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(jiǎn)單、推力密度大、沒(méi)有橫向邊端力和齒槽效應(yīng)帶來(lái)的推力波動(dòng)的影響，使其在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(wú)傳感位置檢測(cè)方法成為有效解決方案之一。

永磁同步電機(jī)的無(wú)位置傳感器算法的研究方向主要包括兩類：基頻反電動(dòng)勢(shì)法和高頻注入法?；l反電動(dòng)勢(shì)法是通過(guò)定子電壓的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)提取動(dòng)子的位置信息，適合在高速下辨識(shí)動(dòng)子位置。高頻注入算法則是基于電機(jī)的凸極性，通過(guò)高頻激勵(lì)的反饋信號(hào)估計(jì)動(dòng)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(shì)。高頻注入算法根據(jù)信號(hào)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(jiǎn)單，收斂性更好。

近年來(lái)，無(wú)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(jiǎn)化算法。

以上這些無(wú)傳感算法主要是針對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的。對(duì)于TPMSLM的無(wú)傳感算法特別是基于高頻方波注入的無(wú)傳感算法的研究相對(duì)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(wú)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(duì)稱性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于這種不對(duì)稱現(xiàn)象進(jìn)行了研究。

• 有學(xué)者采用能量攝動(dòng)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(chǎng)的影響下，研究推導(dǎo)了電機(jī)的磁場(chǎng)分布及自感、互感的解析表達(dá)式。
• 有學(xué)者對(duì)TPMSLM繞組電感的不對(duì)稱性做出了定量描述，并研究了其對(duì)推力的影響。

以上研究主要是針對(duì)三相直線電機(jī)。對(duì)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(dòng)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(duì)傳統(tǒng)高頻方方波注入無(wú)傳感算法的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了一種離線測(cè)量和擴(kuò)展卡爾曼濾波相結(jié)合的改進(jìn)無(wú)傳感估計(jì)算法，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)子位置的實(shí)時(shí)估計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(guò)有限元和實(shí)驗(yàn)的方法研究了兩相TPMSLM在動(dòng)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(duì)該電機(jī)的特殊電感系數(shù)導(dǎo)致傳統(tǒng)無(wú)傳感算法無(wú)法適用的問(wèn)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(wú)傳感算法。

該無(wú)傳感算法能有效地估計(jì)兩相TPMSLM的動(dòng)子位置，且所估計(jì)動(dòng)子位置與霍爾傳感器相比不存在相位滯后。對(duì)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(dòng)子位置精度不高，主要能用于位置精度要求較低的無(wú)傳感控制和與已有位置傳感器進(jìn)行可靠性校核。

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