专利名称：长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对行程长、推力大的隐极式永磁直线同步电机的运行距离和速度 进行测量的长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量方法与装置，属于高性能、智能 化仪器仪表领域。
背景技术：
永磁直线同步电动机因具有行程长、推力大、高效节能、响应快、定位精度高、工作 安全可靠等优点，在自动化仪表、自动化精密机床、工业机器人等场合都获得了广泛的应 用。为了对电机的运行进行闭环控制，在高精度、高动态性能的控制中需要知道电机动子的 确切位置、电机的运行距离和速度。现有的电机动子位置、运行距离和速度测量方法有机械 传感器法(如光电码盘、光栅位移传感器、霍尔效应传感器等)、基波激励法、高频信号注入 法三种，它们存在以下缺点(1)采用机械传感器法投资大，不适宜于运行距离较远场合的测量；(2)采用基波激励法具有良好的动态性能，但对电机参数变化敏感，鲁棒性差，零 速或低速时会因反电势过小根本无法检测而失败；(3)高频信号注入法对电机参数的变化不敏感，鲁棒性好。但它适应于电机的凸极 效应比较显著的凸极式永磁直线同步电动机。对于隐极式永磁直线同步电机来讲，由于其 凸极效应不显著，采用高频信号注入法，其测量误差大，甚至根本无法检测。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提出一种在任何运行状态下都 可以得知永磁直线同步电机动子的确切位置、电机的运行距离和速度的长行程永磁直线同 步电机运行距离与速度测量方法与装置。本发明的技术方案是这样实现的一种长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量方法，其特征在于，上述运行 距离与速度测量方法包含下列步骤步骤一、在永磁直线同步电机动子永磁体上缠绕高频绕组，并向该绕组中通入频 率为400Hz的高频电流信号；步骤二、提取高频电流在三相定子电枢绕组中产生的感应电势，并将A、B、C三相 感应电势信号在时间上分别移相0°、120°、240°后叠加，得到一个与高频电流激励信号 同频率，相位相差为永磁直线同步电动机的动子位置角θ「90°的高频感应电势合成信 号；步骤三、通过电阻采集高频激励信号，将该信号经过与提取高频感应电势信号通 道相同的电路后移相90° ；步骤四、利用鉴相电路得到经过步骤三处理后的高频激励信号的正向过零点和感 应电势合成信号的正向过零点，并将其转化为与波形正半周波相对应的正方波信号；
步骤五、利用数字信号处理器的捕获单元CAP1、CAP2对鉴相电路送来的两路正方 波信号的上升沿进行捕获，利用定时器作为CAP1、CAP2的时基，在两路正方波上升沿的间 隔时间内进行计数。步骤六、根据步骤五得到的计数值计算动子位置角θ ρ运行距离S、动子速度V，其
公式分别为
ΘΓ = H1j^t χ计数值χ高频信号的频率χ2τ 计数频率s = 2η τ + θ r r π 式中τ为电机的极距，为动子位置变化量，T为采样周期，η = 0，1，2.......步骤一中的高频电流信号利用数字信号处理器的PWMl 口输出的SPWM信号经过缓 冲与电平转换电路、低通滤波电路、减法电路、输出电路后产生的。步骤二中的三相高频感应电势通过高频滤波电路和带通滤波电路提取，步骤二、 步骤三中的信号移相通过移相电路实现。步骤六中的动子位置角θ ρ运行距离S、动子速度ν的计算通过数字信号处理器 完成。一种长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量装置，包括附加的高频绕组、 数字信号处理器、高频发生器、第一高通滤波电路、第一带通滤波电路、第二高通滤波电路、 第二带通滤波电路、实现120°和240°移相的第一移相电路、实现90°移相的第二移相电 路、加法电路以及鉴相电路，其特征在于所述附加的高频绕组为缠绕在永磁直线同步电机 动子永磁体上的圆形截面或矩形截面的绝缘导体，所述的数字信号处理器的PWMl引脚接 高频发生器的输入端，所述的高频发生器的输出端al与高频绕组的bl端相连接，高频绕组 的b2端与采集高频信号的电阻的cl端相连接，采集高频信号的电阻的c2端与高频发生器 的输出端a2连接构成回路，所述的采集高频信号电阻的cl端、c2端分别与第二高通滤波 电路的dl端、d3端相连接，所述的第二高通滤波电路的d2端与第二带通滤波电路的el端 相连接，所述的第二带通滤波电路的e2端与第二移相电路的fl端连接，所述的第二移相电 路的f2端与鉴相电路的引脚2相连接，所述的第一高通滤波电路的gl、g2、g3、g4端分别 与永磁直线同步电动机的电源母线的N、A、B、C相连接，所述的第一高通滤波电路的hl、h2、 h3端分别与第一带通滤波电路ell端、el2端、el3端相连接，所述的第一带通滤波电路的 e22端、e23端分别与第一移相电路的jl端、j2端相连接，所述的加法电路的kl端、k2端、 k3端分别接带通滤波电路e21端、第一移相电路的j3端、j4端，所述的加法电路的k4端与 鉴相电路的引脚7相连接，所述的鉴相电路的引脚13、引脚9分别接接数字信号处理器的 CAP1、CAP2。高频发生器由缓冲与电平转换电路、低通滤波电路、减法电路、输出电路顺序连接 构成，所述的缓冲与电平转换电路由芯片74HCT04与芯片6N137连接组成，所述的高频发生 器的低通滤波电路采用简单的R-C电路，所述的高频发生器的减法电路采用美国AD公司的 AD524芯片，所述的高频发生器的输出电路采用对管TIP35C和TIP36C作为功率晶体管。所述的第一高通滤波电路、第二高通滤波电路由电容、电感和电阻组成，所述的第一高通滤波电路、第二高通滤波电路的电容由两个串联构成分别接在电感的两侧以实现强 电与弱电隔离。所述的第一带通滤波电路、第二带通滤波电路采用美国MAXIM公司开发的有源滤 波器芯片MAX274实现。所述的第一移相电路、第二移相电路由集成运算放大器、电阻、电容器构成，所述 的加法电路采用集成运算放大器实现。所述的鉴相电路采用输出延迟为4. 5ns的超高速比较器芯片MAX963实现。本发明能够测量包括零速在内全速度范围内永磁直线同步电机的动子位置、运行 距离和速度，具有结构简单、价格低廉、使用方便、稳定性好、测量精度高等优点。


图1为本发明的永磁直线同步电机运行距离和速度测量装置示意图。图2为本发明的永磁直线同步电电机运行距离和速度测量原理图。图3为本发明的永磁直线同步电电机运行距离和速度测量装置的带通滤波电路 的原理图。
具体实施例方式如图1、2、3所示，一种长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量方法，其特 征在于，上述运行距离与速度测量方法包含下列步骤步骤一、在永磁直线同步电机动子永磁体上缠绕高频绕组，并向该绕组中通入频 率为400Hz的高频电流信号；步骤二、提取高频电流在三相定子电枢绕组中产生的感应电势，并将A、B、C三相 感应电势信号在时间上分别移相0°、120°、240°后叠加，得到一个与高频电流激励信号 同频率，相位相差为永磁直线同步电动机的动子位置角θ「90°的高频感应电势合成信 号；步骤三、通过电阻采集高频激励信号，将该信号经过与提取高频感应电势信号通 道相同的电路后移相90° ；步骤四、利用鉴相电路得到经过步骤三处理后的高频激励信号的正向过零点和感 应电势合成信号的正向过零点，并将其转化为与波形正半周波相对应的正方波信号；步骤五、利用DSP的捕获单元CAP1、CAP2对鉴相电路送来的两路正方波信号的上 升沿进行捕获，利用定时器作为CAP1、CAP2的时基，在两路正方波上升沿的间隔时间内进 行计数。步骤六、根据步骤五得到的计数值计算动子位置角θ ρ运行距离S、动子速度V，其
公式分别为 s = 2η τ + θ r
V = Z^i-
T式中τ为电机的极距，为动子位置变化量，T为采样周期，η = 0，1，2.......步骤一中的高频电流信号利用数字信号处理器的PWMl 口输出的SPWM信号经过缓 冲与电平转换电路、低通滤波电路、减法电路、输出电路后产生的。步骤二中的三相高频感应电势通过高频滤波电路和带通滤波电路提取，步骤二、 步骤三中的信号移相通过移相电路实现。步骤六中的动子位置角θ ρ运行距离S、动子速度ν的计算通过数字信号处理器 完成。如图1、2、3所示，一种长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量装置，包括 附加的高频绕组1、数字信号处理器2、高频发生器3、第一高通滤波电路41、第一带通滤波 电路51、第二高通滤波电路42、第二带通滤波电路52、实现120°和240°移相的第一移相 电路61、实现90°移相的第二移相电路62、加法电路7以及鉴相电路8，其特征在于所述 附加的高频绕组1为缠绕在永磁直线同步电机动子永磁体上9的圆形截面或矩形截面的绝 缘导体，所述的数字信号处理器2的PWMl引脚接高频发生器3的输入端，所述的高频发生 器3的输出端al与高频绕组1的bl端相连接，高频绕组1的b2端与采集高频信号的电阻 11的cl端相连接，采集高频信号的电阻11的c2端与高频发生器3的输出端a2连接构成 回路，所述的采集高频信号电阻11的cl端、c2端分别与第二高通滤波电路42的dl端、d3 端相连接，所述的第二高通滤波电路42的d2端与第二带通滤波电路52的el端相连接，所 述的第二带通滤波电路52的e2端与第二移相电路62的fl端连接，所述的第二移相电路 62的f2端与鉴相电路8的引脚2相连接，所述的第一高通滤波电路41的gl、g2、g3、g4端 分别与永磁直线同步电动机的电源母线10的N、A、B、C相连接，所述的第一高通滤波电路 41的hi、h2、h3端分别与第一带通滤波电路51的ell端、el2端、el3端相连接，所述的第 一带通滤波电路51的e22端、e23端分别与第一移相电路61的jl端、j2端相连接，所述的 加法电路7的kl端、k2端、k3端分别接带通滤波电路51的e21端、第一移相电路61的j3 端、j4端，所述的加法电路7的k4端与鉴相电路8的引脚7相连接，所述的鉴相电路8的 引脚13、引脚9分别接接数字信号处理器2的CAP1、CAP2。高频发生器3由缓冲与电平转换电路、低通滤波电路、减法电路、输出电路顺序连 接构成，所述的缓冲与电平转换电路由芯片74HCT04与芯片6N137连接组成，所述的高频发 生器3的低通滤波电路采用简单的R-C电路，所述的高频发生器3的减法电路采用美国AD 公司的AD524芯片，所述的高频发生器3的输出电路采用对管TIP35C和TIP36C作为功率
晶体管。所述的第一高通滤波电路41、第二高通滤波电路42由电容、电感和电阻组成，所 述的第一高通滤波电路41、第二高通滤波电路42的电容由两个串联构成分别接在电感的 两侧以实现强电与弱电隔离。所述的第一带通滤波电路51、第二带通滤波电路52采用美国MAXIM公司开发的有 源滤波器芯片MAX274实现。所述的第一移相电路61、第二移相电路62由集成运算放大器、电阻、电容器构成， 所述的加法电路7采用集成运算放大器实现。
所述鉴相电路8采用输出延迟为4. 5ns的超高速比较器芯片MAX963实现。一种永磁直线同步电机动子位置、运行距离和速度测量装置，包括附加的高频绕 组、数字信号处理器、高频发生器、高通滤波电路、带通滤波电路、移相电路、加法电路以及 鉴相电路、所述的附加高频绕组装在永磁直线同步电机动子永磁体上。该高频绕组产生的 高频磁场的磁轴与动子的d轴相重合，隐极式永磁直线电机动子位置角可以等效为高频磁 场的磁轴线与定子A相绕组轴线之间的夹角。利用高频磁场在定子绕组上产生的高频感应 电压与位置角的关系式就可以得到隐极式永磁直线同步电动机的动子位置角，并计算出动 子位置、运行距离和速度。设附加高频绕组中通入频率为的高频交流电流is，其表达式为is = ImCos ω st(1)根据法拉第电磁感应定律和三相电机理论，可得高频交流电流is在三相定子绕组 中产生的感应电势分别为 式(2)中，ρ-为微分算子，ρ = d/dt仅对高频电流信号进行微分；Vis高频绕组与 各相绕组之间耦合的磁链。Mis-高频绕组(永磁体)与各相绕组之间的互感。高频绕组(永磁体)与各相绕组之间的互感为
式(3)中，Mtl-互感系数，与每相电枢绕组和高频绕组的有效匝数、高频绕组与各相 绕组的有效宽度等有关。将式(1)和式(3)代入式(2)，可得附加高频绕组中的高频电流在三相定子电枢绕 组中产生的感应电势分别为 以上分析是在假设永磁直线同步电动机动子位置角θ ^固定下推导的。实际运行 中，永磁直线同步电机动子位置角θ ^是一个周期函数，如果通入附加高频绕组中的高频电 流频率恒定时，则在三相定子电枢绕组中产生的感应电势的幅值是一个以为θ ^为变量，呈 周期变化调制信号。由公式(4)看出，电枢绕组上的三相高频感应电势为一个包含有高频电流激励信 号频率和电机动子位置角信息的调制信号。为了实现对电机动子位置角的测量，就必须对 该调制信号进行解调，分辨出位置角。如果将Α、B、C三相感应电势信号在时间上分别移相0°、120°、240°后叠加，则得 由式(5)可知，叠加后的信号与高频电流激励信号同频率，相位相差为永磁直线 同步电动机的动子位置角9r-90°。由于三相定子绕组中的高频感应电势经过高通滤波电路、带通滤波电路会产生相 位移Φ，所以经加法电路合成后得到的感应电势合成信号有一个相位移Φ。则式(5)可转 换为 为了使通过电阻得到的高频激励信号与感应电势合成信号有相同的相位移Φ，因 此通过电阻获取的已转换为电压信号的高频激励电流信号也要经过与高频感应电势信号 通道相同的高通滤波电路、带通滤波电路，并通过移相电路移相90度。得到如式(7)所示 的信号is = ImSin (ω st+Φ)(7)三相定子绕组中的高频感应电势经高通滤波电路、带通滤波电路、移相电路和加 法电路得到如式(6)所示的感应电势合成信号。然后，再利用鉴相电路得到如式(7)所示 的高频激励电流信号的正向过零点和加法电路送回来的如式(6)所示的感应电势合成信 号的正向过零点，并将其转化为与波形正半周波相对应的正方波信号，供数字信号处理器 计算动子位置角θ ρ运行距离、和速度。利用数字信号处理器的捕获单元CAP1、CAP2对鉴相电路8送来的两路正方波信号 的上升沿进行捕获，利用定时器1作为CAP1、CAP2的时基，在两路正方波上升沿的间隔时间 内进行计数，并读定时器堆栈中的计数值，然后，计算出动子位置角θ ρ运行距离S、动子速 度V。动子位置角θ ρ运行距离S、动子速度ν的计算公式分别为 s = 2η τ + θ r(9)
(10)式中τ为电机的极距，VA为动子位置变化量，T为采样周期，η = 0，1，2.......高频发生器3的高频信号是利用数字信号处理器输出的SPWM波产生，通过缓冲电 路对PWM 口输出的SPWM波进行缓冲，并将电压拉高到12V左右，以供后级低通滤波电路使用。高通滤波电路41由电容、电感和电阻组成，将三相定子绕组中的微弱高频感应电 势从强工频电压信号中提取出来。其中电容是实现强电与弱电之间的隔离；电阻是为了保 护电路，防止高次谐波产生谐振过电压烧毁电路元件。带通滤波电路51利用美国MAXIM公司开发的有源滤波器芯片MAX274实现，将微 弱的、频率为400Hz的高频信号从强噪声中检测出来。
移相电路61由集成运算放大器、电阻、电容器构成，将带通滤波电路51送来的A、 B、C三相高频感应电压信号分别移相0°、120°、240°。加法电路7是将移相电路61输出的A、B、C三相感应电势信号叠加。通过电阻获取的已转换为电压信号的高频激励电流信号也经过与高频感应电势 信号通道相同的高通滤波电路42、带通滤波电路52以产生与感应电势合成信号相同的相 位移Φ。带通滤波电路52的输出信号再经移相电路62移相90°。鉴相电路8采用输出延迟为4. 5ns的超高速比较器芯片MAX963来实现，检测移相 电路62输出的高频激励电流信号的正向过零点和加法电路7送回来的感应电势合成信号 的正向过零点，并将其转化为与波形正半周波相对应的正方波信号，供数字信号处理器计 算动子位置、运行距离和速度。数字信号处理器的型号为TMS320F2407或TMS320F2812。综上所述，本发明能够测量包括零速在内全速度范围内永磁直线同步电机动子位 置、运行距离和速度，具有结构简单、价格低廉、使用方便、稳定性好、测量精度高等优点，特 别适宜于由三相交流永磁直线同步电机驱动的长行程伺服系统或运输系统中。
权利要求
一种长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量方法，其特征在于上述运行距离与速度测量方法包含下列步骤步骤一、在永磁直线同步电机动子永磁体上缠绕高频绕组，并向该绕组中通入频率为400Hz的高频电流信号；步骤二、提取高频电流在三相定子电枢绕组中产生的感应电势，并将A、B、C三相感应电势信号在时间上分别移相0°、120°、240°后叠加，得到一个与高频电流激励信号同频率，相位相差为永磁直线同步电动机的动子位置角θr-90°的高频感应电势合成信号；步骤三、通过电阻采集高频激励信号，将该信号经过与提取高频感应电势信号通道相同的电路后移相90°；步骤四、利用鉴相电路得到经过步骤三处理后的高频激励信号的正向过零点和感应电势合成信号的正向过零点，并将其转化为与波形正半周波相对应的正方波信号；步骤五、利用数字信号处理器的捕获单元CAP1、CAP2对鉴相电路送来的两路正方波信号的上升沿进行捕获，利用定时器作为CAP1、CAP2的时基，在两路正方波上升沿的间隔时间内进行计数。步骤六、根据步骤五得到的计数值计算动子位置角θr、运行距离s、动子速度v，其公式分别为s＝2nτ+θτ <mrow><mi>v</mi><mo>=</mo><mfrac> <msub><mrow> <mo>&dtri;</mo> <mi>&theta;</mi></mrow><mi>r</mi> </msub> <mi>T</mi></mfrac> </mrow>式中τ为电机的极距，为动子位置变化量，T为采样周期，n＝0，1，2......。FSA00000147202100011.tif,FSA00000147202100013.tif
2.根据权利要求1所述的长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量方法，其特征 在于步骤一中的高频电流信号利用数字信号处理器的PWMl 口输出的SPWM信号经过缓冲 与电平转换电路、低通滤波电路、减法电路、输出电路后产生的。
3.根据权利要求1所述的长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量方法，其特征 在于步骤二中的三相高频感应电势通过高频滤波电路和带通滤波电路提取，步骤二、步骤 三中的信号移相通过移相电路实现。
4.根据权利要求1所述的长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量方法，其特征 在于步骤六中的动子位置角θ ρ运行距离S、动子速度ν的计算通过数字信号处理器完 成。
5.一种长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量装置，包括附加的高频绕组 (1)、数字信号处理器(2)、高频发生器(3)、第一高通滤波电路(41)、第一带通滤波电路 (51)、第二高通滤波电路(42)、第二带通滤波电路(52)、实现120°和240°移相的第一移 相电路(61)、实现90°移相的第二移相电路(62)、加法电路(7)以及鉴相电路(8)，其特征 在于所述附加的高频绕组(1)为缠绕在永磁直线同步电机动子永磁体上(9)的圆形截面 或矩形截面的绝缘导体，所述的数字信号处理器(2)的PWMl引脚接高频发生器(3)的输入 端，所述的高频发生器(3)的输出端al与高频绕组(1)的bl端相连接，高频绕组(1)的b2 端与采集高频信号的电阻(11)的cl端相连接，采集高频信号的电阻(11)的c2端与高频发生器⑶的输出端a2连接构成回路，所述的采集高频信号电阻(11)的cl端、c2端分别 与第二高通滤波电路(42)的dl端、d3端相连接，所述的第二高通滤波电路(42)的d2端与 第二带通滤波电路(52)的el端相连接，所述的第二带通滤波电路(52)的e2端与第二移 相电路(62)的fl端连接，所述的第二移相电路(62)的f2端与鉴相电路(8)的引脚2相 连接，所述的第一高通滤波电路(41)的gl、g2、g3、g4端分别与永磁直线同步电动机的电 源母线(10)的N、A、B、C相连接，所述的第一高通滤波电路(41)的hl、h2、h3端分别与第 一带通滤波电路(51)ell端、el2端、el3端相连接，所述的第一带通滤波电路(51)的e22 端、e23端分别与第一移相电路(61)的jl端、j2端相连接，所述的加法电路(7)的kl端、 k2端、k3端分别接带通滤波电路(51)e21端、第一移相电路(61)的j3端、j4端，所述的加 法电路(7)的k4端与鉴相电路⑶的引脚7相连接，所述的鉴相电路⑶的引脚13、引脚 9分别接接数字信号处理器(2)的CAP1、CAP2。
6.根据权利要求5所述的长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量装置，其特征 在于高频发生器(3)由缓冲与电平转换电路、低通滤波电路、减法电路、输出电路顺序连 接构成，所述的缓冲与电平转换电路由芯片74HCT04与芯片6N137连接组成，所述的高频发 生器(3)的低通滤波电路采用简单的R-C电路，所述的高频发生器(3)的减法电路采用美 国AD公司的AD524芯片，所述的高频发生器(3)的输出电路采用对管TIP35C和TIP36C作 为功率晶体管。
7.根据权利要求5所述的长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量装置，其特征 在于所述的第一高通滤波电路(41)、第二高通滤波电路(42)由电容、电感和电阻组成，所 述的第一高通滤波电路(41)、第二高通滤波电路(42)的电容由两个串联构成分别接在电 感的两侧以实现强电与弱电隔离。
8.根据权利要求5所述的长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量装置，其特征 在于所述的第一带通滤波电路(51)、第二带通滤波电路(52)采用美国MAXIM公司开发的 有源滤波器芯片MAX274实现。
9.根据权利要求5所述的长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量装置，其特征 在于所述的第一移相电路(61)、第二移相电路(62)由集成运算放大器、电阻、电容器构 成，所述的加法电路(7)采用集成运算放大器实现。
10.根据权利要求5所述的长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量装置，其特 征在于所述的鉴相电路(8)采用输出延迟为4. 5ns的超高速比较器芯片MAX963实现。
全文摘要
本发明涉及一种长行程永磁直线同步电机运行距离与速度测量方法与装置，高频绕组为缠绕在永磁直线同步电机动子永磁体上的圆形截面或矩形截面的绝缘导体，数字信号处理器接高频发生器，高频发生器与高频绕组相连，高频绕组与采集高频信号的电阻相连，采集高频信号的电阻与第二高通滤波电路相连，第二高通滤波电路与第二带通滤波电路相连，第二带通滤波电路与第二移相电路连接，第二移相电路与鉴相电路相连，第一高通滤波电路与永磁直线同步电动机、第一带通滤波电路相连，第一带通滤波电路与第一移相电路相连，加法电路与带通滤波电路、鉴相电路相连，鉴相电路接接数字信号处理器，具有结构简单、价格低廉、使用方便、稳定性好、测量精度高的优点。
文档编号G01D5/245GK101881630SQ20101019317
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月7日 优先权日2010年6月7日
发明者上官璇峰, 党建军, 张展, 桑俊勇, 王福忠, 蒋智化, 许孝卓, 陈昊, 高彩霞 申请人:河南理工大学