一种直线电机无位置传感器控制系统的制作方法

1.本技术涉及直线电机控制技术领域，具体涉及一种直线电机无位置传感器控制系统。


背景技术：

2.随着科技的进步、工业的发展以及军事需求的增长，电磁弹射技术将更加广泛的应用到军事领域以及日常工业生产和生活当中。电磁弹射技术是采用电磁的能量来推动被弹射物体向外运动。相比于传统的弹射技术，电磁弹射器的体积变得更小，提供的推力变得更大，控制精度更高同时可以更加方便的调节电磁推力的大小，适宜于在较短的行程内发射大载荷。
3.在电磁弹射的实际应用中，对电机的动子及负载的过载控制、动子的速度以及动子的位置等相关参数有十分精确的要求。
4.但是，在实际的电机进给系统当中，为了能够实现高精度的性能需求，通常需要安装传感器以获取精确的速度和位置信息，这不仅增加了系统的成本和维护费用，同时，由于传感器易受温度、湿度、振动和电磁干扰等条件的影响，会使系统的稳定性和可靠性变差，尤其是在无法安装传感器的场合当中，直线电机无传感器控制技术的研究显得更加重要。


技术实现要素：

5.针对上述存在的问题，本技术实施例提供一种直线电机无位置传感器控制系统，至少能够解决上述问题。
6.本技术实施例的第一个方面提供了一种直线电机无位置传感器控制系统，包括：直线电机；
7.节点开关，设置于直线电机，所述节点开关配置为在直线电机的运行过程中，其生成动子在定子部内运行时的开关信号；所述开关信号包括开通信号和关断信号；
8.控制装置，包括矢量控制模块和与所述矢量控制模块连接的无传感器控制模块；
9.其中，所述节点开关与所述矢量控制模块连接，所述矢量控制模块根据所述开通信号生成电流信号和电压信号；所述无传感器控制模块根据电流信号和电压信号生成动子的反馈量，所述反馈量包括位置信息和速度信息，所述矢量控制模块根据所述反馈量进行电机控制。
10.一些实施例中，所述定子部包括相对设置的两个定子，两个所述定子均包括若干级定子段，两个所述定子的定子段数量相同并一一对应设置；其中，所述动子设置于两定子之间；所述节点开关设置于相邻接的两个所述定子段间。
11.一些实施例中，所述动子的长度尺寸小于所述定子段的长度尺寸。
12.一些实施例中，所述无传感器控制模块包括第一无传感器控制子模块和第二无传感器控制子模块，所述第一无传感器控制子模块与奇数级的定子段连接，第二无传感器控制子模块与偶数级的所述定子段连接；
13.所述矢量控制模块包括第一矢量控制子模块和第二矢量控制子模块，所述第一矢量控制子模块与所述第一无传感器控制子模块，所述第二矢量控制子模块与第二无传感器控制子模块连接。
14.一些实施例中，所述节点开关配置为在所述动子位于各级定子段内，或进入相邻的下一级定子段时生成所述开通信号；及所述节点开关配置为在所述动子离开相邻的上一级定子段时生成所述关断信号。
15.一些实施例中，所述矢量控制模块包括逆变器，所述逆变器与所述节点开关连接，所述逆变器根据所述开通信号生成电流信号和和电压信号；
16.其中，所述矢量控制模块还包括坐标变换器，所述坐标变换器与所述逆变器连接，其用于对电流信号和电压信号进行坐标变换。
17.一些实施例中，所述无传感器控制模块包括滤波器、滑模观测器和锁相环，所述滤波器与所述坐标变换器连接，所述滑模器分别与所述滤波器和所述锁相环连接；
18.其中，所述滤波器用于对坐标变换后的电流信号和电压信号进行滤波；所述滑模观测器根据滤波后的电流信号和电压信号得到估算的连续扩展反电动势值，所述的锁相环根据估算的扩展反电动势值解算出动子的反馈量，并将所述反馈量反馈至所述矢量控制模块。
19.一些实施例中，所述无传感器控制模块还包括：
20.预估速度给定模块，所述预估速度给定模块根据所述关断信号时，将预估给定速度信号作为反馈量反馈至所述矢量控制模块；其中，预估给定速度信号为固定加速度的斜坡信号。
21.一些实施例中，所述电机为永磁同步直线电机，其静止坐标系下的电压满足条件式：
[0022][0023]
式中u
α
、u
β
分别表示定子电压，i
α
、i
β
分别表示定子电流，r为电阻，ld、lq为定子电感，ωe为电角速度，p为微分算子，e
α
、e
β
为扩展反电动势，且满足：
[0024][0025]
θe为电角度，ψf为定子磁链；
[0026]
由式(1)，永磁同步直线电机滑模观测器设计为：
[0027][0028]
其中，为定子电流的观测值，u
α
、u
β
为滑模观测器的控制输入，v
α
、v
β
是e
α
、e
β
对应的等效控制量。
[0029]
一些实施例中，设计滑模控制律，由式(3)设计滑模控制律：
[0030]
[0031]
其中，sgn(s)为符号函数，该函数满足：
[0032][0033]
其中，a是正常数。
[0034]
一些实施例中，锁相环中电角度的观测值到电角度实际值θe的传递函数为：
[0035][0036]
其中，式中ωn决定了pi控制器的带宽，根据实际工况确定锁相环中pi控制器参数；其中，通过锁相环用于解算出反馈量，包括位置信息和速度信息，其中，s表示为位置信息，vm表示为速度信息；位置信息s和速度信息vm满足下述条件式：
[0037][0038][0039]
一些实施例中，滤波器为低通滤波器；
[0040]
其中，根据预估给定速度信号确定电机给定速度，并设计滤波器的截止频率，滤波器的传递函数可表示为：
[0041][0042]
其截止频率设计为：
[0043][0044]
式中v为电机给定速度，p为电机极对数。
[0045]
一些实施例中，根据解算的电机的速度vm求得由滤波器引起的动子位置估计误差δθ，对电机动子位置的初始估计值进行补偿得到电机动子位置的准确估计值
[0046]
其中，通过频率特性法求得滤波器引起的动子位置估计误差δθ满足条件式：
[0047][0048]
并对直线电机动子位置的初始估计值进行补偿得到
[0049]
本技术的有益效果包括：
[0050]
(1)本技术一种直线电机无位置传感器控制系统，特别是对分段式永磁同步直线电机无位置传感器控制，该系统利用设置于定子段间的节点开关提供的开关信号，解决了控制装置独立运行不能精准估算段间速度的问题，实现了直线电机在定子段间区域精准控
制的目的；
[0051]
(2)设计了一种级联低通滤波器与位置补偿方法，提高了无传感器控制算法估算动子速度的准确度，同时消除了低通滤波器所造成的动子位置估计误差，提高了电机位置和速度检测的准确性；
[0052]
综上，通过本技术的分段式永磁同步直线电机无位置传感器控制控制策略，实现了无传感器控制算法以及信号处理方式的设计创新，解决了无位置传感器控制方法在分段式永磁同步电机定子侧控制装置不能通讯时的有效性，且具有精度高，响应快速性好，及可有效满足分段式直线电机控制系统的性能要求。
[0053]
应当理解的是，本技术的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本技术的原理，而不构成对本技术的限制。因此，在不偏离本技术的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。此外，本技术所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
附图说明
[0054]
图1为本技术中直线电机无位置传感器控制系统结构示意框图；
[0055]
图2为本技术的分段式直线电机拓扑结构图；
[0056]
图3为本技术中直线电机动子运行规律与逆变器连接的结构示意图。
具体实施方式：
[0057]
为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本技术进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本技术的概念。
[0058]
本技术实施例提供了一种直线电机无位置传感器控制系统，包括：直线电机；
[0059]
节点开关，设置于直线电机，节点开关配置为在直线电机的运行过程中，其生成动子在定子部内运行时的开关信号；开关信号包括开通信号和关断信号；
[0060]
控制装置，包括矢量控制模块和与矢量控制模块连接的无传感器控制模块；
[0061]
其中，节点开关与矢量控制模块连接，矢量控制模块根据开通信号生成电流信号和电压信号；无传感器控制模块根据电流信号和电压信号生成动子的反馈量，反馈量包括位置信息和速度信息，矢量控制模块根据反馈量进行直线电机控制。
[0062]
一些实施例中，定子部包括相对设置的两个定子，两个定子均包括若干级定子段，两个定子的定子段数量相同并一一对应设置；其中，动子设置于两定子之间；节点开关设置于相邻接的两个定子段间。
[0063]
一些实施例中，动子的长度尺寸小于定子段的长度尺寸。
[0064]
一些实施例中，无传感器控制模块包括第一无传感器控制子模块和第二无传感器控制子模块，第一无传感器控制子模块与奇数级的定子段连接，第二无传感器控制子模块与偶数级的定子段连接；
[0065]
矢量控制模块包括第一矢量控制子模块和第二矢量控制子模块，第一矢量控制子
模块与第一无传感器控制子模块，第二矢量控制子模块与第二无传感器控制子模块连接。
[0066]
一些实施例中，节点开关配置为在动子位于各级定子段内，或进入相邻的下一级定子段时生成开通信号；及节点开关配置为在动子离开相邻的上一级定子段时生成关断信号。
[0067]
一些实施例中，矢量控制模块包括逆变器，逆变器与节点开关连接，逆变器根据开通信号生成电流信号和和电压信号；
[0068]
其中，矢量控制模块还包括坐标变换器，坐标变换器与逆变器连接，其用于对电流信号和电压信号进行坐标变换。
[0069]
一些实施例中，无传感器控制模块包括滤波器、滑模观测器和锁相环，滤波器与坐标变换器连接，滑模器分别与滤波器和锁相环连接；
[0070]
其中，滤波器用于对坐标变换后的电流信号和电压信号进行滤波；滑模观测器根据滤波后的电流信号和电压信号得到估算的连续扩展反电动势值，的锁相环根据估算的扩展反电动势值解算出动子的反馈量，并将反馈量反馈至矢量控制模块。
[0071]
一些实施例中，无传感器控制模块还包括：
[0072]
预估速度给定模块，预估速度给定模块根据关断信号时，将预估给定速度信号作为反馈量反馈至矢量控制模块；其中，预估给定速度信号为固定加速度的斜坡信号。
[0073]
一些实施例中，直线电机为永磁同步直线电机，其静止坐标系下的电压满足条件式：
[0074][0075]
式中u
α
、u
β
分别表示定子电压，i
α
、i
β
分别表示定子电流，r为电阻，ld、lq为定子电感，ωe为电角速度，p为微分算子，e
α
、e
β
为扩展反电动势，且满足：
[0076][0077]
θe为电角度，ψf为定子磁链；
[0078]
由式(1)，永磁同步直线电机滑模观测器设计为：
[0079][0080]
其中，为定子电流的观测值，u
α
、u
β
为滑模观测器的控制输入，v
α
、v
β
是e
α
、e
β
对应的等效控制量。
[0081]
一些实施例中，设计滑模控制律，由式(3)设计滑模控制律：
[0082][0083]
其中，sgn(s)为符号函数，该函数满足：
[0084]
[0085]
其中，a是正常数。
[0086]
一些实施例中，锁相环中电角度的观测值到电角度实际值θe的传递函数为：
[0087][0088]
其中，式中ωn决定了pi控制器的带宽，根据实际工况确定锁相环中pi控制器参数；其中，通过锁相环用于解算出反馈量，包括位置信息和速度信息，其中，s表示为位置信息，vm表示为速度信息；位置信息s和速度信息vm满足下述条件式：
[0089][0090][0091]
一些实施例中，滤波器为低通滤波器；
[0092]
其中，根据预估给定速度信号确定电机给定速度，并设计滤波器的截止频率，滤波器的传递函数可表示为：
[0093][0094]
其截止频率设计为：
[0095][0096]
式中v为电机给定速度，p为电机极对数。
[0097]
一些实施例中，根据解算的电机的速度vm求得由滤波器引起的动子位置估计误差δθ，对电机动子位置的初始估计值进行补偿得到电机动子位置的准确估计值
[0098]
其中，通过频率特性法求得滤波器引起的动子位置估计误差δθ满足条件式：
[0099][0100]
并对直线电机动子位置的初始估计值进行补偿得到
[0101]
一些实施例中，参考图1所示，直线电机为分段式永磁同步直线电机，直线电机与矢量控制模块连接。本技术中，由无传感器控制模块解算的速度和位置信息替代应由传感器检测的速度和位置信息。进一步，直线电机无位置传感器控制系统包括分段式永磁同步直线电机模型、矢量控制模和无传感器控制模块；分段式永磁同步直线电机模型包括分段式永磁同步直线电机的机械拓扑结构、直线电机动子运动模型及节点开关；其中，分段式永磁同步直线电机模型是本控制系统的控制对象，节点开关用于提供直线电机运行过程中动子进入定子段以及离开定子段的开通信号或关断信号。
[0102]
矢量控制模块包括速度环pi控制器、电流环pi控制器、svpwm(space vector pulse width modulation空间矢量脉宽调制)模块、逆变器和坐标变换器；矢量控制模块用
于承担速度环变pi控制、电流环pi控制器参数整定、及控制逆变器用以产生三相电流和电压以及实现对不同坐标系下电机助学模型的坐标变换；其中，逆变器为三相电压源逆变器。
[0103]
矢量控制模块包括第一矢量控制子模块和第二矢量控制子模块，第一矢量控制子模块与第一无传感器控制子模块，第二矢量控制子模块与第二无传感器控制子模块连接。
[0104]
无传感器控制模块包括低通滤波器、滑模观测器、锁相环和预估速度给定模块(预估速度给定v0)；其中，低通滤波器用以提取连续的扩展反电动势估计值进行滤波处理后送入滑模观测器；滑模观测器对提取的电流和电压信息进行处理，得到估算的连续扩展反电动势并送入锁相环；锁相环根据估算的扩展反电动势可以解算出动子的位置信息和速度信息，并将该位置信息和速度信息送入矢量控制模块中作为反馈量参与系统的控制。其中，滤波器为低通滤波器。
[0105]
无传感器控制模块包括第一无传感器控制子模块和第二无传感器控制子模块，第一无传感器控制子模块与奇数级的定子段连接，第二无传感器控制子模块与偶数级的定子段连接；
[0106]
本技术中，控制系统根据预估速度给定模块的速度给定信号(v0)以及无传感器控制模块送回的电机动子位置和速度的反馈信号完成对该分段式永磁同步直线电机控制，其中，系统的速度环pi调解器对动子位置和速度的反馈信号进行计算，以求解电机的电流环指令给定值，根据速度环pi调解器的电流环给定值，电流环pi调解器解算出所需要的电流的大小；且解算后的电流经过坐标变换器后进入svpwm模块，进而完成对三相电压源逆变器控制，以产生直线电机运行所需要的三相电流。
[0107]
本技术中，通过对电流信息的提取，实时计算分段式永磁同步直线电机的动子的位置和速度信息；其中，给定速度信号是一段固定加速度的斜坡信号。
[0108]
进一步，本技术中，一方面，无传感器控制模块根据提取的电流信息和电压信息进行解算得到预估的扩展反电动势，经由锁相环得到估算的速度和位置信息；其中，当节点开关给予开通信号时，速度反馈量为无传感器方法解算的速度；另一方面，当节点开关给予关断信号时，速度反馈量为预估给定速度值。图2所示为本技术所控制的分段式永磁同步直线电机拓扑结构图。其中，包括定子部和动子，定子部包括五段等长的定子段，节点开关为四个，四个节点开关设置于定子段间。四个节点开关包括节点开关1、节点开关2、节点开关3和节点开关4，四个节点开关分别设置于相邻的定子段间的位置处。可以理解的是，定子部成对出现，图中仅示意其中一个定子部，且节点开关与逆变器连接。
[0109]
一些实施例中，定子段的长度大于动子的长度；节点开关安装在相邻两段定子段之间，以在动子进入下一段定子段时给逆变器一个开通信号，使逆变器开始工作；或在动子离开上一段定子段时给逆变器一个关断信号，使逆变器停止工作，其目的使得系统可以判断动子何时及何处进入或离开一段定子段。
[0110]
参考图,3可看出，奇数级定子段与逆变器1连接，偶数级定子段与逆变器2连接,且各定子段均通过晶闸管与逆变器连接。由图3中，定子段a通过晶闸管1连接于逆变器1、定子段c通过晶闸管3连接于逆变器1和定子段e通过晶闸管5连接于逆变器1；定子段b通过晶闸管2连接于逆变器2，及定子段d通过晶闸管4连接于逆变器2。当动子在定子段a内运动时，四个节点开关均未被触发，此时仅有逆变器1工作；当动子由定子段a进入定子段b时，且位于两段定子之间运动时，节点开关1提供开通信号作用于逆变器2，此时逆变器1与逆变器2同
时工作；当动子离开定子段a并完全进入定子段b时，节点开关1提供关断信号作用于逆变器1，逆变器1不再工作，此时仅有逆变器2工作。同样，动子在定子段c、定子段d和定子段e的原理请参考上述内容，故不再赘述。
[0111]
继续参考图3，图3所示为本技术中分段式永磁同步直线电机的动子运行规律与逆变器控制示意图，分段式永磁同步直线电机定子部分为等长的五段，且分别由五个独立的功率晶闸管进行驱动控制。本技术中，节点开关提供开通及关断信号，用以控制逆变器1和逆变器2的开通与关断状态，实现五个独立的晶闸管分别由两个独立的逆变器1和逆变器2交替控制，当动子在定子a段内运动时，只有逆变器1工作；当动子在定子a与定子b段内运动时，逆变器1与逆变器2同时工作；当动子在定子b段内运动时，只有逆变器2工作，其余各段以此类推。本技术中，逆变器1和逆变器2的工作状态由节点开关决定，当节点开关给予开通信号时，两台逆变器同时工作；当节点开关给予关断信号时，只有一台逆变器工作；动子在定子段a、定子段c和定子端e段内运行时，逆变器1单独工作；动子在定子端b、定子端d段内运行时，逆变器2单独工作。
[0112]
继续参考图1，所示为本技术中的直线电机无位置传感器控制系统，主要由pi控制器(包括速度环pi控制器和电流环pi控制器)、驱动控制器(包括svpwm模块和逆变器)、无传感器控制模块以及分段式永磁同步直线电机组成。其中，pi控制器由速度环pi控制器、电流环pi控制器组成双闭环控制系统；无传感器控制模块包括低通滤波器、滑模观测器、锁相环和预估速度给定模块构成。
[0113]
在一个实施例中，预估速度给定模块中的给定速度v0是一段固定斜率的斜坡信号，在给定速度v0进入速度环pi控制器结算后得到电流环pi控制器给定输入iq；电流环pi控制器中的d轴电流给定为id，的d轴电流给定id的值为0；电流环pi控制器对id、iq给定进行解算后得到u
αuβ
；其中，u
αuβ
作为svpwm模块的输入给定。
[0114]
驱动控制器主要包括svpwm模块和逆变器；其中，svpwm模块对给定的调制电压u
αuβ
进行调制解算，在经过逆变器得到驱动分段式永磁同步直线电机运动的三相电压u
abc
及三相电流i
abc
。一些实施例中，分段式永磁同步直线电动机包括相对设置的两个定子部，每一定子部分为五段定子段，相邻的两段定子段由两台独立的控制系统交替控制，即，奇数级的定子段由第一无传感器控制子模块和第一矢量控制子模块构成的控制系统进行控制，偶数级的定子段由第二无传感器控制子模块和第二矢量控制子模块构成的控制系统进行控制。其中，节点开关在定子部上均设置四个，分别设置在相邻的两段定子段之间，当动子进入到两段定子段间部分时，节点开关给出开通信号；当动子在每段定子段内运行时，节点开关给出关断信号。无传感器控制模块主要包括坐标变换器、低通滤波器、滑模观测器、锁相环和预估速度给定模块构成；坐标变换器对三相电压u
abc
及三相电流i
abc
进行坐标变换得到定子电压u
αβ
以及定子电流i
αβ
；低通滤波器对定子电压u
αβ
以及定子电流i
αβ
进行滤波处理，改善信号的质量，并将滤波后的信号送入滑模观测器中；滑模观测器经过解算，可以得到带有动子位置信息的估算反电动势e
α*eβ*
；锁相环对估算反电动势e
α*eβ*
解算，可以得到估算反电动势e
α*eβ*
中蕴含的动子速度v
*
和动子位置θ
*
；且锁相环所解算的位置信息θ
*
作为反馈量直接反馈到svpwm以及坐标变换器当中；其中，反馈到svpwm的位置反馈量θ
*
参与计算调制波的占空比，用于控制逆变器1与逆变器2进行输出三相交流电压；其中，反馈到坐标变换器中的位置反馈量θ
*
参与到三相电压u
abc
及三相电流i
abc
转换为定子电压u
αβ
以及定子电流i
αβ
的计算
当中。一方面，当节点开关给出关断信号时，及动子在定子段内运行时，速度反馈量为锁相环解算出的动子速度v
*
；另一方面，当节点开关给出开通信号时，及动子在两段定子段间运行时，速度反馈量为预估的给定速度v0。速度反馈量及位置反馈量θ
*
即为无传感器控制模块的输出量，参与到分段式永磁同步直线电机的闭环控制当中。
[0115]
本技术的有益效果包括：
[0116]
(1)本技术一种直线电机无位置传感器控制系统，特别是对分段式永磁同步电机无传感器电机控制，该系统利用设置于定子段间的节点开关提供的开关信号，解决了控制装置独立运行不能精准估算段间速度的问题，实现了直线电机在定子段间区域精准控制的目的；
[0117]
(2)设计了一种级联低通滤波器与位置补偿方法，提高了无传感器控制算法估算动子速度的准确度，同时消除了低通滤波器所造成的动子位置估计误差，提高了电机位置和速度检测的准确性；
[0118]
综上，通过本技术的分段式永磁同步直线电机无传感器控制控制策略，实现了无传感器控制算法以及信号处理方式的设计创新，解决了无传感器控制方法在分段式永磁同步电机定子侧控制装置不能通讯时的有效性，且具有精度高，响应快速性好，及可有效满足分段式直线电机控制系统的性能要求。
[0119]
应当理解的是，本技术的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本技术的原理，而不构成对本技术的限制。因此，在不偏离本技术的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。此外，本技术所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。