电磁发射器动子位置检测方法综述

1、电磁发射器动子位置检测方法综述摘要:电磁发射器的本质可以看作永磁直线同步电机(PMLSM)。PMLSM在动子位置未知的情况下不能启动或者启动后不能正常工作，所以电磁发射器动子实时位置检测十分重要。本文分析了目前国内外文献介绍的几种典型的电磁发射器动子位置检测方法，并对它们的基本原理、实现途径及适用场合等特点作了必要说明。关键词:电磁发射 位置检测 永磁直线同步电机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 电磁发射是当今世界上正在研究和发展的一项武器技术。电磁发射器是通过脉冲大电流强生强磁场，电枢在

4、直线轨道上受电磁力推动将电磁能转化为动子机械能的装置，其本质可理解为永磁直线同步电机（PMLSM）。而PMLSM动子运动的实时位置检测是PMLSM调速系统实现闭环控制必不可少的重要环节。近年来也出现了不少电磁发射器动子的位置检测方法。主要分为借助位置传感器和无位置传感器两类，本文将对几种典型的电磁发射器动子位置检测方法进行介绍和适当评估。2 基于位置传感器的动子位置检测方法 位置传感器种类很多，有霍尔磁敏式、电磁式、光电式等。借助位置传感器的位置检测方法实现方法较简单，即将位置传感器安装在电磁发射装置的动子上，传感器将动子的位置信号转换成便于测量的其它信号。下面介绍2种典型的借助位置传感器的动

5、子位置检测方法：2.1 霍尔磁敏式位置传感器法 永磁直线同步电机的气隙磁场沿运动方向呈正弦分布。如图1所示，在动子上安装两个参数一致的线性霍尔元件，使气隙中的磁场径向分量作为霍尔器件的感应磁场，垂直于霍尔器件的磁场感应面。由于线性霍尔器件的特性，当动子沿轴直线运动时，霍尔器件的输出电压应是按位移变化的正弦或余弦信号。再对两路信号进行一定的模拟、数字处理，获得动子的绝对位置信号。图1 霍尔元件安装位置 霍尔磁敏式位置传感器体积小,使用方便,基于线性霍尔元件的位置检测方法通过电路及软件的优化，具有实现方法简单、成本低、测量精度和稳定性较高等优点，但是往往存在一定程度的磁不敏感区,从而造成动子位置误

6、差，同时，这种位置传感器也会因恶劣的应用环境,如高温、低温、高湿或污浊空气等而产生动子位置误差。2.2 基于光栅传感器的位置检测方法光栅测量系统的结构：光栅传感器为两个光敏三极管，其输出是与光栅莫尔条纹对应的、相位不同的近正弦波状的电信号，再经差动放大、整型、细分、方向辩别等电路，最终送到可逆计数器进行计数。如图2所示，该系统对电磁发射装置动子位移的检测是通过光栅移动产生的莫尔条纹与光电检测电路配合完成的，并以计算机为核心构成信号处理与闭环控制。图2 光栅位移传感器测量系统 光栅传感器可以直线安装,位置检测精度较高，同时具有较好的动态响应，所以在可以安装的场合,通常均选用光栅作为位置传感，但是

7、光栅元件具有价格太高和安装成本太大等缺点,一些应用场合无法安装。3 无位置传感器动子位置检测方法 无位置传感器位置检测技术是指不在电机的动子和定子上安装位置传感器,利用检测到的电机电压、电流以及电机本身的数学模型估算出电机动子的位置和速度,并将其作为闭环控制的反馈信号。无传感器位置检测技术具有不改造电机、省去昂贵的物理传感器、降低维护费用和不怕粉尘与潮湿环境影响等优点,而且从根本上避免了由于加装物理传感器引起的电机主轴抖动、机械惯量增加等硬件传感器不可避免的缺点。以下是几种典型的无位置传感器动子位置检测方法：3.1 反电势积分法 这种方法是通过对电机不导通相反电动势的积分信号来获取动子位置信息

8、。当截止相反电动势过零时开始积分,对应于换向瞬时设置一个门限,用来截止积分信号。反电动势和动子速度之间存在线性关系,反电动势沿斜线变化的斜率和动子速度密切相关,在整个速度运行范围内积分器的门限值保持不变,一旦达到积分门限,复位信号立即将积分器置零。为了避免积分器由电机启动开始积分,复位信号保持足够时间以保证在电流降为零之后起动积分器。 由于电磁弹射装置一般在较低的频率下即可达到较高的直线速度，反电势比较小，这增大了反电势积分法应用时有效信号的提取难度，所以该方法用于电磁发射装置位置检测计算精度不够高，如何提高直线电机低频运行时的动子位置估算精确度是反电势积分法研究的重点和难点。3.2 基于扩展

9、卡尔曼滤波（EKF）的动子位置检测方法 卡尔曼滤波器是由美国学者卡尔曼在20世纪60年代初提出的一种最优线性估计方法，其特点是考虑了系统的模型误差和测量噪声的统计特性,可以有效的削弱随机干扰和测量噪声的影响。这种方法首先建立以定子电流和转子磁链为状态变量,以转速为参数的电机状态方程,然后将状态方程线性化,最后按卡尔曼滤波器的递推公式估计动子速度，再由速度积分得到动子准确位置。这种算法比较复杂,而且需要初始位置信息,但是该方法的动子位置检测与实际值非常接近,由估算值构成的闭环系统在宽调速范围内具有良好的动态特性。 EKF在永磁同步电机无位置传感器控制系统框图如图3所示。采用直轴电流=0 的电流矢

10、量控制方法。控制回路包括速度控制环和电流控制环。速度控制器为PI控制方式，其输出作为交轴电流参考信号，即相电流指令；电流控制器将相电流指令与电流传感器检测到的电流，经坐标变换得到的交轴电流进行比较，通过PI控制，其控制输出作为驱动逆变器的脉宽调制(pulse width modulation,PWM)信号。图3 永磁同步电机EKF的无位置传感器控制系统框图3.3 磁链法 磁链是电流和动子位置的函数,因此可将磁链用于动子位置估计。磁链是不能直接测量的物理量。为了获得磁链值，必须先测量电机的相电压和电流，再结合相电阻值，将磁链计算出来。 在静止坐标系下，永磁同步电机的电压方程为： 磁链方程为： 定

11、义L1,L2分别为： 式中、分别为定子电压，电流和磁链在坐标系下的分量；为定子电阻；为永磁体磁链；、为定子绕组的d 、q轴电感；为动子位置 对于隐极式永磁直线电机， 所以定子磁链可表示为： 而且有： 式中：为角速度；为速度；为电机极距 有文献就是利用这一特点来得到动子的位置或速度估计值。根据电机在静止的、旋转的d-q轴模型与abc坐标变量之间的关系，经过一系列公式推导得出了电机的速度表达式,再进一步计算可得到动子的实时位置值。3.4 电感法 在凸极式永磁电机里,直轴与交轴的磁阻有较大差别,导致绕组电感变化很大。一般交轴电感远大于直轴电感,两者之比可达2.5.因此,绕组电感可看作为电磁发射装置动

12、子位置的函数,利用这一点可估计出动子的位置。有文献先推导出一种根据电机的电压和电流间接计算电感的方法,由于要求自然对数,较为繁琐。后来又提出一种直接计算方法,在开关频率大于,10kHz时,可保证足够的计算精度,而计算量却大大减少。根据计算出的电感值再查找预先准备好的电感值对应的动子位置。 也有文献分析了永磁电机的谐波模型,导出了包含动子子位置信息的电感矩阵,因此可根据电流谐波分量估算出永磁直线电机动子位置。实验表明,这种方法在电机静止或极低转速(1r/min)下误差可控制在10度的电角度内。 还有一种检测方法利用绕组电感饱和效应，即由于磁路饱和引起的电感随动子位置角变化的规律，检测表面式永磁直

13、线同步电机动子的初始位置。给电机施加相同幅值、不同相位的电压矢量，考虑绕组电感饱和效应，当电压矢量相位和动子位置一致时，直轴电流响应最大。通过观测直轴电流响应的最大值，即可估计电机初始位置。这种估计方法不受电机参数的影响，也无须增加任何硬件。实验表明，给电机注入可控的电压矢量，利用绕组电感饱和效应，可以估计出动子初始位置，估计精度能够满足永磁直线同步电机平稳启动的要求。3.5 高频注入法 该方法通过给q轴注入一高频载波信号,绕组中产生随位置变化的高频电流,再对电流信号进行处理可得到估计位置与实际位置的误差信号,使这个误差为零即可得到位置估计值。实验表明,这种方法在高速和低速时部有较好的跟踪性能

14、，但负载电流增大时,误差明显随之增大,因而需采取朴偿措施。此外，这种方法需要电机具有明显的凸极性，而电磁发射装置使用的是表面式PMLSM，需要进行凸极改造。3.6 模型参考自适应（MARS）方法 该方法主要思想为:先假设转子所在位置,利用电机模型计算出在该假设位置电机的电压或电流值,再通过与实测的电压或电流比较得出两者的差值,该差值和假设位置与实际位置之间的角度差存在正比或微积分关系。如果该差值为0,则可认为此时假设位置为真实位置。采用这种方法测得位置精度跟模型的选取有关，电机模型有电压模型、电流模型,电流模型比电压模型低速估计性能更好。 电磁发射装置的动子在应用基于模型参考自适应的无位置传感

15、器控制时, 具有良好的控制特性。这种方法己经不再需要速度传感器, 只需要采集电机母线上的电压、电流等信号，这样增加了电机控制系统的可靠性，并且降低了控制系统的成本。4 结束语 本文介绍了几种切实可行的有位置传感器和无位置传感器的电磁发射装置的动子位置检测方案，并对它们各自的特点作了说明。总的来说，无位置传感器位置检测方法容易实现，原理简单，且控制精度较高，但是借助位置传感器的动子位置检测方法存在一些技术上较难克服的弊端（易受环境影响、成本高等），所以近年来无位置传感器位置检测方法逐渐得到重视。无位置传感器方法入口较宽，可从电感、磁链、反电势和卡尔曼滤波算法等方面入手，它们各有特点，并且都解决了

16、有位置传感器方法的一些不足，当然，这些无位置传感器方法的不足之处前面也已经提到。相信随着电磁发射技术和现代控制理论的迅速发展以及在控制技术在电磁武器中的成功应用，现有的电磁发射装置动子位置检测方法的诸多问题一定能得到解决，也一定会出现比现有方法更好的动子位置检测方法。最后，也希望本文对新型电磁发射器动子位置检测方法的出现能起到一定的借鉴作用。参考文献1 王利，卢琴芬，叶云岳. 永磁直线同步电机无位置传感器动子位置辨识. 电机与控制学报. 20122 汪树东，崔建明，刘瑞英. PMLSM无位置传感器检测技术的研究. 微特电机. 20083 贺翔，曹群生. 电磁发射技术研究进展和关键技术. 中国电

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