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        高頻注入在無霍爾直線電機驅動系統上的應用

        時間:2022-06-17 17:52:41來源:東元集團 - 臺安科技 李志剛 陶偉

        導語:?直線電機的歷史可以追溯到 1840 年惠斯登制作的并不成功的略現雛形的直線電機,其后的 180 多年中直線電機經歷了探索實驗、開發應用和使用商品化三個時期。1971 年至目今,直線電機終于進入獨立應用的階段,各類直線電機得到了迅速的普及推廣,制成了許多具有實用價值的裝置和產品,例如直線電機驅動的物流輸送機、數控機床、機械手臂、檢測設備、電動門等等。

          1 直線電機原理

          直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能,而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉電機按徑向剖開,并展成平面而成,如圖1所示。

        直線電機原理圖及轉變過程.png

        圖 1 直線電機原理圖及轉變過程

          直線電機的轉變過程是由定子演變而來的一側稱為初級,由轉子演變而來的一側稱為次級。在實際應用時,將初級和次級制造成不同的長度,以保證在所需行程范圍內初級與次級之間的耦合保持不變。直線電機可以是短初級長次級,也可以是長初級短次級,考慮到制造成本、運行費用等因素,目前一般均采用的是短初級長次級。

          直線電動機的工作原理與旋轉電動機相似。以直線感應電動機為例,當初級繞組通入交流電源時,便在氣隙中產生行波磁場,次級在行波磁場切割下,將感應出電動勢并產生電流,該電流與氣隙中的磁場相作用就產生了電磁推力。如果初級固定,則次級在推力作用下做直線運動; 反之,則初級做直線運動。

          2 含高頻注入的直線電機驅動控制系統

          一套直線電機應用系統不僅要有性能良好的直線電機,還必須具有能在安全可靠的條件下實現技術與經濟要求的驅動器。為此結合客戶不同應用場合需求,我司開發出了不同形式的直線電機啟動方式(1.強吸;2.根據霍爾信號;3.高頻注入偵測)。本文主要就高頻注入方式做討論(實現了在不外加霍爾器件下,初始移動量又最小的啟動)。

          (1)高頻注入原理及推導

          高頻注入法利用電機的凸極性,通過向電機注入特定形式的高頻信號(注入方波電壓信號,注入頻率大概在幾KHz),再提取高頻響應電流(這些高頻響應電流就包含轉子位置信息),將這些高頻響應電流送入位置觀測器, 進而得到電機轉子的位置,這類方法在原理分析時就忽略了很多低頻分量,故適用于零速情況(如圖2所示)。

        高頻注入控制框圖.png

          圖 2 高頻注入控制框圖  

               當高頻電壓注入時,電機的感抗相對于其它電阻的壓降以及磁鏈壓降大很多,則方程化簡為下式:

        公式1-1.png

        公式1-2.png (公式1) 

               整理成矩陣方程為:

        公式2.png(公式2) 

          把公式2兩邊都左乘反park變換矩陣,變換到靜止坐標系下,整理公式如下:

        公式3.png (公式3)  

              變化得:  

        公式4.png (公式4) 

               對公式4求反正切,得:

        公式6.png 

           (2) Simulink 仿真驗證如圖3、圖4 。

        高頻與低頻信號分離實現圖.png

        圖 3 高頻與低頻信號分離實現圖

          

        仿真αβ軸高頻  低頻反饋電流圖.png

        圖 4 仿真αβ軸高頻 / 低頻反饋電流圖

               使用反正切求電氣角(電機模型初始角設PI/4=0.785), 與圖5紅圈處一致。

        仿真電氣角圖.png

        圖 5 仿真電氣角圖

          (3)直線驅動系統平臺驗證(如圖6所示)。

        直線驅動器與直線電機圖1.png

        直線驅動器與直線電機圖2.png

        圖 6 直線驅動器與直線電機圖

          ①首先,依直線電機參數建入伺服驅動器內,如圖7 所示。

        電機參數設置界面.png

        圖 7 電機參數設置界面

          ②設定參數Cn009. 2=0,手動電氣角對位完成(也可激磁后,電氣角對位完成) Cn085= 40% 注入電壓duty 大小(如圖8所示)。

        對位 duty 設置圖.png

        圖 8 對位 duty 設置圖

          ③設定dn-011=1,手動對位開始及完成。如圖9所示,紅線為注入電壓命令藍線為估測電氣角角度。

        上位機 PClink 追蹤圖.png

        圖 9 上位機 PClink 追蹤圖

         3 結語

          通過高頻注入結合我司JSDG2S驅動器,完美地解決了直線電機啟動問題,在不增加額外偵測器件的前提下, 定位初始移動量最小,噪聲最小,保證了直線電機的穩定可靠性,滿足了客戶要求。同時,我司直線電機驅動系統應用還在持續推進,未來會針對其他應用場景做探討、研究,以適配不同的應用環境。

        標簽: 直線電機

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