[发明专利]基于圆筒型磁通切换直线电机的电磁弹射系统及控制方法

权利要求书

1.基于圆筒型磁通切换直线电机的电磁弹射系统的控制方法，其特征在于：

电磁弹射系统包括圆筒型磁通切换直线电机、辅助电磁减速装置、无位置传感器和中央控制器，其中：

圆筒型磁通切换直线电机，包括动子和定子，动子设于定子内，动子包括高矫顽力的永磁体和低电阻率的绕组，定子由硅钢构成，电磁弹射部分与动子相结合构成电磁弹射运动部分，定子铺设在电磁弹射平台上，定子的铺设长度根据弹射最终速度和弹射物体重量设计；

辅助电磁减速装置，包括固定在动子弹射前端的可调电磁减速器、固定在电磁弹射平台末端的永磁减速装置和减速控制电路，根据无位置传感器实时检测的电磁弹射运动部分的位置，减速控制电路根据无位置传感器所估算的弹射速度和位置实时调节可调电磁减速器的输出功率，使动子在电磁弹射平台末端稳定准确停止；

无位置传感器，包括初始位置检测模块、低速段位置检测模块、中高速段位置检测模块和过渡区域位置切换模块，电磁弹射器启动时，初始位置检测模块对动子的初始位置进行判读，使中央控制器输出合适的驱动电压，当动子进入低速段或中高速段时分别采用低速段位置检测模块或中高速段位置检测模块对电磁弹射器的速度和位置进行准确估测和控制，过渡区域位置切换模块采用混合观测器获取动子位置信息；

中央控制器，包括高速数据处理芯片和分别与其电连接的数据储存电路、电压调理电路、光耦隔离路、驱动电路、电流电压检测电路和三相全桥逆变电路；中央控制器采用双闭环控制；双闭环控制包括电流环和速度环，双闭环控制采用重复控制、无位置检测算法和PI反馈控制相结合的速度环和PI调节空间矢量电流环；

当启动电磁弹射任务时，先采用无位置传感器中的电压矢量注入法对动子的初始位置进行检测，其检测结果和线性霍尔计算结果进行校验，所得误差在允许范围内，获得初始角度后，驱动电路对圆筒型磁通切换直线电机施加合适的驱动电压，使动子进入低速段范围，同时切换到低速段位置检测方式，其位置信号送入双闭环控制系统；速度环通过重复PI速度控制器对给定速度和加速度进行跟踪，产生的速度误差作为电流环PI控制器的输入，通过空间矢量调制方式，由逆变器得到最后实际所需的驱动电压；

当电磁弹射任务完成后，动子进入减速制动状态，此时通过无位置传感器对动子的位置进行估测，电磁制动力的总体趋势与动子距末端的距离成反比，电磁力的输出是实时调整的，最后使动子部分安全稳定的停靠在电磁弹射平台末端；

动子位置检测包括以下步骤：

初始位置检测，采用电压矢量注入位置检测方式，即两组相同的绕组产生的合成磁链相等时，磁通方向与动子磁极最接近的绕组等效电感饱和度最高，其电感值最小，电流最大，因此可以通过检测电压脉冲所产生的电流响应的幅值大小，来确定动子初始位置，即利用不同电压矢量下d轴等效电路时间常数不同的特性，通过检测响应电流衰减到零的时间不同，判断动子的初始位置；

建立旋转d-q坐标系下圆筒型磁通切换电机的d轴磁链方程，其中A、B、C三轴表示三相静止坐标系，A、B、C三轴沿逆时针共原点环形均布，d¹轴超前于A轴θ_m角度，且与q¹轴正交，d²超前于A轴θ'_m角度，与q²轴正交，d¹轴与d²轴之间角度差为△θ_m，以角频率ω的速度旋转；

设动子永磁体产生的磁链为ψ_f，方向和d¹轴重合，则在d²轴方向的分量为ψ_fcos△θ_m；d-q轴下电机d轴磁链方程为：

ψ_d1＝L_d1i_d1+ψ_f

ψ_d2＝L_d2i_d2+ψ_fcos△θ_m

式中，△θ_m为d¹轴和d²轴之间的夹角，ψ_d1和ψ_d2分别为在d¹轴和d²轴的电机磁链，L_d1，L_d2分别为电机在d¹轴和d²轴的电感分量，i_d1与i_d2分别为在d¹轴和d²轴的电流分量；

比较式上面两式则有ψ_d1ψ_d2，因为L_d1绕组磁通方向和永磁磁极方向一致，因此当绕组中的电流同时增加时，处于d₁轴方向的磁路更加趋于饱和，根据电感饱和效应，可以得出L_d1L_d2，i_d1i_d2；当两组相同的绕组产生的合成磁链相等时，磁通方向与动子磁极最接近的绕组等效电感饱和度最高，其电感值最小，电流最大，因此可以通过检测电压脉冲所产生的电流响应的幅值大小，来确定动子初始位置；

在此基础之上，利用不同电压矢量下d轴等效电路时间常数不同的特性，通过检测响应电流衰减到0的时间不同，判断动子的初始位置，无需对电流峰值进行检测，减少了对采样电路的依赖性；

电机静止时，当通入的电压脉冲方向与d¹方向相等时，L＝L_d1，则电路的时间常数为τ_d1；当通过的电压脉冲方向与d²相同时，L＝L_d2，则电路的时间常数为τ_d2；根据电感饱和效应可知τ_d1τ_d2，则t_d1t_d2；两电压脉冲所产生的响应电流衰减到0所需要的时间分别为t_d1、t_d2，通过比较两者时间的大小，可知动子的初始位置更靠近d¹；依据此原理，在圆面上均分12个位置分区，用I-VI顺时针命名相连的6个位置分区，且顶角相对的两个位置分区命名相同，12个位置分区的界限上设为12个电压矢量方向，12个电压矢量方向以1-12命名，以奇数顺时针命名6个相邻的电压矢量方向，以偶数顺时针命名另外6个相邻的电压矢量方向，且1和2为相对的2个电压矢量方向，按顺序通入12个方向不同的电压矢量，与动子磁极N同方向的电压矢量，即通入的电压矢量角度为动子实际角度时，对应的电路时间常数τ最小，则t最小；因此，通过比较在恒定电压矢量作用下d轴电流衰减到0的时间，判断出动子的初始位置，测量的时间最小值t_{d_min}所对应的电压矢量的角度即为动子的初始电角度；

低速位置检测，当动子运动起来后，自动进入低速段位置检测阶段，3个线性霍尔传感器在1个测距磁钢的永磁极距内均匀分布，如此3个线性霍尔传感器感应的电压分布均匀且相差120电角度，通过以下正切与反正切函数计算此时动子所在位置：

u_y＝MSinθ_h＝u_Ha

其中，u_x与u_y分别为计算中间变量，M为线性霍尔传感器电压信号的幅值，θ_h为电角度计算值，u_Ha u_Hb和u_Hc均是线性霍尔的感应电动势；

得到动子的初始电角度后，通过增量法计算出动子的实时速度，这些信号最后都提供给中央处理器，让其作为速度环和辅助电磁减速装置的参考值；低速段位置检测模块除检测动子在低速段的位置信号外，还对初始位置检测模块的检测结果进行校验，将其控制在设定误差范围内；

中高速段位置检测，在电磁弹射加速一段时间后就会进入高速段，采用扩张滑模观测器获取动子位置信息，通过对定子电流的观测使其逼近实际值，再通过电流方程得到等效反电动势，从而获得动子位置角估计值，方法为：

圆筒型磁通切换直线电机在d-q坐标系下的电压方程表示为：

其中，u_d为d轴的电压分量，u_q为q轴上的电压分量，i_d为d轴上的电流分量，i_q为q轴上的电流向量，L_d是d轴电感，L_q是q轴电感，R为定子电阻；D为微分符号；v_m为电气角频率；

扩张滑膜观测器一般建立在α-β坐标系，但因为帕克变化需要电角度信息，将其从d-q坐标系变换到α-β上：

其中，u_α是α轴电压分量，u_β是β轴电压分量，i_α是α轴电流分量，i_β是β轴电流分量，L_α＝L₀+L₁cos2θ_m；L_αβ＝L₁sin2θ_m；L_β＝L₀-L₁cos2θ_m；L₀＝(L_d+L_q)/2；L₁＝(L_d-L_q)/2；θ_m为电角度值，其中有2θ_m变量；

对上式进行变形和简化：

上式中含有反电势项，同时也具备由于圆筒型磁通切换直线电机凸极效应所产生的感应电动势；通过对其感应电动势进行估计得到电角度和位置信息；

通过上面的电压方程得到其电流方程：

其中，K＝(L_d-L_q)(v_mi_d-Di_q)+v_mψ_f；

扩张滑膜观测器按定子电流进行设计；

其中：和均为定子电流的观测值，Z_α、Z_β均为控制函数；由于定子电流是物理测量的唯一值，所以滑膜观测面对其进行追踪，动态误差通过以下公式进行计算：

[e_α e_β]^T＝[K sinθ_m-K cosθ_m]；

Z^T＝[Z_α,Z_β]；

其中，e_α是为α轴观测电压分量,e_β是β轴观测分量，h是扩张滑膜观测器增益值，通过选取合适值，使定子电流接近真实值；当系统进入滑膜面，即可估算出定子在中高速断的电角度和位置；

过渡区域位置检测，采用混合观测器获取动子位置信息，采用线性霍尔传感器和扩张滑模观测器的观测结果加以加权方式来确定混合观测器输出的动子位置角估计值；混合观测器输出的动子位置角估计值表示为：

其中：α为加权因子，为在低速段线性霍尔传感器所得动子位置角估计值，为扩张滑模观测器所获取的动子位置角估计值。