电磁和机械变量，它们有较强的耦合效果。为了获得很好的控制效果以及优秀的动态变速特性，矢量控制技术成为直线电机系统中重要的控制技术[1-4]。如果上电时不能精确完成初始化寻相以及对电角度的测定，将导致直线电机运动有误，甚至不能启动。本文针对一般寻相方法无法完成竖立安装的直线电机初始寻相的问题，提出了一种有效的初始寻相优化方法。

1 电机的初始寻相

每次启动，无法确定直线电机动子的绝对坐标以及电机的相位角。因此每台电机还需要一个明确的机械原点，每次启动后电机都要先回原点，之后才能正常的工作。

可以在直线电机附近安装一个限位开关作为机械原点，限位开关处于负计数方向，当系统运行进入负方向直至限位开关触发+24V时，立即进入正方向直至直线光栅尺发出第一个Index脉冲信号为止，在负方向距离停止位置最近的一个Index对应的位置就是原点，计数器清零。该过程的原理如下。电机的确定原点后，通过实验来测量电机在原点处d轴和A轴之间的电角度，即为初始电角度。

这种方法中，电机回到原点前不能确定电角度。为了确定电角度，可以给电机的定子线圈加入方向确定的电压，如图2所示。

在初始阶段给电机通入固定的电压矢量，电机的动子会在电压作用下运动到与定子重合。此时电角度为90°，即为初始电角度。当通入的是直流电压时，线圈中的电流很大，所以要控制好通入电压的时间和幅值。若只考虑基波分量，需要借鉴dq轴模型[12]。dq轴模型的电压方程式与旋转电机电压方程式相似[13]，其模型为：

式中，？姿d=Lsid+？姿PM1，为直轴磁通链，？姿d=Lsiq，为交轴磁通链，RS为电枢绕组的电阻，？棕r=？仔v/？子，v为线速度，p=d/dt。

由空载感应电动势基波分量公式：

得出总磁通：

通过对电机的参数、电流、电压及磁链作PARK变换得电磁功率：

推力为：

式中，？子为电机的极距，为定值，λPM为永磁体磁链，也为常量。

由上式知，绕组的电流分量iq决定了直线电机的推力。而寻相前静止的直线电机定子质量和磁阻力带来的静摩擦力很大，寻相时给电机施加的直流电压过小则无法克服初始静摩擦力而推力不足导致寻相失败，给电机施加直流电压过大时加速度过大则容易对电机端部产生碰撞损坏电机设备，为了避免上述情况，本文采用加大电流平滑增压往复运行的方式。

如图3所示，将换向角度设置为180°，平滑地增加电流直到检测到有一个电角度的运动，将换向角度减小一半，并反向移动。增加电流直到检测到有一个电角度的运动。重复操作直到电流增加到最大，即3A时，电机也没有发生运动，此时电角度为90°，即完成初始寻相。

试验表明这种方法可使电机平稳的定位。平稳增大电流既能完全克服电机的磁阻力和摩擦力等因素，让电机运转，又不因电流过大导致电机剧烈抖动造成机械损伤，完成了一般水平安装的电机寻相方法无法帮助竖立安装的直线电机寻找相位的难题。初始寻相中的往复运动则可以将测量过程中的误差累积降低到最小，实现精准寻相。

2 实验结果与结论

实验选用的永磁同步直线电机参数：动子质量为2 kg，永磁体有效磁链为0.106 wb，粘滞摩擦系数等于1.2Ns/m，动子电枢电阻等于8.8Ω，动子电感为3.2mH，极距等于42mm，极对数为3，相数等于3，电机额定电流等于24A。对电机进行初始寻相，在电机电流输入端上施加一个平滑增大至3A的电流，观察电机的电角度、速度、电流等的变化情况。实验时，电机空载，速度环的采样周期为：300us。直线电机驱动器型号：CDHD-4D5，PWM频率为16KHZ。本文所用实验设备如图4所示。

实验结果证明，采用优化后的初始寻相方法能使永磁同步直线电机具有良好的控制效果，在峰值为3A电流范围内，初始寻相电机速度响应曲线平滑稳定，完成寻相后电机能长时间稳定运动，不会发生因电角度测量误差积累而产生的失控现象。电机寻相过程伺服电机驱动器检测到的位移速度波形图和电流波形图如图5所示。

本文提出的平滑增大电流，往复运动寻找相位的方法不仅能有效的克服垂直运动直线电机阻力，使之正确完成寻相工作，对于水平运动的直线电机也有着良好的优化寻相作用，往复运动对相位角的寻找以及电角度的测量更为准确，在完全克服摩擦阻力使电机运转的同时，又不因电流过大导致电机剧烈抖动造成机械损伤，实际调试中此方法对直线电机有着良好的控制作用，能有效的让竖立放置的直线电机克服自身重力和摩擦阻力正常运转。

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