永磁同步直線電機(jī)由于其行程長(zhǎng)、推力大、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械裝備中越來(lái)越受到重視。過(guò)去國(guó)內(nèi)永磁同步直線電機(jī)的研究主要集中在電機(jī)設(shè)計(jì)，抑制電機(jī)端部效應(yīng)，電機(jī)伺服控制方法等，已經(jīng)取得一定的成果，甚至已經(jīng)小批量生產(chǎn)[1]。但是對(duì)直線電機(jī)的初級(jí)與次級(jí)的相對(duì)初始位置檢測(cè)研究很少。對(duì)于伺服控制系統(tǒng)，初始位置的檢測(cè)是直線電機(jī)正常工作的關(guān)鍵之一。由于直線電機(jī)一般采用id＝0的控制策略[2]，即控制初級(jí)電樞電流的綜合矢量在dq 坐標(biāo)系中的d 軸分量為0。如果直線電機(jī)第一次上電不知道初級(jí)的準(zhǔn)確位置，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)id＝0的控制策略，系統(tǒng)將無(wú)法正確完成直線電機(jī)控制的一系列算法，導(dǎo)致直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)混亂，甚至無(wú)法啟動(dòng)[3]。

在直線電機(jī)控制伺服系統(tǒng)中，初級(jí)與次級(jí)的相對(duì)初始位置可用d軸電角度表示。本文從坐標(biāo)系上研究d軸電角度，再使用絕對(duì)式光柵尺測(cè)量直線電機(jī)的絕對(duì)位置，F(xiàn)PGA處理絕對(duì)位置信號(hào)，在此基礎(chǔ)之上提出了一種有效的直線電機(jī)初始位置檢測(cè)方法。

 

把A軸逆時(shí)針到矢量的夾角稱為該矢量的電角度θ。把相鄰兩個(gè)永磁體的距離稱為磁距τ如圖2所示，可以得出一個(gè)重要的關(guān)系：360°電角度對(duì)應(yīng)的距離為2τ，則初級(jí)與次級(jí)相對(duì)移動(dòng)的距離L和電角度變化θ有下面的關(guān)系: 

 

 

 

本試驗(yàn)裝置采用的海德漢LC182絕對(duì)式光柵尺讀取絕對(duì)位置值，該光柵尺提供的絕對(duì)位置由EnDat接口協(xié)議傳輸，使用標(biāo)準(zhǔn)的RS485電平通過(guò)串口方式通信。EnDat接口協(xié)議包括差分式的時(shí)鐘信號(hào)CLK和數(shù)據(jù)信號(hào)DATA。如圖3所示。FPGA通過(guò)控制時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線發(fā)送指令以及接受位置值。FPGA與光柵尺的接口采用RS485收發(fā)器，以滿足兩者的電平匹配。同步時(shí)鐘傳輸和收發(fā)數(shù)據(jù)傳輸分別由兩塊收發(fā)器實(shí)現(xiàn)。同步時(shí)鐘總是從FPGA發(fā)送給光柵尺。數(shù)據(jù)信號(hào)線是雙向傳輸，可控制半雙工收發(fā)器設(shè)置傳輸方向，當(dāng)FPGA發(fā)送讀取位置值指令時(shí)，把收發(fā)器設(shè)置為發(fā)送狀態(tài)，指令代碼通過(guò)收發(fā)器差分輸出至光柵尺，當(dāng)要接收光柵尺信號(hào)時(shí)，設(shè)置收發(fā)器為接收狀態(tài)，信號(hào)將從收發(fā)器送到FPGA。

 

 

 檢測(cè)初始位置的軟件設(shè)計(jì)核心部分在于FPGA設(shè)計(jì)。使用Quartus II 5.1開發(fā)環(huán)境，頂層圖包括EnDat和baud兩個(gè)實(shí)體。如圖4所示。baud實(shí)體的主要功能是產(chǎn)生一個(gè)合適的時(shí)鐘提供給EnDat實(shí)體，控制EnDat的數(shù)據(jù)傳輸速率。EnDat實(shí)體實(shí)現(xiàn)EnDat協(xié)議中讀取絕對(duì)位置值的功能以及計(jì)算當(dāng)前d軸的電角度。輸入端口包括光柵尺信號(hào)返回encoder_rc_data和baud實(shí)體產(chǎn)生的時(shí)鐘clk。輸出端口包括控制RS485收發(fā)器的數(shù)據(jù)傳輸方向端口encoder_de, 光柵尺信號(hào)的同步時(shí)鐘傳送端口encoder_clk和發(fā)送指令端口encoder_cmd。輸出端口UVW用來(lái)示意電角度的范圍值。

 

EnDat實(shí)體可用狀態(tài)機(jī)來(lái)描述它的過(guò)程，如圖5所示。其過(guò)程是：發(fā)送讀取位置值指令的狀態(tài)－等待光柵尺計(jì)算位置狀態(tài)－接收光柵尺返回的位置值－CRC校驗(yàn)。校驗(yàn)正確，則計(jì)算當(dāng)前電角度并返回等待狀態(tài)；否則轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)，再返回發(fā)送讀取位置值指令的狀態(tài)。

 

 

 本文研究永磁同步直線電機(jī)的初級(jí)與次級(jí)的相對(duì)初始位置關(guān)系，通過(guò)采用絕對(duì)式光柵尺測(cè)量d軸電角度，從而提出一種直線電機(jī)的初級(jí)與次級(jí)的相對(duì)初始位置檢測(cè)新方法；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置硬件系統(tǒng)，并編制專用程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，該方法精度高，可靠性強(qiáng)，通用性好，可以實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)在任意位置啟動(dòng)，是直線電機(jī)伺服系統(tǒng)檢測(cè)永磁同步直線電機(jī)初始位置的一種行之有效的方法。

論文的創(chuàng)新點(diǎn)：

本文提出了一種新的檢測(cè)直線電機(jī)初級(jí)與次級(jí)的相對(duì)初始位置的方案。研究了直線電機(jī)的電角度與空間位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，尋找直線電機(jī)的電氣零點(diǎn)，利用絕對(duì)光柵尺+FPGA測(cè)量d軸位置，再由位置與電角度的關(guān)系檢測(cè)出初始位置，最后在實(shí)際應(yīng)用中證明該方法的可行性和實(shí)用性。