與旋轉電機相比,永磁同步直線電機具有結構簡單、不需要滾珠絲杠等傳動機構、動態(tài)響應好、定位精度高、運動行程無限制等一系列優(yōu)點,所以非常適用于精密的現(xiàn)代數(shù)控機床、光刻機、電磁彈射等場合。隨著應用領域的不斷拓展,成本問題逐漸成為限制其發(fā)展與應用的一個核心問題,其中位置傳感器占據(jù)成本中的很大一部分。應用線性霍爾作為作為位置傳感器,具有體積小、重量輕、成本低、環(huán)境適應性好的優(yōu)點,但其也存在著精度相對較低的缺點。本文旨在研究基于線性霍爾位置傳感器的精密永磁同步直線電機驅動控制系統(tǒng)。首先,由于電機運行及霍爾傳感器本身誤差等原因,霍爾傳感器輸出信號可能包含較為復雜的諧波,基于此問題,本文設計了諧波消除方法實現(xiàn)對霍爾信號諧波的消除,減小由于諧波引入的誤差。之后結合鎖相環(huán)實現(xiàn)位置檢測,針對傳統(tǒng)鎖相環(huán)（II型系統(tǒng)）對諧波敏感及無法無差跟蹤頻率線性變化信號的缺點,進行了分別的設計,其中應用消諧算法解決諧波問題,并應用III型鎖相環(huán)實現(xiàn)對頻率線性變化信號的無差跟蹤,最終設計了基于以上消諧算法和III型鎖相環(huán)的位置檢測系統(tǒng)。其次,由于線性霍爾位置傳感器輸出信號本身為磁場信號的正余弦值,所以考慮直接使用霍爾信號實現(xiàn)... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：76 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

基于霍爾位置傳感器的永磁電機結構示意圖

?煊σ步峽歟?嵌冉自鏡牡髡?奔湓?為4μs，魯棒性也較好。文獻[7]提出了同步頻率提取器(SynchronousFrequencyExtractors,SFEs)來從原始信號中提取基波分量，SFE能夠通過積分的方法將霍爾元件輸出信號中的高次諧波濾除，進而利用反正切來計算電機實際位置，但是實際對整個系統(tǒng)的仿真中發(fā)現(xiàn)：由于該方法是使用積分法來消除高次諧波的影響，所以在有限的時間內無法實現(xiàn)對電機位置的無差估計。如圖1-2所示為SFE的結構框圖，這種方法在電機高速勻速運行時的位置估計較為準確，但是其在低速或者速度變化較大的場合并不適用。圖1-2SFE結構框圖以上的算法均是基于從霍爾元件的輸出信號中提取基波分量實現(xiàn)對電機位置檢測的方法。文獻[8]利用自己設計的霍爾陣列，使用三個兩兩相差60電角度的線性霍爾傳感器并結合定點迭代的算法實現(xiàn)對電機位置的檢測，作者通過理論分析證明了其算法的穩(wěn)定性和收斂性。但其首先需要對電機磁場進行建模，然后根據(jù)霍爾傳感器的輸出結合定點迭代算法實現(xiàn)電機位置的估計，最后得到的實驗結果表明其位置估計的誤差在3電角度左右，位置估計誤差較大。文獻[9]和[10]分別根據(jù)自己設計的霍爾陣列實現(xiàn)了離線和在線地對電機磁場的建模，然后基于最優(yōu)化算法使得實際霍爾元件的輸出信號與建模磁場的誤差最小實現(xiàn)對電機位置的準確估計，文獻[11]利用神經(jīng)網(wǎng)絡算法實現(xiàn)對電機位置的檢測，這些算法計算量均很大，造成很大的計算負擔和時間延遲，所以很難直接應用于電機控制，所以本文主要還是針對第一類的位置估計方法進行研究。鎖相環(huán)作為一種較為成熟的相位檢測方法，已經(jīng)廣泛應用于電力系統(tǒng)、并網(wǎng)逆變器等場合。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)需要兩個正交的正余弦信號實現(xiàn)相位的閉環(huán)檢測，其動態(tài)性能好但對輸入信號的要求較高，當輸入信號存在直流?

在諧波、噪音和頻率變化等問題以及鎖相環(huán)動態(tài)過程中的誤差及穩(wěn)定問題，很多文獻也提出了相應的改進方法[16–20]。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)為II型系統(tǒng)，不能實現(xiàn)對頻率隨時間線性變化的正弦信號的無差跟蹤，所以有些文獻提出III型鎖相環(huán)實現(xiàn)對頻率隨時間線性變化信號的無差跟蹤，但是提高系統(tǒng)的型別是以犧牲系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度為代價的。其中III型鎖相環(huán)又分為兩種[21],即改變環(huán)路濾波器階數(shù)和增加前饋通道，二者都能提高系統(tǒng)型別，但二者在穩(wěn)定性及算法復雜度存在一定差異，文獻[22–24]基于雙環(huán)路III型鎖相環(huán)實現(xiàn)旋轉電機的速度計算。如圖1-3所示為傳統(tǒng)鎖頻環(huán)的結構框圖，文獻[25,26]基于電網(wǎng)相位、頻率的跟蹤應用，提出了II型的鎖頻環(huán)實現(xiàn)對頻率的無差跟蹤，并根據(jù)實際系統(tǒng)增加了相應的相位補償算法，實現(xiàn)對電網(wǎng)相位的無差跟蹤。該方法是在交直軸坐標系下實現(xiàn)相位補償?shù)模涫紫韧ㄟ^Clark變化將三相電壓轉換為兩相正交的電壓相量，而經(jīng)過變換后的兩相正交的電壓分量正好是相差90電角度的正弦波，所以該方法可以應用于永磁同步電機的位置檢測。其中鎖頻環(huán)以及濾波器的建模和參數(shù)選擇可以參考文獻[27]。以上方法均能夠無差地跟蹤頻率呈線性變化的正余弦信號，所以非常適合永磁同步電機的位置檢測。圖1-3傳統(tǒng)鎖頻換結構框圖以上的文獻中，基本都是著重于位置檢測，且多數(shù)文獻都是應用于旋轉的永磁同步電機，注重的是速度控制，所以對位置控制的研究并不多。但是本文是基于永磁同步直線電機的位置檢測和控制，所以位置控制算法與位置檢測算法一樣重要。目前查閱的文獻中還沒有將霍爾位置檢測和先進的位置控制器相結合的研-5-

【參考文獻】：
期刊論文
[1]永磁同步直線電動機電流控制方法[J]. 牛宇杰,王明義,楊瑞,李立毅.  微特電機. 2019(09)
[2]基于鎖頻環(huán)的內置式永磁同步電機無傳感器控制[J]. 岳巖,王惠民,葛興來.  中國電機工程學報. 2019(10)
[3]永磁同步電機位置伺服系統(tǒng)迭代學習控制[J]. 馬冬麒,林輝.  微電機. 2018(11)
[4]基于諧波抑制和擾動觀測器的磁通切換永磁直線電機聯(lián)合控制方法[J]. 孟高軍,袁野,張亮,孫玉坤,劉海濤.  電工技術學報. 2018(09)
[5]基于迭代學習與FIR濾波器的PMLSM高精密控制[J]. 趙希梅,馬志軍,朱國昕.  電工技術學報. 2017(09)
[6]正弦和空間矢量PWM逆變器死區(qū)效應分析與補償[J]. 吳茂剛,趙榮祥,湯新舟.  中國電機工程學報. 2006(12)

博士論文
[1]電磁彈射用雙邊動磁式多氣隙永磁直線同步電機設計與分析[D]. 杜超.哈爾濱理工大學 2018
[2]精密永磁直線同步電機電流閉環(huán)控制關鍵技術研究[D]. 王明義.哈爾濱工業(yè)大學 2016
[3]精密運動平臺用永磁直線同步電機的磁場分析與電磁力研究[D]. 唐勇斌.哈爾濱工業(yè)大學 2014

碩士論文
[1]永磁同步電機諧波抑制方法研究[D]. 崔兆蕾.湖南工業(yè)大學 2019
[2]基于MEEMD算法的永磁直線同步電機分數(shù)階迭代學習控制[D]. 宋宏梅.沈陽工業(yè)大學 2019



本文編號：3241558