CN101841295B - 一种基于定步长速度测量的直线电机运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定步长速度测量的直线电机运动控制方法，是使用等间隔排列的霍尔开关传感器阵列，进行直线电机的动子的位置和速度测量，实施分阶段往返运动控制，所述控制依次包含高速匀速、减速、低速匀速和边界制导四个阶段，在上述四个阶段中分别实施位置PID控制、加速度PID控制、速度PID控制和位置PD控制。本发明方法基于简单的测量装置，可以实现负载适变化的直线电机运动控制，不需要光栅精密测量机构，解决了现有技术中仅依靠霍尔开关传感器无法实现的毫米级别的直线电机的定位控制，降低了系统成本和系统复杂度。

Description

一种基于定步长速度测量的直线电机运动控制方法

技术领域

本发明属于直线电机控制方法，具体涉及一种基于定步长速度测量的直线电机运动控制方法。

背景技术

直线电机控制原理如图1所示，中心控制器根据检测反馈的结果，生成控制量，输出控制信号，由电机驱动模块驱动电机运动。直线电机的动子运动时，检测反馈部分产生信号变化，反馈给中心控制器，中心控制器根据反馈回来的内容进行电机的控制调整，使直线电机平滑运行。直线电机的控制功能结构如图2所示。

直线电机控制的难点在于其控制模型的特殊性。直线电机模型是非线性的，在不同的运动速度上可以表现出不同的主要特性。在平移门中使用的直线电机，具有动子比定子长，动子行程范围大于定子长度的特点，因此会出现定子对动子的覆盖不均匀、不对称的情况。在直线电机平移门中，平移门的门体作为负载，是不能预知的，门体都是在直线电机出厂后根据用户需要设计的，也就是说，直线电机的负载是可变的。

针对直线电机控制的研究中，采用的控制算法包括PID控制、鲁棒控制、自适应控制、模糊控制和神经网络控制[参见1.蓝益鹏、郭庆鼎“永磁直线电机伺服系统非线性鲁棒控制器设计”《控制与决策》2006：21(6)，2.陈渊睿、吴捷、Norbert C.Cheung.“永磁直线电机的模型参考自适应控制”《华南理工大学学报》(自然科学版)2003：31(6)，3.孙宜标、郭庆鼎、孙荣斌“基于滑模和神经网络的永磁直线伺服系统控制”《沈阳工业大学学报》2002：24(5)]，但其中仿真研究多，实际应用少，尤其缺乏对大行程、结构不对称、负载可变的直线电机控制的研究。

为实现直线电机的控制，一般以光栅尺作为精密测量元件，测量精度可达到μm级。光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难，工作条件要求高，这些特点都直接限制了光栅尺在平移门中的应用。

在应用直线电机的平移门中，日本立山公司仅依赖三个霍尔开关传感器对直线电机动子的速度进行测量，但其产品需要定制，即负载是不能任意设定的，表明其控制方法对模型有严格要求，不利于产品的大批量开发。

为了针对不同负载条件均实现平滑一致的直线电机平移门往返控制，需要新的控制方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于定步长速度测量的直线电机运动控制方法。该方法在不依赖光栅尺等高精度测量元件的前提下，基于有限个霍尔传感器，可以对直线电机驱动的平移门实现往返到位控制，提高到位精度和运行平滑性，为类似平移门的直线电机控制问题提供新的方法。

实现上述目的采用的技术方案是：

基于定步长速度测量的直线电机运动控制方法，是使用等间隔排列的霍尔开关传感器阵列，进行直线电机的动子的位置和速度测量，实施分阶段往返运动控制，所述控制依次包含高速匀速、减速、低速匀速和边界制导四个阶段，在上述四个阶段中分别实施位置PID控制、加速度PID控制、速度PID控制和位置PD控制。

所述的速度测量，是按照所述动子运动的固定位移间隔进行的；

所述的动子运动的固定位移间隔，是在0.5mm～8mm内取值；

所述的高速匀速阶段，是期望速度在250mm/s～700mm/s范围内取定值；

所述的低速匀速阶段，是期望速度在50mm/s～150mm/s范围内取定值；

所述的减速阶段，是减速阶段的各位移点的期望速度的大小随位移量均匀减小，从高速匀速控制阶段的期望速度逐步变化到低速匀速阶段的期望速度。

所述的位置PID控制、加速度PID控制和速度PID控制均是按照增量PID方式在数字控制器中实现。

本发明方法基于简单的测量装置，可以实现负载适变化的直线电机运动控制，其优点在于：

1)不需要光栅精密测量机构，解决了现有技术中仅依靠霍尔开关传感器无法实现的毫米级别的直线电机的定位控制，降低了系统成本和系统复杂度。

2)通过直线电机的分阶段控制，仅依靠增量PID控制实现了对直线电机运动过程的控制，实现了适应不同重量平移门的往返到位控制，且避免了自适应控制、神经网络等复杂控制算法。

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

附图说明

图1是直线电机控制原理图。

图2是直线电机的控制功能结构图。

图3是本发明方法中的霍尔传感器阵列布置示意图。

图4是发明方法对直线电机平移门控制阶段划分图。

图5是本发明方法中高速匀速阶段控制阶段信号量示意图。

图6是本发明方法中减速控制阶段信号量示意图。

图7是本发明方法中低速匀速阶段控制阶段信号量示意图。

图8是本发明方法控制的某型直线电机正向运动速度变化曲线图。

图9是本发明方法控制的某型直线电机反向运动速度变化曲线图。

具体实施方式

本发明方法通过等间隔排列的霍尔开关传感器组成霍尔开关传感器阵列2进行直线电机的动子的位置和速度测量。速度测量是按照动子运动的固定位移间隔进行的。动子由若干块磁石1组成。设进行速度测量的位移间隔为D，单块磁石1的长度为L，则霍尔开关传感器阵列2应包含的霍尔开关传感器数量为L/D+1。如图3给出了一个使用13个霍尔开关传感器的阵列排布。它对应了L＝24mm，D＝2mm的情况。

根据其下方磁极为N或S，霍尔开关传感器会输出0或1，整个阵列的输出形成一个十三位的二进制串(b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10 b11b12 b13)。霍尔开关传感器阵列2输出编码的奇偶校验位为标志信号量。动子运动的固定位移间隔一般是在0.5～8mm内取值，例如取为2mm时，动子每移动2mm，会导致二进制串发生变化，而且其编码内0的个数会发生奇偶变化，因此其奇偶校验位会发生跳变。中心控制器检测该脉冲跳变，发生正跳变则位移值读数增加2mm，发生负跳变则位移值减小2mm，如此累加，即可得到位移坐标值S.记录两次脉冲到达时的时间间隔T，速度测量值V的大小即为2mm/T，速度的方向可根据位移量的增减确定，位移增则速度为正，位移减则速度为负。

平移门的往返过程控制要求平移门快速准确到达边界点，运行过程中速度平滑变化。为此设置了四阶段的控制过程，如图4曲线所示，分别为高速匀速阶段、减速阶段、低速匀速阶段和边界制导阶段。在每个阶段执行不同的控制方法。这样设置的合理性在于，直线电机在高速、减速和低速匀速阶段其模型分别呈现不同的主要特点，为实现理想的控制效果必须使用不同的控制方法。

在高速匀速阶段阶段，按照位置PID控制方式(参见注释)进行控制。期望速度为一恒定值VH，在250mm/s～700mm/s之间取定。以脉冲值到达的时刻为采样点。，设在当前采样点位移坐标值为S，如图5所示，位移误差eS计算为

        eS＝S1+VH*T-S                (1)

式中，S1为前一个采样点的位移坐标，VH为期望运行速度，T为当前采样点与前一个采样点之间的时间间隔。

同样可以得到前两个采样点处的位移误差eS1和eS2

        eS1＝S2+VH*T1-S1             (2)

        eS2＝S3+VH*T2-S2             (3)

式中S1，S2，S3分别为前三个采样点的位移坐标，T1，T2为从S3采样点开始的连续两个采样点之间的时间间隔。

根据文献[1]，增量PID控制算法的计算公式如下：

du＝(Kps+Kds+Kis)*eS-(Kps+Kds+Kds)*eS1+Kps*eS2        (4)

        u＝ul+du                                      (5)

式中du为控制量增量，ul为前一个采样点的控制量，u为当前采样点的控制量，Kps，Kds，Kis依次为比例控制系数、微分控制系数和积分控制系数，eS2，es1，eS表示了连续三次采样点处的位移误差，eS由公式(1)计算，eS1，eS2由公式(2)(3)计算。

在减速阶段，按照加速度PID控制方式(参见注释)进行控制。加速度误差通过速度误差差分得到。减速阶段各位移点上期望速度的大小随位移量均匀减小，从高速匀速阶段的期望速度VH逐步变化到低速运动的期望速度值VL，如图6所示，每一坐标点处的期望速度计算为

    Vd(i)＝VH-(VH-VL)*(S(i)-SH)/(SL-SH)            (6)

式中SH，SL分别为减速阶段的起始采样点坐标和结束采样点坐标，VH、VL分别为高速匀速阶段和低速匀速阶段的期望速度，i为减速阶段采样点的编号，从0开始递增，S(0)对应SH。

在每一个采样点的速度误差e(i)计算为

            e(i)＝Vd(i)-V(i)                       (7)

式中Vd(i)为当前采样点的期望速度，由公式(6)计算；V(i)为当前采样点的速度测量值。

每一采样点的加速度误差eA(i)可以通过差分得到

        eA(i)＝e(i)-2*e(i-1)+e(i-2)                (8)

式中，e(i-2)，e(i-1)，e(i)表示了连续三个采样点上的速度误差。

根据文献[1]，增量PID控制的计算公式如下：

du＝(Kpa+Kda+Kia)*eA(i)-(Kpa+Kda+Kda)*eA(i-1)+Kpa*eA(i-2)  (9)

            u(i)＝u(i-1)+du

                                                    (10)

式中du为控制量增量，u(i-1)表示前一个采样点的控制量，u(i)表示当前采样点的控制量，Kpa，Kda，Kia分别为比例控制系数、微分控制系数和积分控制系数，eA(i)，eA(i-1)，eA(i-2)表示连续三个采样点的加速度误差，均可通过公式(8)计算得到，在计算时公式中的i需分别替换为i-2，i-1和i。

在低速匀速阶段，按照速度PID控制方式(参见文献2)进行控制。期望的速度为一恒定值VL，在50mm/s～150mm/s之间取定。如图7所示，假设在当前采样点上的速度测量值为V，则速度误差计算为

                e＝VL-V                        (11)

同样可得前两个采样点处的速度误差e1和e2：

                e1＝VL-V1                      (12)

                e2＝VL-V2                      (13)

式中，设前一个采样点上给出的输出量为ul。根据文献[1]，使用增量PID控制算法计算当前的控制量u计算如下

        du＝(Kp+Kd+Ki)*e-(Kp+Kd+Kd)*e1+Kp*e2   (13)

                u＝ul+du                       (14)

其中du为控制量增量，ul为前一个采样点的控制量，u为当前采样点的控制量，Kp，Kd，Ki依次为比例控制系数、微分控制系数和积分控制系数，e2，e1，e表示了连续三次采样点处的位移误差，e由公式(11)计算，e1，e2由公式(12)(13)计算。

在边界制导阶段，按照位置PD控制方式(参见注释)进行控制。设当前采样点位移坐标值为S，速度测量值为V，边界点的位移坐标为S0，此时采取制导控制律如下：

                u＝Ks(S0-S)-Kv*V                (15)

式中Ks为比例控制系数，Kv为微分控制系数。

上述Kp，Kd，Ki，Kps，Kds，Kis，Kpa，Kda，Kia，Ks，Kv等控制系数仅与电机的特性有关，与负载特性无关，经PID参数整定确定一组控制参数后，即可适用于不同重量的负载。

所述的位置PID控制、加速度PID控制和速度PID控制均是按照增量PID方式在数字控制器中实现。

下面结合应用实例对本发明的控制策略做进一步说明。

某型直线电机动子内磁石长度L＝24mm，速度测量的位移间隔为D＝2mm，则霍尔传感器阵列应包含的霍尔传感器数量为(24/2)+1＝13个，布置如图3所示。

直线电机定子长度800mm，动子长度600mm，行程677mm，门体负载重量80Kg。以2mm为间隔对行程进行划分，记动子反向运动到边界时位移坐标为0，正向运动到行程边界时位移坐标为676mm.

开门过程设置为：VH＝450mm/s，SH＝440mm，SL＝500mm，VL＝140mm/s.

关门过程设置为：VH＝-450mm/s，SH＝-220mm，SL＝-180mm，VL＝-120mm/s.

Kp，Kd，Ki，Kps，Kds，Kis，Kpa，Kda，Kia，Ks，Kv取值依次如下：

0.5，0.5，0.0039，0.9375，0.0625，0，0.5，0.5，0.125，20，2.5

按照图1所示的控制系统结构进行控制，在以ARM系列芯片LPC2138为中心处理单元的数字控制器上运行控制算法。

电机往返运动的控制流程如下：

1 使动子处于反向运动的边界位置，位移坐标值S、控制量u、速度测量v初始化，均设置为零；

2 LPC2138接收霍尔传感器方法阵列输出的脉冲，对脉冲按步长2mm累加得到动子的当前位移坐标值S；使

3 LPC2138内设置定时器，获得两次脉冲之间的时间间隔T，计算当前速度值V＝2mm/T；

4 执行分阶段控制方法

当S位于0到442之间时，使用公式(1)(2)(3)(4)(5)计算控制量u，并将其输出到电机驱动；

当S位于440到500之间时，使用公式(6)(7)(8)(9)(10)计算控制量u，并将其输出到电机驱动；

当S位于502到662之间时，使用公式(11)(12)(13)(14)(15)计算控制量u，并将其输出到电机驱动；

当S位于664到676之间时，使用公式(15)计算控制量u，并将其输出到电机驱动。此时动子位于正向运动的边界位置。

5 控制量u、速度测量v初始化，均设置为零；

6 LPC2138接收霍尔传感器方法阵列输出的脉冲，脉冲按步长2mm递减，得到动子的当前位移坐标值S；

7 LPC2138内设置定时器，获得两次脉冲之间的时间间隔T，计算当前速度值V＝-2mm/T；

8 执行分阶段控制方法

当S位于676到218之间时，使用公式(1)(2)(3)(4)(5)计算控制量u，并将其输出到电机驱动；

当S位于220到180之间时，使用公式(6)(7)(8)(9)(10)计算控制量u，并将其输出到电机驱动；

当S位于178到8之间时，使用公式(11)(12)(13)(14)(15)计算控制量u，并将其输出到电机驱动；

当S位于6到0之间时，使用公式(15)计算控制量u，并将其输出到电机驱动。此时动子位于反向运动的边界位置。

最终实现的正向运行曲线如图8所示，反向运动曲线如图9所示。

所给出的运动曲线，一方面实现了对图4所示规划曲线的跟踪，另一方面，到达边界点时速度同时降低到接近于0，控制无超调，在边界点实现了准确到位。

改变负载重量为120Kg，其它参数不变，重复往返控制过程，获得与图8、图9一致的运动曲线。

参考文献

[1]陶永华，新型PID控制及其应用，北京：机械工业出版社，2005.

[2]一种直流电机速度PID控制系统及其控制方法，专利号200810195264

注释：

速度PID控制根据期望速度值与实际速度值的差值，即速度误差，进行控制量计算，控制的目标是速度误差为零，具体的算法在文献[2]中有详细说明。位置PID控制和加速度PID控制均与速度PID控制在算法上有相同的形式，只是其中的速度误差分别替换为位置误差和加速度误差，控制的目标分别为位移误差为零和加速度误差为零。

Claims (4)

1.一种基于定步长速度测量的直线电机运动控制方法，其特征是使用等间隔排列的霍尔开关传感器阵列，进行直线电机的动子的位置和速度测量，实施分阶段往返运动控制；所述动子的位置测量是由中心控制器检测霍尔开关传感器阵列对动子运动时每移动一个固定位移间隔所输出的二进制串的脉冲跳变进行计数，发生正跳变和负跳变则位移值读数相应地增加或减小一个动子的固定位移间隔，通过累加正跳变和负跳变得到动子的位移坐标值；所述动子的速度测量是记录两次脉冲达到的时间间隔，由固定位移间隔值除以时间间隔以获得速度测量值，速度的方向由位移量的增减确定，位移增则速度为正，位移减则速度为负；所述动子由若干块磁石组成，所述霍尔开关传感器阵列包含的霍尔开关传感器数量为单块磁石的长度/固定位移间隔+1；所述控制依次包含高速匀速、减速、低速匀速和边界制导四个阶段，在上述四个阶段中分别实施位置PID控制方式、加速度PID控制方式、速度PID控制方式和位置PD控制方式；所述的位置PID控制方式、加速度PID控制方式和速度PID控制方式均是按照增量PID方式在数字控制器中实现；

所述位置PID控制方式是按给定期望速度，根据位置测量值形成误差量以计算控制量，期望速度为一恒定值VH，以脉冲值到达的时刻为采样点，设在当前采样点位移坐标值为S，位移误差eS计算为

eS＝S1+VH*T-S    (1)

式中，S为当前采样点位移坐标值，S1为前一个采样点的位移坐标，VH为期望运行速度，T为当前采样点与前一个采样点之间的时间间隔，前两个采样点处的位移误差eS1和eS2的计算为

eS1＝S2+VH*T1-S1     (2)

eS2＝S3+VH*T2-S2     (3)

式中S1，S2，S3分别为前三个采样点的位移坐标，T1，T2为从S3采样点开始的连续两个采样点之间的时间间隔，增量PID控制算法的计算公式如下：

du＝(Kps+Kds+Kis)*eS-(Kps+Kds+Kds)*eS1+Kps*eS2  (4)

u＝u1+du                                        (5)

式中du为控制量增量，u1为前一个采样点的控制量，u为当前采样点的控制量，Kps，Kds，Kis依次为比例控制系数、微分控制系数和积分控制系数，eS2，eS1，eS表示了连续三次采样点处的位移误差；

所述加速度PID控制方式是按期望速度的变化，根据速度测量值形成误差量以计算控制量，加速度误差通过速度误差的差分得到，减速阶段各位移点上期望速度的大小随位移量均匀减小，从高速匀速阶段的期望速度VH逐步变化到低速运动的期望速度值VL，每一坐标点处的期望速度计算为

Vd(i)＝VH-(VH-VL)*(S(i)-SH)/(SL-SH)        (6)

式中SH，SL分别为减速阶段的起始采样点坐标和结束采样点坐标，VH、VL分别为高速匀速阶段和低速匀速阶段的期望速度，i为减速阶段采样点的编号，从0开始递增，S(0)对应SH，在每一个采样点的速度误差e(i)计算为

e(i)＝Vd(i)-V(i)        (7)

式中Vd(i)为当前采样点的期望速度，由公式(6)计算，V(i)为当前采样点的速度测量值，每一采样点的加速度误差eA(i)可以通过差分得到

eA(i)＝e(i)-2*e(i-1)+e(i-2)        (8)

式中，e(i-2)，e(i-1)，e(i)表示了连续三个采样点上的速度误差，增量PID控制的计算公式如下：

du＝(Kpa+Kda+Kia)*eA(i)-(Kpa+Kda+Kda)*eA(i-1)+Kpa*eA(i-2) (9)

u(i)＝u(i-1)+du                                           (10)

式中du为控制量增量，u(i-1)表示前一个采样点的控制量，u(i)表示当前采样点的控制量，Kpa，Kda，Kia分别为比例控制系数、微分控制系数和积分控制系数，eA(i)，eA(i-1)，eA(i-2)表示连续三个采样点的加速度误差，均可通过公式(8)计算得到，在计算时公式中的i需分别替换为i-2，i-1和i；

所述速度PID控制方式是按给定期望速度，根据速度的测量值形成误差量以计算控制量，期望速度为一恒定值VL，假设在当前采样点上的速度测量值为V，速度误差计算为

e＝VL-V         (11)

同样可得前两个采样点处的速度误差e1和e2：

e1＝VL-V1    (12)

e2＝VL-V2    (13)

式中，设前一个采样点上给出的输出量为u1，使用增量PID控制算法计算当前的控制量u计算如下

du＝(Kp+Kd+Ki)*e-(Kp+Kd+Kd)*e1+Kp*e2     (13)

u＝u1+du                                 (14)

其中du为控制量增量，u1为前一个采样点的控制量，u为当前采样点的控制量，Kp，Kd，Ki依次为比例控制系数、微分控制系数和积分控制系数，e2，e1，e表示了连续三次采样点处的位移误差，e由公式(11)计算，e1，e2由公式(12)(13)计算；

所述位置PD控制方式是以动子运动的边界点为目标位置，根据位置测量值和速度测量值计算控制量，设当前采样点位移坐标值为S，速度测量值为V，边界点的位移坐标为S0，采取控制律如下：

u＝Ks(S0-S)-Kv*V         (15)

式中Ks为比例控制系数，Kv为微分控制系数。

2.根据权利要求1所述的基于定步长速度测量的直线电机运动控制方法，其特征是所述的动子运动的固定位移间隔，是在0.5mm～8mm内取值。

3.根据权利要求1所述的基于定步长速度测量的直线电机运动控制方法，其特征是所述的高速匀速阶段，是期望速度在250mm/s～700mm/s范围内取定值。

4.根据权利要求1所述的基于定步长速度测量的直线电机运动控制方法，其特征是所述的低速匀速阶段，是期望速度在50mm/s～150mm/s范围内取定值。

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