電磁發(fā)射器動子位置檢測方法

1、電磁發(fā)射器動子位置檢測方法綜述摘要:電磁發(fā)射器的本質(zhì)可以看作永磁直線同步電機(jī)(PMLSM)。PMLSM在動子位置未知的情況下不能啟動或者啟動后不能正常工作，所以電磁發(fā)射器動子實時位置檢測十分重要。本文分析了目前國內(nèi)外文獻(xiàn)介紹的幾種典型的電磁發(fā)射器動子位置檢測方法，并對它們的基本原理、實現(xiàn)途徑及適用場合等特點作了必要說明。關(guān)鍵詞:電磁發(fā)射 位置檢測 永磁直線同步電機(jī)Summary on Rotor Position Detection Method for Electromagnetic LauncherAbstract:Nature of the electromagnetic launche

2、r can be regarded as a permanent magnet linear synchronous motor(PMLSM). PMLSM could not start or could not work normally if the rotor position is unknown, so the electromagnetic launcher rotor position detection in real time is very important. In this paper, several typical methods of rotor positio

3、n detection introduced in domestic and foreign documents are analyzed, and the basic principles, ways and suitable areas are illustrated in detail.Key words:electromagnetic launch; rotor position detection; permanent magnet linear synchronous motor0 引言 電磁發(fā)射是當(dāng)今世界上正在研究和發(fā)展的一項武器技術(shù)。電磁發(fā)射器是通過脈沖大電流強(qiáng)生強(qiáng)磁場，電樞在

4、直線軌道上受電磁力推動將電磁能轉(zhuǎn)化為動子機(jī)械能的裝置，其本質(zhì)可理解為永磁直線同步電機(jī)（PMLSM）。而PMLSM動子運(yùn)動的實時位置檢測是PMLSM調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制必不可少的重要環(huán)節(jié)。近年來也出現(xiàn)了不少電磁發(fā)射器動子的位置檢測方法。主要分為借助位置傳感器和無位置傳感器兩類，本文將對幾種典型的電磁發(fā)射器動子位置檢測方法進(jìn)行介紹和適當(dāng)評估。2 基于位置傳感器的動子位置檢測方法 位置傳感器種類很多，有霍爾磁敏式、電磁式、光電式等。借助位置傳感器的位置檢測方法實現(xiàn)方法較簡單，即將位置傳感器安裝在電磁發(fā)射裝置的動子上，傳感器將動子的位置信號轉(zhuǎn)換成便于測量的其它信號。下面介紹2種典型的借助位置傳感器的動

5、子位置檢測方法：2.1 霍爾磁敏式位置傳感器法 永磁直線同步電機(jī)的氣隙磁場沿運(yùn)動方向呈正弦分布。如圖1所示，在動子上安裝兩個參數(shù)一致的線性霍爾元件，使氣隙中的磁場徑向分量作為霍爾器件的感應(yīng)磁場，垂直于霍爾器件的磁場感應(yīng)面。由于線性霍爾器件的特性，當(dāng)動子沿軸直線運(yùn)動時，霍爾器件的輸出電壓應(yīng)是按位移變化的正弦或余弦信號。再對兩路信號進(jìn)行一定的模擬、數(shù)字處理，獲得動子的絕對位置信號。圖1 霍爾元件安裝位置 霍爾磁敏式位置傳感器體積小,使用方便,基于線性霍爾元件的位置檢測方法通過電路及軟件的優(yōu)化，具有實現(xiàn)方法簡單、成本低、測量精度和穩(wěn)定性較高等優(yōu)點，但是往往存在一定程度的磁不敏感區(qū),從而造成動子位置誤

6、差，同時，這種位置傳感器也會因惡劣的應(yīng)用環(huán)境,如高溫、低溫、高濕或污濁空氣等而產(chǎn)生動子位置誤差。2.2 基于光柵傳感器的位置檢測方法光柵測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：光柵傳感器為兩個光敏三極管，其輸出是與光柵莫爾條紋對應(yīng)的、相位不同的近正弦波狀的電信號，再經(jīng)差動放大、整型、細(xì)分、方向辯別等電路，最終送到可逆計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。如圖2所示，該系統(tǒng)對電磁發(fā)射裝置動子位移的檢測是通過光柵移動產(chǎn)生的莫爾條紋與光電檢測電路配合完成的，并以計算機(jī)為核心構(gòu)成信號處理與閉環(huán)控制。圖2 光柵位移傳感器測量系統(tǒng) 光柵傳感器可以直線安裝,位置檢測精度較高，同時具有較好的動態(tài)響應(yīng)，所以在可以安裝的場合,通常均選用光柵作為位置傳感，但是

7、光柵元件具有價格太高和安裝成本太大等缺點,一些應(yīng)用場合無法安裝。3 無位置傳感器動子位置檢測方法 無位置傳感器位置檢測技術(shù)是指不在電機(jī)的動子和定子上安裝位置傳感器,利用檢測到的電機(jī)電壓、電流以及電機(jī)本身的數(shù)學(xué)模型估算出電機(jī)動子的位置和速度,并將其作為閉環(huán)控制的反饋信號。無傳感器位置檢測技術(shù)具有不改造電機(jī)、省去昂貴的物理傳感器、降低維護(hù)費用和不怕粉塵與潮濕環(huán)境影響等優(yōu)點,而且從根本上避免了由于加裝物理傳感器引起的電機(jī)主軸抖動、機(jī)械慣量增加等硬件傳感器不可避免的缺點。以下是幾種典型的無位置傳感器動子位置檢測方法：3.1 反電勢積分法 這種方法是通過對電機(jī)不導(dǎo)通相反電動勢的積分信號來獲取動子位置信息

8、。當(dāng)截止相反電動勢過零時開始積分,對應(yīng)于換向瞬時設(shè)置一個門限,用來截止積分信號。反電動勢和動子速度之間存在線性關(guān)系,反電動勢沿斜線變化的斜率和動子速度密切相關(guān),在整個速度運(yùn)行范圍內(nèi)積分器的門限值保持不變,一旦達(dá)到積分門限,復(fù)位信號立即將積分器置零。為了避免積分器由電機(jī)啟動開始積分,復(fù)位信號保持足夠時間以保證在電流降為零之后起動積分器。 由于電磁彈射裝置一般在較低的頻率下即可達(dá)到較高的直線速度，反電勢比較小，這增大了反電勢積分法應(yīng)用時有效信號的提取難度，所以該方法用于電磁發(fā)射裝置位置檢測計算精度不夠高，如何提高直線電機(jī)低頻運(yùn)行時的動子位置估算精確度是反電勢積分法研究的重點和難點。3.2 基于擴(kuò)展

9、卡爾曼濾波（EKF）的動子位置檢測方法 卡爾曼濾波器是由美國學(xué)者卡爾曼在20世紀(jì)60年代初提出的一種最優(yōu)線性估計方法，其特點是考慮了系統(tǒng)的模型誤差和測量噪聲的統(tǒng)計特性,可以有效的削弱隨機(jī)干擾和測量噪聲的影響。這種方法首先建立以定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈為狀態(tài)變量,以轉(zhuǎn)速為參數(shù)的電機(jī)狀態(tài)方程,然后將狀態(tài)方程線性化,最后按卡爾曼濾波器的遞推公式估計動子速度，再由速度積分得到動子準(zhǔn)確位置。這種算法比較復(fù)雜,而且需要初始位置信息,但是該方法的動子位置檢測與實際值非常接近,由估算值構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)在寬調(diào)速范圍內(nèi)具有良好的動態(tài)特性。 EKF在永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。采用直軸電流=0 的電流矢

10、量控制方法?？刂苹芈钒ㄋ俣瓤刂骗h(huán)和電流控制環(huán)。速度控制器為PI控制方式，其輸出作為交軸電流參考信號，即相電流指令；電流控制器將相電流指令與電流傳感器檢測到的電流，經(jīng)坐標(biāo)變換得到的交軸電流進(jìn)行比較，通過PI控制，其控制輸出作為驅(qū)動逆變器的脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)信號。圖3 永磁同步電機(jī)EKF的無位置傳感器控制系統(tǒng)框圖3.3 磁鏈法 磁鏈?zhǔn)请娏骱蛣幼游恢玫暮瘮?shù),因此可將磁鏈用于動子位置估計。磁鏈?zhǔn)遣荒苤苯訙y量的物理量。為了獲得磁鏈值，必須先測量電機(jī)的相電壓和電流，再結(jié)合相電阻值，將磁鏈計算出來。 在靜止坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)的電壓方程為： 磁鏈方程為： 定

11、義L1,L2分別為： 式中、分別為定子電壓，電流和磁鏈在坐標(biāo)系下的分量；為定子電阻；為永磁體磁鏈；、為定子繞組的d 、q軸電感；為動子位置 對于隱極式永磁直線電機(jī)， 所以定子磁鏈可表示為： 而且有： 式中：為角速度；為速度；為電機(jī)極距 有文獻(xiàn)就是利用這一特點來得到動子的位置或速度估計值。根據(jù)電機(jī)在靜止的、旋轉(zhuǎn)的d-q軸模型與abc坐標(biāo)變量之間的關(guān)系，經(jīng)過一系列公式推導(dǎo)得出了電機(jī)的速度表達(dá)式,再進(jìn)一步計算可得到動子的實時位置值。3.4 電感法 在凸極式永磁電機(jī)里,直軸與交軸的磁阻有較大差別,導(dǎo)致繞組電感變化很大。一般交軸電感遠(yuǎn)大于直軸電感,兩者之比可達(dá)2.5.因此,繞組電感可看作為電磁發(fā)射裝置動

12、子位置的函數(shù),利用這一點可估計出動子的位置。有文獻(xiàn)先推導(dǎo)出一種根據(jù)電機(jī)的電壓和電流間接計算電感的方法,由于要求自然對數(shù),較為繁瑣。后來又提出一種直接計算方法,在開關(guān)頻率大于,10kHz時,可保證足夠的計算精度,而計算量卻大大減少。根據(jù)計算出的電感值再查找預(yù)先準(zhǔn)備好的電感值對應(yīng)的動子位置。 也有文獻(xiàn)分析了永磁電機(jī)的諧波模型,導(dǎo)出了包含動子子位置信息的電感矩陣,因此可根據(jù)電流諧波分量估算出永磁直線電機(jī)動子位置。實驗表明,這種方法在電機(jī)靜止或極低轉(zhuǎn)速(1r/min)下誤差可控制在10度的電角度內(nèi)。 還有一種檢測方法利用繞組電感飽和效應(yīng)，即由于磁路飽和引起的電感隨動子位置角變化的規(guī)律，檢測表面式永磁直

13、線同步電機(jī)動子的初始位置。給電機(jī)施加相同幅值、不同相位的電壓矢量，考慮繞組電感飽和效應(yīng)，當(dāng)電壓矢量相位和動子位置一致時，直軸電流響應(yīng)最大。通過觀測直軸電流響應(yīng)的最大值，即可估計電機(jī)初始位置。這種估計方法不受電機(jī)參數(shù)的影響，也無須增加任何硬件。實驗表明，給電機(jī)注入可控的電壓矢量，利用繞組電感飽和效應(yīng)，可以估計出動子初始位置，估計精度能夠滿足永磁直線同步電機(jī)平穩(wěn)啟動的要求。3.5 高頻注入法 該方法通過給q軸注入一高頻載波信號,繞組中產(chǎn)生隨位置變化的高頻電流,再對電流信號進(jìn)行處理可得到估計位置與實際位置的誤差信號,使這個誤差為零即可得到位置估計值。實驗表明,這種方法在高速和低速時部有較好的跟蹤性能

14、，但負(fù)載電流增大時,誤差明顯隨之增大,因而需采取樸償措施。此外，這種方法需要電機(jī)具有明顯的凸極性，而電磁發(fā)射裝置使用的是表面式PMLSM，需要進(jìn)行凸極改造。3.6 模型參考自適應(yīng)（MARS）方法 該方法主要思想為:先假設(shè)轉(zhuǎn)子所在位置,利用電機(jī)模型計算出在該假設(shè)位置電機(jī)的電壓或電流值,再通過與實測的電壓或電流比較得出兩者的差值,該差值和假設(shè)位置與實際位置之間的角度差存在正比或微積分關(guān)系。如果該差值為0,則可認(rèn)為此時假設(shè)位置為真實位置。采用這種方法測得位置精度跟模型的選取有關(guān)，電機(jī)模型有電壓模型、電流模型,電流模型比電壓模型低速估計性能更好。 電磁發(fā)射裝置的動子在應(yīng)用基于模型參考自適應(yīng)的無位置傳感

15、器控制時, 具有良好的控制特性。這種方法己經(jīng)不再需要速度傳感器, 只需要采集電機(jī)母線上的電壓、電流等信號，這樣增加了電機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，并且降低了控制系統(tǒng)的成本。4 結(jié)束語 本文介紹了幾種切實可行的有位置傳感器和無位置傳感器的電磁發(fā)射裝置的動子位置檢測方案，并對它們各自的特點作了說明?？偟膩碚f，無位置傳感器位置檢測方法容易實現(xiàn)，原理簡單，且控制精度較高，但是借助位置傳感器的動子位置檢測方法存在一些技術(shù)上較難克服的弊端（易受環(huán)境影響、成本高等），所以近年來無位置傳感器位置檢測方法逐漸得到重視。無位置傳感器方法入口較寬，可從電感、磁鏈、反電勢和卡爾曼濾波算法等方面入手，它們各有特點，并且都解決了

16、有位置傳感器方法的一些不足，當(dāng)然，這些無位置傳感器方法的不足之處前面也已經(jīng)提到。相信隨著電磁發(fā)射技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展以及在控制技術(shù)在電磁武器中的成功應(yīng)用，現(xiàn)有的電磁發(fā)射裝置動子位置檢測方法的諸多問題一定能得到解決，也一定會出現(xiàn)比現(xiàn)有方法更好的動子位置檢測方法。最后，也希望本文對新型電磁發(fā)射器動子位置檢測方法的出現(xiàn)能起到一定的借鑒作用。參考文獻(xiàn)1 王利，盧琴芬，葉云岳. 永磁直線同步電機(jī)無位置傳感器動子位置辨識. 電機(jī)與控制學(xué)報. 20122 汪樹東，崔建明，劉瑞英. PMLSM無位置傳感器檢測技術(shù)的研究. 微特電機(jī). 20083 賀翔，曹群生. 電磁發(fā)射技術(shù)研究進(jìn)展和關(guān)鍵技術(shù). 中國電

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