永磁同步直線電機由于其行程長、推力大、響應快等優(yōu)點，在機械裝備中越來越受到重視。過去國內永磁同步直線電機的研究主要集中在電機設計，抑制電機端部效應，電機伺服控制方法等，已經(jīng)取得一定的成果，甚至已經(jīng)小批量生產(chǎn)[1]。但是對直線電機的初級與次級的相對初始位置檢測研究很少。對于伺服控制系統(tǒng)，初始位置的檢測是直線電機正常工作的關鍵之一。由于直線電機一般采用id＝0的控制策略[2]，即控制初級電樞電流的綜合矢量在dq 坐標系中的d 軸分量為0。如果直線電機第一次上電不知道初級的準確位置，就無法實現(xiàn)id＝0的控制策略，系統(tǒng)將無法正確完成直線電機控制的一系列算法，導致直線電機運動混亂，甚至無法啟動[3]。

在直線電機控制伺服系統(tǒng)中，初級與次級的相對初始位置可用d軸電角度表示。本文從坐標系上研究d軸電角度，再使用絕對式光柵尺測量直線電機的絕對位置，F(xiàn)PGA處理絕對位置信號，在此基礎之上提出了一種有效的直線電機初始位置檢測方法。

 

把A軸逆時針到矢量的夾角稱為該矢量的電角度θ。把相鄰兩個永磁體的距離稱為磁距τ如圖2所示，可以得出一個重要的關系：360°電角度對應的距離為2τ，則初級與次級相對移動的距離L和電角度變化θ有下面的關系: 

 

 

 

本試驗裝置采用的海德漢LC182絕對式光柵尺讀取絕對位置值，該光柵尺提供的絕對位置由EnDat接口協(xié)議傳輸，使用標準的RS485電平通過串口方式通信。EnDat接口協(xié)議包括差分式的時鐘信號CLK和數(shù)據(jù)信號DATA。如圖3所示。FPGA通過控制時鐘線和數(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。同步時鐘傳輸和收發(fā)數(shù)據(jù)傳輸分別由兩塊收發(fā)器實現(xiàn)。同步時鐘總是從FPGA發(fā)送給光柵尺。數(shù)據(jù)信號線是雙向傳輸，可控制半雙工收發(fā)器設置傳輸方向，當FPGA發(fā)送讀取位置值指令時，把收發(fā)器設置為發(fā)送狀態(tài)，指令代碼通過收發(fā)器差分輸出至光柵尺，當要接收光柵尺信號時，設置收發(fā)器為接收狀態(tài)，信號將從收發(fā)器送到FPGA。

 

 

 檢測初始位置的軟件設計核心部分在于FPGA設計。使用Quartus II 5.1開發(fā)環(huán)境，頂層圖包括EnDat和baud兩個實體。如圖4所示。baud實體的主要功能是產(chǎn)生一個合適的時鐘提供給EnDat實體，控制EnDat的數(shù)據(jù)傳輸速率。EnDat實體實現(xiàn)EnDat協(xié)議中讀取絕對位置值的功能以及計算當前d軸的電角度。輸入端口包括光柵尺信號返回encoder_rc_data和baud實體產(chǎn)生的時鐘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, 光柵尺信號的同步時鐘傳送端口encoder_clk和發(fā)送指令端口encoder_cmd。輸出端口UVW用來示意電角度的范圍值。

 

EnDat實體可用狀態(tài)機來描述它的過程，如圖5所示。其過程是：發(fā)送讀取位置值指令的狀態(tài)－等待光柵尺計算位置狀態(tài)－接收光柵尺返回的位置值－CRC校驗。校驗正確，則計算當前電角度并返回等待狀態(tài)；否則轉到空閑狀態(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的初級與次級的相對初始位置關系，通過采用絕對式光柵尺測量d軸電角度，從而提出一種直線電機的初級與次級的相對初始位置檢測新方法；在此基礎上設計實驗裝置硬件系統(tǒng)，并編制專用程序進行實驗驗證。實驗證明，該方法精度高，可靠性強，通用性好，可以實現(xiàn)直線電機在任意位置啟動，是直線電機伺服系統(tǒng)檢測永磁同步直線電機初始位置的一種行之有效的方法。

論文的創(chuàng)新點：

本文提出了一種新的檢測直線電機初級與次級的相對初始位置的方案。研究了直線電機的電角度與空間位置的對應關系，尋找直線電機的電氣零點，利用絕對光柵尺+FPGA測量d軸位置，再由位置與電角度的關系檢測出初始位置，最后在實際應用中證明該方法的可行性和實用性。