CN104167966A - 一种带有霍尔传感器定位的永磁直线电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有霍尔传感器定位的永磁直线电机控制方法，使用2个霍尔传感器判定动子所在的位置，并应用了一种新型的带稳定模块的永磁同步直线电机开环控制结构；稳定模块根据直流母线电流的扰动对输入频率进行调整，保证了在低速、高速运行以及动子遇到障碍电机负载增加时的系统稳定性；在这种开环控制结构中，结合永磁直线电机的等值电路，以及已知的电机参数选取逆变器输出的供电电压；通过空间电压矢量的调制得到开关管驱动信号，控制电机驱动供电。本发明具有成本低，算法简单、动子定位精度高等特点。

Description

一种带有霍尔传感器定位的永磁直线电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种带有霍尔传感器定位的永磁直线电机控制方法，属于电机控制技术。

背景技术

直线电机的发展经历了漫长的历史。早在1845年Wheatstone发明制作了略具雏形的直线电动机，到如今，已有近160年的历史了，在这段过程中，直线电机大致经过了探索试验、开发应用和使用商品化三个阶段。由于永磁直线电机具有推力大、效率高、结构简单、定位精度高、反应速度快和工作安全可靠等优点，在自动控制系统、自动化精密机床、工业机器人等场合都获得了广泛的应用。

永磁直线电机驱动系统一般采用光栅尺作为位置传感器，完成磁极位置检测、速度检测和系统定位3种功能。但是，位置传感器存在诸多缺点：一是高速高分辨率率的光栅尺的价格十分昂贵；二是位置传感器的性能易受高温、潮湿、振动等恶劣环境的影响；三是PMSLM的最高速度和定位精度受到光栅尺最高移动速度及分辨率的限制。因此，一种替代光栅尺的低成本控制技术在永磁直线电机的推广应用具有重要意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种带有霍尔传感器定位的永磁直线电机控制方法，是一种低成本、控制简单、系统稳定的永磁直线电机控制方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种带有霍尔传感器定位的永磁直线电机控制方法，该永磁直线电机的线圈侧设置有两个间隔90°电角度的霍尔传感器，两个霍尔传感器对应一对极的空间；具体包括如下步骤：

(1)通过霍尔传感器检测扫过的磁极数，每当霍尔传感器扫过一次N极，霍尔传感器会得到一个高/低电平，将霍尔传感器输出接入控制芯片，通过检测霍尔传感器扫过的磁极数确定线圈所对应的对极，由于两个霍尔传感器间隔90°电角度，可以感应出四个状态，从而进一步确定动子在此对极区间内的相对位置，分辨率为1/2的极间距；

(2)分辨动子所处对极区间后，确定电机输出转速，结合永磁直线电机的等值电路，以及已知的电机参数选取逆变器输出的供电电压，具体为：

$\stackrel{\→}{V_s}=\stackrel{\→}{E_m}+j{X}_d\stackrel{\→}{I_{\mathrm{ds}}}+j{X}_q\stackrel{\→}{I_{\mathrm{qs}}}+r_s\stackrel{\→}{I_s}---\left(1\right)$

其幅值形式为：

$\left|\stackrel{\→}{V_s}\right|=\left|\stackrel{\→}{I_s}\right|r_s\cos {\mathrm{\φ}}_0+\sqrt{E_s^2+{\left|\stackrel{\→}{I_s}\right|}^2{r_s}^2\cos {{\mathrm{\φ}}_0}^2-{\left|\stackrel{\→}{I_s}\right|}^2{r_s}^2}---\left(2\right)$

$\left|\stackrel{\→}{I_s}\right|\cos {\mathrm{\φ}}_0=\frac{2}{3}[i_{\mathrm{as}}\cos {\mathrm{\θ}}_e+i_{\mathrm{bs}}\cos ({\mathrm{\θ}}_e-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+i_{\mathrm{cs}}(\cos {\mathrm{\θ}}_e+\frac{2}{3}\mathrm{\π})]---\left(3\right)$

E_s＝2πf₀λ_m       (4)

其中：V_s为定子绕组端电压，E_m为空载电动势，E_s为定子磁链感生电势；I_ds、I_qs为电机电枢电流直轴、交轴分量，I_s为定子电流；i_as、i_bs、i_cs为定子侧三相电流；X_d、X_q为电机的直轴、交轴同步电抗；r_s为定子绕组电阻；φ₀为外功率因数角；θ_e为静止坐标系下电压矢量的相角；f₀为电机供电频率；λ_m为转子永磁磁链；

(3)检测直流母线电流的变化量，对输入频率进行调整，具体如下：

△ω_e＝-k_c*△i_dc     (5)

ω_e＝ω_e0+△ω_e      (6)

其中：△ω_e为频率调整值，ω_e0为频率设定参考值，ω_e为实际的供电频率；k_c的选取与供电频率f₀的大小相关，当供电频率低于3Hz时k_c为0，当供电频率高于3Hz时k_c取值为350/f₀；△i_dc是直流母线电流经过低通滤波后得到的变化量；频率设定参考值ω_e0与频率调整值△ω_e相叠加后得到实际的供电频率ω_e；

(4)通过对供电频率ω_e进行积分得到定子磁链所在位置，结合电压幅值分解得到α和β的两个分量，由获得的α和β的两个分量计算得到电压矢量所在扇区以及基准矢量所需作用的时间，从而驱动开关管关断，控制电机运行状态。

有益效果：本发明提供的带有霍尔传感器定位的永磁直线电机控制方法，减少了光栅尺的使用，因此降低了成本，扩展了其应用的场合；电机动子与定子的相对位置关系可以通过霍尔传感器检测得到，在带有稳定环的调速结构中，电机驱动系统对于转速、负载的变换具有很好的稳定性。

附图说明

图1为线圈侧两个霍尔传感器所在位置示意图；

图2为带有稳定模块的电机驱动控制框图；

图3为逆变器输出电压合成框图；

图4为稳定模块的实现框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种带有霍尔传感器定位的永磁直线电机控制方法，如图1所示，该永磁直线电机的线圈侧设置有两个间隔90°电角度的霍尔传感器(Hall_a和Hall_b)，两个霍尔传感器对应一对极的空间；具体包括如下步骤：

(1)通过霍尔传感器检测扫过的磁极数，每当霍尔传感器扫过一次N极，霍尔传感器会得到一个高/低电平，将霍尔传感器输出接入控制芯片，通过检测霍尔传感器扫过的磁极数确定线圈所对应的对极，由于两个霍尔传感器间隔90°电角度，可以感应出四个状态，从而进一步确定动子在此对极区间内的相对位置，分辨率为1/2的极间距；

(2)参见图2和图3，分辨动子所处对极区间后，确定电机输出转速，结合永磁直线电机的等值电路，以及已知的电机参数选取逆变器输出的供电电压，具体为：

$\stackrel{\→}{V_s}=\stackrel{\→}{E_m}+j{X}_d\stackrel{\→}{I_{\mathrm{ds}}}+j{X}_q\stackrel{\→}{I_{\mathrm{qs}}}+r_s\stackrel{\→}{I_s}---\left(1\right)$

其幅值形式为：

$\left|\stackrel{\→}{V_s}\right|=\left|\stackrel{\→}{I_s}\right|r_s\cos {\mathrm{\φ}}_0+\sqrt{E_s^2+{\left|\stackrel{\→}{I_s}\right|}^2{r_s}^2\cos {{\mathrm{\φ}}_0}^2-{\left|\stackrel{\→}{I_s}\right|}^2{r_s}^2}---\left(2\right)$

$\left|\stackrel{\→}{I_s}\right|\cos {\mathrm{\φ}}_0=\frac{2}{3}[i_{\mathrm{as}}\cos {\mathrm{\θ}}_e+i_{\mathrm{bs}}\cos ({\mathrm{\θ}}_e-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+i_{\mathrm{cs}}(\cos {\mathrm{\θ}}_e+\frac{2}{3}\mathrm{\π})]---\left(3\right)$

E_s＝2πf₀λ_m      (4)

其中：V_s为定子绕组端电压，E_m为空载电动势，E_s为定子磁链感生电势；I_ds、I_qs为电机电枢电流直轴、交轴分量，I_s为定子电流；i_as、i_bs、i_cs为定子侧三相电流；X_d、X_q为电机的直轴、交轴同步电抗；r_s为定子绕组电阻；φ₀为外功率因数角；θ_e为静止坐标系下电压矢量的相角；f₀为电机供电频率；λ_m为转子永磁磁链；

(3)检测直流母线电流的变化量，对输入频率进行调整，具体如下：

△ω_e＝-k_c*△i_dc      (5)

ω_e＝ω_e0+△ω_e       (6)

其中：△ω_e为频率调整值，ω_e0为频率设定参考值，ω_e为实际的供电频率；k_c的选取与供电频率f₀的大小相关，当供电频率低于3Hz时k_c为0，当供电频率高于3Hz时k_c取值为350/f₀；△i_dc是直流母线电流经过低通滤波后得到的变化量；频率设定参考值ω_e0与频率调整值△ω_e相叠加后得到实际的供电频率ω_e；

(4)通过对供电频率ω_e进行积分得到定子磁链所在位置，结合电压幅值分解得到α和β的两个分量，由获得的α和β的两个分量计算得到电压矢量所在扇区以及基准矢量所需作用的时间，从而驱动开关管关断，控制电机运行状态。

下面结合实施例对本发明做出进一步的说明。

对于自动门、电梯等永磁直线电机颇具前景的应用场合，一般需要电机驱动系统在不同的位置区间以不同的速度运动，这就需要直线电机具备能够调速以及带载稳定的能力。本案通过两个霍尔传感器得到精确的动子、定子相对位置。

一种带有霍尔传感器定位的永磁直线电机控制系统，在线圈侧带有两个间隔90°电角度的Hall传感器辨识模块1，还包括逆变器输出电压计算模块2、控制频率稳定模块3和电压空间矢量调制环节4。根据两个Hall传感器辨识模块1确定动子所处的位置，从而通过所处的位置给定永磁直线电机的供电频率。结合已知的电机的参数，调用逆变器输出电压计算模块2，得到逆变器输出电压值。永磁直线电机驱动系统带有控制频率稳定模块3，在低速、高速运行以及玻动子遇到障碍电机负载突然改变时，会相应调整供电频率的参考值，使电机拖动系统不至于失稳。得到经过逆变器输出电压计算模块2和控制频率稳定模块3调整后的电压幅值和频率后，经由电压空间矢量调制环节4，驱动永磁直线电机。

如图1所示，首先检测霍尔传感器扫过的磁极数判断动子、定子对应于哪一对磁极位置，在该对极所对应的[0°,360°]对角区间内，两个霍尔传感器安装在90°和180°的位置，动子、定子相对位置的不同([0°,90°]，[90°,180°]，[180°,270°]，[270°,360°])可以从这两个霍尔传感器感应到4个不同的状态(11,01,00,10)，处理器可以通过传感器状态组合值的不同判别动子、定子的相对位置。

通过检测直流母线侧电流的变化调整逆变器供电频率，当所检测到的直流侧电流增加时，控制频率稳定模块3输出为负值，降低输出的逆变器供电频率，当电流减少时，控制频率稳定模块3输出为正值，则适度增加逆变器供电频率。

默认定子初始磁链方向在α轴，通过对供电频率积分得到定子磁链所在位置，结合电压幅值，分解得到α和β的两个分量，由获得的两个分量计算得到电压矢量所在扇区以及基准矢量所需作用的时间，从而驱动开关管关断，控制电机运行状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种带有霍尔传感器定位的永磁直线电机控制方法，其特征在于：该永磁直线电机的线圈侧设置有两个间隔90°电角度的霍尔传感器，两个霍尔传感器对应一对极的空间；具体包括如下步骤：

(1)通过霍尔传感器检测扫过的磁极数，每当霍尔传感器扫过一次N极，霍尔传感器会得到一个高/低电平，将霍尔传感器输出接入控制芯片，通过检测霍尔传感器扫过的磁极数确定线圈所对应的对极，由于两个霍尔传感器间隔90°电角度，可以感应出四个状态，从而进一步确定动子在此对极区间内的相对位置，分辨率为1/2的极间距；

(2)分辨动子所处对极区间后，确定电机输出转速，结合永磁直线电机的等值电路，以及已知的电机参数选取逆变器输出的供电电压，具体为：

$\stackrel{\→}{V_s}=\stackrel{\→}{E_m}+j{X}_d\stackrel{\→}{I_{\mathrm{ds}}}+j{X}_q\stackrel{\→}{I_{\mathrm{qs}}}+r_s\stackrel{\→}{I_s}---\left(1\right)$

其幅值形式为：

$\left|\stackrel{\→}{V_s}\right|=\left|\stackrel{\→}{I_s}\right|r_s\cos {\mathrm{\φ}}_0+\sqrt{E_s^2+{\left|\stackrel{\→}{I_s}\right|}^2{r_s}^2\cos {{\mathrm{\φ}}_0}^2-{\left|\stackrel{\→}{I_s}\right|}^2{r_s}^2}---\left(2\right)$

$\left|\stackrel{\→}{I_s}\right|\cos {\mathrm{\φ}}_0=\frac{2}{3}[i_{\mathrm{as}}\cos {\mathrm{\θ}}_e+i_{\mathrm{bs}}\cos ({\mathrm{\θ}}_e-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+i_{\mathrm{cs}}(\cos {\mathrm{\θ}}_e+\frac{2}{3}\mathrm{\π})]---\left(3\right)$

E_s＝2πf₀λ_m     (4)

其中：V_s为定子绕组端电压，E_m为空载电动势，E_s为定子磁链感生电势；I_ds、I_qs为电机电枢电流直轴、交轴分量，I_s为定子电流；i_as、i_bs、i_cs为定子侧三相电流；X_d、X_q为电机的直轴、交轴同步电抗；r_s为定子绕组电阻；φ₀为外功率因数角；θ_e为静止坐标系下电压矢量的相角；f₀为电机供电频率；λ_m为转子永磁磁链；

(3)检测直流母线电流的变化量，对输入频率进行调整，具体如下：

△ω_e＝-k_c*△i_dc     (5)

ω_e＝ω_e0+△ω_e       (6)

其中：△ω_e为频率调整值，ω_e0为频率设定参考值，ω_e为实际的供电频率；k_c的选取与供电频率f₀的大小相关，当供电频率低于3Hz时k_c为0，当供电频率高于3Hz时k_c取值为350/f₀；△i_dc是直流母线电流经过低通滤波后得到的变化量；频率设定参考值ω_e0与频率调整值△ω_e相叠加后得到实际的供电频率ω_e；

(4)通过对供电频率ω_e进行积分得到定子磁链所在位置，结合电压幅值分解得到α和β的两个分量，由获得的α和β的两个分量计算得到电压矢量所在扇区以及基准矢量所需作用的时间，从而驱动开关管关断，控制电机运行状态。