基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测及控制技术研究
发布时间：2021-06-21 22:39
与旋转电机相比,永磁同步直线电机具有结构简单、不需要滚珠丝杠等传动机构、动态响应好、定位精度高、运动行程无限制等一系列优点,所以非常适用于精密的现代数控机床、光刻机、电磁弹射等场合。随着应用领域的不断拓展,成本问题逐渐成为限制其发展与应用的一个核心问题,其中位置传感器占据成本中的很大一部分。应用线性霍尔作为作为位置传感器,具有体积小、重量轻、成本低、环境适应性好的优点,但其也存在着精度相对较低的缺点。本文旨在研究基于线性霍尔位置传感器的精密永磁同步直线电机驱动控制系统。首先,由于电机运行及霍尔传感器本身误差等原因,霍尔传感器输出信号可能包含较为复杂的谐波,基于此问题,本文设计了谐波消除方法实现对霍尔信号谐波的消除,减小由于谐波引入的误差。之后结合锁相环实现位置检测,针对传统锁相环（II型系统）对谐波敏感及无法无差跟踪频率线性变化信号的缺点,进行了分别的设计,其中应用消谐算法解决谐波问题,并应用III型锁相环实现对频率线性变化信号的无差跟踪,最终设计了基于以上消谐算法和III型锁相环的位置检测系统。其次,由于线性霍尔位置传感器输出信号本身为磁场信号的正余弦值,所以考虑直接使用霍尔信号实现...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于霍尔位置传感器的永磁电机结构示意图
?煊σ步峡欤?嵌冉自镜牡髡?奔湓?为4μs，鲁棒性也较好。文献[7]提出了同步频率提取器(SynchronousFrequencyExtractors,SFEs)来从原始信号中提取基波分量，SFE能够通过积分的方法将霍尔元件输出信号中的高次谐波滤除，进而利用反正切来计算电机实际位置，但是实际对整个系统的仿真中发现：由于该方法是使用积分法来消除高次谐波的影响，所以在有限的时间内无法实现对电机位置的无差估计。如图1-2所示为SFE的结构框图，这种方法在电机高速匀速运行时的位置估计较为准确，但是其在低速或者速度变化较大的场合并不适用。图1-2SFE结构框图以上的算法均是基于从霍尔元件的输出信号中提取基波分量实现对电机位置检测的方法。文献[8]利用自己设计的霍尔阵列，使用三个两两相差60电角度的线性霍尔传感器并结合定点迭代的算法实现对电机位置的检测，作者通过理论分析证明了其算法的稳定性和收敛性。但其首先需要对电机磁场进行建模，然后根据霍尔传感器的输出结合定点迭代算法实现电机位置的估计，最后得到的实验结果表明其位置估计的误差在3电角度左右，位置估计误差较大。文献[9]和[10]分别根据自己设计的霍尔阵列实现了离线和在线地对电机磁场的建模，然后基于最优化算法使得实际霍尔元件的输出信号与建模磁场的误差最小实现对电机位置的准确估计，文献[11]利用神经网络算法实现对电机位置的检测，这些算法计算量均很大，造成很大的计算负担和时间延迟，所以很难直接应用于电机控制，所以本文主要还是针对第一类的位置估计方法进行研究。锁相环作为一种较为成熟的相位检测方法，已经广泛应用于电力系统、并网逆变器等场合。传统的锁相环需要两个正交的正余弦信号实现相位的闭环检测，其动态性能好但对输入信号的要求较高，当输入信号存在直流?
在谐波、噪音和频率变化等问题以及锁相环动态过程中的误差及稳定问题，很多文献也提出了相应的改进方法[16–20]。传统的锁相环为II型系统，不能实现对频率随时间线性变化的正弦信号的无差跟踪，所以有些文献提出III型锁相环实现对频率随时间线性变化信号的无差跟踪，但是提高系统的型别是以牺牲系统的稳定裕度为代价的。其中III型锁相环又分为两种[21],即改变环路滤波器阶数和增加前馈通道，二者都能提高系统型别，但二者在稳定性及算法复杂度存在一定差异，文献[22–24]基于双环路III型锁相环实现旋转电机的速度计算。如图1-3所示为传统锁频环的结构框图，文献[25,26]基于电网相位、频率的跟踪应用，提出了II型的锁频环实现对频率的无差跟踪，并根据实际系统增加了相应的相位补偿算法，实现对电网相位的无差跟踪。该方法是在交直轴坐标系下实现相位补偿的，其首先通过Clark变化将三相电压转换为两相正交的电压相量，而经过变换后的两相正交的电压分量正好是相差90电角度的正弦波，所以该方法可以应用于永磁同步电机的位置检测。其中锁频环以及滤波器的建模和参数选择可以参考文献[27]。以上方法均能够无差地跟踪频率呈线性变化的正余弦信号，所以非常适合永磁同步电机的位置检测。图1-3传统锁频换结构框图以上的文献中，基本都是着重于位置检测，且多数文献都是应用于旋转的永磁同步电机，注重的是速度控制，所以对位置控制的研究并不多。但是本文是基于永磁同步直线电机的位置检测和控制，所以位置控制算法与位置检测算法一样重要。目前查阅的文献中还没有将霍尔位置检测和先进的位置控制器相结合的研-5-
【参考文献】：
期刊论文
[1]永磁同步直线电动机电流控制方法[J]. 牛宇杰,王明义,杨瑞,李立毅. 微特电机. 2019(09)
[2]基于锁频环的内置式永磁同步电机无传感器控制[J]. 岳岩,王惠民,葛兴来. 中国电机工程学报. 2019(10)
[3]永磁同步电机位置伺服系统迭代学习控制[J]. 马冬麒,林辉. 微电机. 2018(11)
[4]基于谐波抑制和扰动观测器的磁通切换永磁直线电机联合控制方法[J]. 孟高军,袁野,张亮,孙玉坤,刘海涛. 电工技术学报. 2018(09)
[5]基于迭代学习与FIR滤波器的PMLSM高精密控制[J]. 赵希梅,马志军,朱国昕. 电工技术学报. 2017(09)
[6]正弦和空间矢量PWM逆变器死区效应分析与补偿[J]. 吴茂刚,赵荣祥,汤新舟. 中国电机工程学报. 2006(12)
博士论文
[1]电磁弹射用双边动磁式多气隙永磁直线同步电机设计与分析[D]. 杜超.哈尔滨理工大学 2018
[2]精密永磁直线同步电机电流闭环控制关键技术研究[D]. 王明义.哈尔滨工业大学 2016
[3]精密运动平台用永磁直线同步电机的磁场分析与电磁力研究[D]. 唐勇斌.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]永磁同步电机谐波抑制方法研究[D]. 崔兆蕾.湖南工业大学 2019
[2]基于MEEMD算法的永磁直线同步电机分数阶迭代学习控制[D]. 宋宏梅.沈阳工业大学 2019
本文编号：3241558
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于霍尔位置传感器的永磁电机结构示意图
?煊σ步峡欤?嵌冉自镜牡髡?奔湓?为4μs，鲁棒性也较好。文献[7]提出了同步频率提取器(SynchronousFrequencyExtractors,SFEs)来从原始信号中提取基波分量，SFE能够通过积分的方法将霍尔元件输出信号中的高次谐波滤除，进而利用反正切来计算电机实际位置，但是实际对整个系统的仿真中发现：由于该方法是使用积分法来消除高次谐波的影响，所以在有限的时间内无法实现对电机位置的无差估计。如图1-2所示为SFE的结构框图，这种方法在电机高速匀速运行时的位置估计较为准确，但是其在低速或者速度变化较大的场合并不适用。图1-2SFE结构框图以上的算法均是基于从霍尔元件的输出信号中提取基波分量实现对电机位置检测的方法。文献[8]利用自己设计的霍尔阵列，使用三个两两相差60电角度的线性霍尔传感器并结合定点迭代的算法实现对电机位置的检测，作者通过理论分析证明了其算法的稳定性和收敛性。但其首先需要对电机磁场进行建模，然后根据霍尔传感器的输出结合定点迭代算法实现电机位置的估计，最后得到的实验结果表明其位置估计的误差在3电角度左右，位置估计误差较大。文献[9]和[10]分别根据自己设计的霍尔阵列实现了离线和在线地对电机磁场的建模，然后基于最优化算法使得实际霍尔元件的输出信号与建模磁场的误差最小实现对电机位置的准确估计，文献[11]利用神经网络算法实现对电机位置的检测，这些算法计算量均很大，造成很大的计算负担和时间延迟，所以很难直接应用于电机控制，所以本文主要还是针对第一类的位置估计方法进行研究。锁相环作为一种较为成熟的相位检测方法，已经广泛应用于电力系统、并网逆变器等场合。传统的锁相环需要两个正交的正余弦信号实现相位的闭环检测，其动态性能好但对输入信号的要求较高，当输入信号存在直流?
在谐波、噪音和频率变化等问题以及锁相环动态过程中的误差及稳定问题，很多文献也提出了相应的改进方法[16–20]。传统的锁相环为II型系统，不能实现对频率随时间线性变化的正弦信号的无差跟踪，所以有些文献提出III型锁相环实现对频率随时间线性变化信号的无差跟踪，但是提高系统的型别是以牺牲系统的稳定裕度为代价的。其中III型锁相环又分为两种[21],即改变环路滤波器阶数和增加前馈通道，二者都能提高系统型别，但二者在稳定性及算法复杂度存在一定差异，文献[22–24]基于双环路III型锁相环实现旋转电机的速度计算。如图1-3所示为传统锁频环的结构框图，文献[25,26]基于电网相位、频率的跟踪应用，提出了II型的锁频环实现对频率的无差跟踪，并根据实际系统增加了相应的相位补偿算法，实现对电网相位的无差跟踪。该方法是在交直轴坐标系下实现相位补偿的，其首先通过Clark变化将三相电压转换为两相正交的电压相量，而经过变换后的两相正交的电压分量正好是相差90电角度的正弦波，所以该方法可以应用于永磁同步电机的位置检测。其中锁频环以及滤波器的建模和参数选择可以参考文献[27]。以上方法均能够无差地跟踪频率呈线性变化的正余弦信号，所以非常适合永磁同步电机的位置检测。图1-3传统锁频换结构框图以上的文献中，基本都是着重于位置检测，且多数文献都是应用于旋转的永磁同步电机，注重的是速度控制，所以对位置控制的研究并不多。但是本文是基于永磁同步直线电机的位置检测和控制，所以位置控制算法与位置检测算法一样重要。目前查阅的文献中还没有将霍尔位置检测和先进的位置控制器相结合的研-5-
【参考文献】：
期刊论文
[1]永磁同步直线电动机电流控制方法[J]. 牛宇杰,王明义,杨瑞,李立毅. 微特电机. 2019(09)
[2]基于锁频环的内置式永磁同步电机无传感器控制[J]. 岳岩,王惠民,葛兴来. 中国电机工程学报. 2019(10)
[3]永磁同步电机位置伺服系统迭代学习控制[J]. 马冬麒,林辉. 微电机. 2018(11)
[4]基于谐波抑制和扰动观测器的磁通切换永磁直线电机联合控制方法[J]. 孟高军,袁野,张亮,孙玉坤,刘海涛. 电工技术学报. 2018(09)
[5]基于迭代学习与FIR滤波器的PMLSM高精密控制[J]. 赵希梅,马志军,朱国昕. 电工技术学报. 2017(09)
[6]正弦和空间矢量PWM逆变器死区效应分析与补偿[J]. 吴茂刚,赵荣祥,汤新舟. 中国电机工程学报. 2006(12)
博士论文
[1]电磁弹射用双边动磁式多气隙永磁直线同步电机设计与分析[D]. 杜超.哈尔滨理工大学 2018
[2]精密永磁直线同步电机电流闭环控制关键技术研究[D]. 王明义.哈尔滨工业大学 2016
[3]精密运动平台用永磁直线同步电机的磁场分析与电磁力研究[D]. 唐勇斌.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]永磁同步电机谐波抑制方法研究[D]. 崔兆蕾.湖南工业大学 2019
[2]基于MEEMD算法的永磁直线同步电机分数阶迭代学习控制[D]. 宋宏梅.沈阳工业大学 2019
本文编号：3241558
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