圓筒型永磁同步直線電機(jī)（Tubular Permanent Magnet Synchronous Linear Motor,TPMSLM）由于其結(jié)構(gòu)簡單、推力密度大、沒有橫向邊端力和齒槽效應(yīng)帶來的推力波動的影響，使其在直線電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

TPMSLM的矢量控制需要實(shí)時(shí)的位置反饋，但位置傳感器的安裝既增加了電機(jī)體積，提升了制造成本，又降低了系統(tǒng)的可靠性，這使得無傳感位置檢測方法成為有效解決方案之一。

永磁同步電機(jī)的無位置傳感器算法的研究方向主要包括兩類：基頻反電動勢法和高頻注入法。基頻反電動勢法是通過定子電壓的反電動勢來提取動子的位置信息，適合在高速下辨識動子位置。高頻注入算法則是基于電機(jī)的凸極性，通過高頻激勵(lì)的反饋信號估計(jì)動子位置，因此在全速范圍都能適用。

高頻注入算法按注入波形可分為：高頻正弦波注入和高頻方波注入。相較而言，高頻方波注入法具有顯著提升系統(tǒng)帶寬的優(yōu)勢。高頻注入算法根據(jù)信號注入坐標(biāo)系可以分為：靜止軸方波注入和估計(jì)旋轉(zhuǎn)軸注入[8]兩種。兩種方法相較而言，靜止軸方波注入方法更為簡單，收斂性更好。

近年來，無傳感注入方案的研究方向主要集中在算法性能提升方面，如提升算法魯棒性、提高系統(tǒng)帶寬或者是簡化算法。

以上這些無傳感算法主要是針對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的。對于TPMSLM的無傳感算法特別是基于高頻方波注入的無傳感算法的研究相對還較為欠缺。掌握電機(jī)的電感變化規(guī)律是研究高頻注入無傳感算法的前提。直線電機(jī)由于存在縱向端部效應(yīng)，導(dǎo)致電機(jī)的相電感存在不對稱性。國內(nèi)外學(xué)者對于這種不對稱現(xiàn)象進(jìn)行了研究。

• 有學(xué)者采用能量攝動法研究了多段永磁直線電機(jī)的電感參數(shù)變化特點(diǎn)。
• 有學(xué)者在考慮諧波磁場的影響下，研究推導(dǎo)了電機(jī)的磁場分布及自感、互感的解析表達(dá)式。
• 有學(xué)者對TPMSLM繞組電感的不對稱性做出了定量描述，并研究了其對推力的影響。

以上研究主要是針對三相直線電機(jī)。對于兩相TPMSLM，其電感變化規(guī)律仍需要進(jìn)一步研究，但三相電機(jī)電感的研究方法可以借鑒使用。

本文在定子與動子完全耦合的條件下，研究了兩相TPMSLM電感參數(shù)的特點(diǎn)及其對傳統(tǒng)高頻方方波注入無傳感算法的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了一種離線測量和擴(kuò)展卡爾曼濾波相結(jié)合的改進(jìn)無傳感估計(jì)算法，以實(shí)現(xiàn)動子位置的實(shí)時(shí)估計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)平臺上驗(yàn)證了該方法的有效性。

圖1 兩相圓筒型永磁同步直線電機(jī)

圖7 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

結(jié)論

本文通過有限元和實(shí)驗(yàn)的方法研究了兩相TPMSLM在動子與定子繞組完全耦合的情況下的電感變化規(guī)律。并針對該電機(jī)的特殊電感系數(shù)導(dǎo)致傳統(tǒng)無傳感算法無法適用的問題，提出了一種基于離線獲取電感比例系數(shù)與EKF相結(jié)合的無傳感算法。

該無傳感算法能有效地估計(jì)兩相TPMSLM的動子位置，且所估計(jì)動子位置與霍爾傳感器相比不存在相位滯后。對于凸極性不明顯的實(shí)驗(yàn)電機(jī)，所提算法估計(jì)出的動子位置精度不高，主要能用于位置精度要求較低的無傳感控制和與已有位置傳感器進(jìn)行可靠性校核。

但對一般的兩相TPMSLM，所提算法具有其實(shí)用意義。對于動子與定子繞組不完全耦合情況下的無傳感算法，其電感變化規(guī)律更為復(fù)雜，將會作為下一階段的研究方向。