CN105591588A - 永磁同步直线电机及其控制装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于永磁同步直线电机的控制装置。该永磁同步直线电机包括动子和定子，其中动子可动地安装于定子。控制装置包括信号采集模块、无线信号发射模块和无线信号接收模块，其中信号采集模块用于采集关于动子所在位置的信号，无线信号发射模块和信号采集模块通信连接并用于将动子所在位置的信号无线发送到无线信号接收模块，电机控制器与无线信号接收模块通信连接并基于无线信号接收模块收到的关于动子所在位置的信号对电机驱动器进行控制，进而控制永磁同步直线电机的运行。本发明有助于简化永磁同步直线电机动子的结构设计，进一步提高直线电机速度和定位精度，延长电机使用寿命。

Description

永磁同步直线电机及其控制装置和控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术，具体涉及永磁同步直线电机的控制装置。

背景技术

在高速永磁同步直线电机中，为保证电机高速度运行及系统效率，除了需要驱动装置提供较大的驱动能力之外，还需要精简电机动子部分运动部件的结构，减轻运动部件的质量，以使电机得到较高的加速度。

通常，永磁同步直线电机按动定子长度可分为：长定子-短动子、长动子-短定子。按线圈和磁钢相对运动可分为：动磁钢-定线圈以及动线圈-定磁钢。为了减轻电机动子部分运动部件质量，长定子和动磁钢组合方式是最好的选择。目前，电机动子的位置检测用位置传感器主要为磁栅尺或光栅尺。对于长行程的直线电机，这两种位置检测传感器价格都比较昂贵的，而且传感器读头都采用电缆进行供电和传输位移信号。因此，不管是哪种组合方式，都无法避免从运动部件上引出线缆。

电机引出线缆处理的一般方法是采用线缆拖链，但拖链有其最高速度限制。以德国易格斯拖链为例，其最高运行速度不超过5m/s。同时，拖链的使用增加了电机结构的复杂度、降低可靠性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有高速永磁同步直线电机动子位置采用有线缆拖链的位移传感器进行检测时存在最高速度限制、动子结构复杂、可靠性低以及位置检测传感器成本高等不足。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于永磁同步直线电机的控制装置，所述永磁同步直线电机包括动子和定子，其中，所述动子可相对所述定子直线运动，所述控制装置包括电机驱动器和电机控制器，所述电机控制器与所述电机驱动器通信连接。所述控制装置还包括信号采集模块、无线信号发射模块和无线信号接收模块，其中所述信号采集模块用于采集关于所述动子所在位置的信号，所述无线信号发射模块和所述信号采集模块通信连接并用于将所述动子所在位置的信号无线发送到所述无线信号接收模块，所述电机控制器与所述无线信号接收模块通信连接并基于所述无线信号接收模块收到的关于所述动子所在位置的信号对所述电机驱动器进行控制，进而控制所述永磁同步直线电机的运行。

一实施例中，所述电机控制器进一步对所述无线信号接收模块收到的关于所述动子所在位置的信号进行处理，然后基于该处理得到的信号对所述电机驱动器进行控制，进而控制所述永磁同步直线电机的运行。

一实施例中，所述永磁同步直线电机类型为长定子-短动子类型。

一实施例中，所述信号采集模块包括安装于所述动子上的霍尔传感器和安装于所述定子上的检测用磁钢或磁条。

一实施例中，所述霍尔传感器与所述检测用磁钢或磁条之间的距离为1mm～5mm。

一实施例中，所述检测用磁钢或磁条的极距与所述动子的磁钢的极距相同。

一实施例中，所述信号采集模块包括3个霍尔传感器，所述3个霍尔传感器互差120度电角度。

一实施例中，所述无线信号发射模块包括第一MCU、第一信号调理电路和无线数字传送电路，所述第一信号调理电路和第一MCU电连接并用于将所述霍尔传感器所采集到的关于所述动子所在位置的信号转换成数字信号，所述第一MCU通过串行外设接口与所述无线数字传送电路连接，以及所述无线数字传送电路与所述无线信号接收模块通信连接。

一实施例中，所述第一信号调理电路为模拟-数字转换电路。

一实施例中，所述第一MCU通过中断方式检测所述霍尔传感器的电平输出信号，并对所述电平输出信号进行编码和滤波，从而得到与所述动子运动方向相对应的位置编码序列。

一实施例中，所述无线发送模块安装在所述动子的内部。

一实施例中，所述电机控制器包括第二MCU和第二信号调理电路，其中所述第二信号调理电路和所述第二MCU电连接并用于对来自所述无线信号发射模块的信号进行解码，然后发送给驱动器实现所述永磁同步直线电机的运行控制。

一实施例中，所述无线信号发射模块包括第一MCU、第一信号调理电路和无线数字传送电路，所述第一信号调理电路和第一MCU电连接并用于将所述霍尔传感器所采集到的关于所述动子所在位置的信号转换成数字信号，所述第一MCU通过串行外设接口与所述无线数字传送电路连接，以及所述无线数字传送电路与所述无线信号接收模块通信连接，其中所述第一MCU通过中断方式检测所述霍尔传感器的电平输出信号，并对所述电平输出信号进行编码和滤波，从而得到与所述动子运动方向相对应的位置编码序列；以及所述第二信号调理电路和所述第二MCU对来自所述无线信号发射模块的所述位置编码序列进行解码，并将解码后的位置编码序列作为换相信号输入所述电机驱动器，实现所述永磁同步直线电机的运行控制。

一实施例中，解码后的位置编码序列为所述动子的六状态位置信号。

根据本发明的另一方面，还提供了一种永磁同步直线电机的控制方法，所述永磁同步直线电机包括动子、定子、电机驱动器和电机控制器，其中，所述动子可相对所述定子直线运动，所述电机控制器与所述电机驱动器通信连接。所述控制方法包括如下步骤：

A、采集所述动子所在位置的信号；

B、将所述信号处理后通过无线通讯方式发送给电机控制器；以及

C、所述电机控制器对步骤B中处理过的信号进行进一步处理，然后基于该处理得到的信号对所述电机驱动器进行控制，进而控制所述永磁同步直线电机的运行。

根据本发明的又一方面，还提供了一种永磁同步直线电机的控制方法。所述永磁同步直线电机包括动子、定子、电机驱动器和电机控制器，其中，所述动子可相对所述定子直线运动，所述电机控制器与所述电机驱动器通信连接。所述控制方法包括如下步骤：

步骤S1：采集动子的位置信号；

步骤S2：将采集到的动子位置信号转化为数字信号；

步骤S3：将该数字信号转换为位置编码序列；

步骤S4：对该位置编码序列进行差分处理计算出电机的运行速度；

步骤S5：将该位置编码序列复原成动子位置信号；

步骤S6：将复原的动子位置信号与前一状态的动子位置信号比较确定电机的运行方向；以及

步骤S7：根据电机的运行方向和运行速度来驱动电机驱动器将动子运动到目标位置。

一实施例中，步骤S1中，通过安装在动子上的开关霍尔传感器和安装在定子上的检测磁钢或磁条形成的霍尔信号采集模块采集动子的位置信号，即一对极距下获得的六个扇区信号与电机正反转状态对应。

一实施例中，步骤S2中，通过无线信号发射模块中的第一信号调理电路将动子的位置信号转化为数字信号。

一实施例中，步骤S3中，在无线信号发射模块的第一MCU中将数字信号编码和滤波处理转化为与动子运动方向相对应的位置编码序列。

一实施例中，步骤S4中，位置编码系统通过无线通讯方式发送到电机控制器，电机控制器对接收到的位置编码序列进一步进行差分处理计算出电机的运行速度，同时结合计算出的速度对位置信号进行细分，获得更加高精度的位置信号，在第二MCU14中实现速度环和位置环控制。

一实施例中，步骤S5中，通过电机控制器的第二信号调理电路和第二MCU对动子的位置编码序列复原成六个动子状态位置信号。

一实施例中，步骤S6中，将复原的动子位置信号与动子的前一状态位置信号比较确定电机的运行方向。

一实施例中，步骤S7中，结合电机控制器读取到的电机驱动器控制状态，电机控制器将控制命令发送给电机驱动器，电机驱动器驱动动子运行到目标位置。

根据本发明的还一方面，还提供了一种永磁同步直线电机。该永磁同步直线电机包括上述的控制装置或者通过上述的控制方法进行控制。

本发明的有益效果是：

本发明的永磁同步直线电机及其控制装置和控制方法中，通过采用无线的方式来获取位置信号，避免了有线方式所带来的最高运行速度限制，其最高运行速度可以达到20m/s。同时，本发明的永磁同步直线电机实现方式简单，其价格低廉，消除了电机动子位置检测传感器线缆存在所带来的影响，简化了电机动子结构，减轻了电机动子的质量，提高了电机运行的速度和可靠性。本发明的永磁同步直线电机可用于高速度直线电磁弹射装置中，更轻的弹射平台，可以发射更大的负载，提供更高的加速度和速度。

附图说明

图1为根据本发明的一实施例的高速永磁同步直线电机的系统框图。

图2为图1中的霍尔信号采集模块中霍尔传感器与磁钢的相对位置示意图。

图3为图1中的无线信号发射模块的电路结构示意图。

图4为图1中的电机控制器和无线信号接收模块及电机驱动器的结构示意图。

图5为霍尔传感器六个状态及正、反向检测示意图。

图6示出根据本发明的一实施例的永磁同步直线电机的控制方法的流程图。

图7示出根据本发明的永磁同步直线电机的控制方法的一具体实施例的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

图1示出根据本发明的一实施例的高速永磁同步直线电机100的系统框图。高速永磁同步直线电机100包括电机主体1和控制装置，控制装置用于控制电机主体的运行。电机主体1包括动子和定子(图未示)，动子可动地安装于定子上。控制装置包括电机控制器5和电机驱动器6，其中，电机控制器5与电机驱动器6通信连接，从而电机驱动器6在电机控制器5的控制下驱动动子运动。

如图1所示，永磁同步直线电机的控制装置还包括霍尔信号采集模块2、无线信号发射模块3和无线信号接收模块4，其中所述霍尔信号采集模块2与所述无线信号发送模块3电连接并用于采集关于动子所在位置的信号。无线信号发射模块3与无线信号接收模块4通信连接并用于将动子所在位置的信号无线发送到无线信号接收模块4。电机控制器5与无线信号接收模块4通信连接并对无线信号接收模块4收到的关于动子所在位置的信号进行处理，然后基于该处理得到的信号对电机驱动器6进行控制，进而控制永磁同步直线电机100的运行。

本文中，动子的位置信号采集和传输通过无线方式来实现。应理解的是，为了实现无线的信号采集和传输，除了采用上述的霍尔信号采集模块等之外，还可以采用多种其它方式来实现，例如增量式编码器、绝对式编码器等反馈装置。

以下对组成本发明的永磁同步直线电机的控制装置的各模块进行详细描述。

霍尔信号采集模块

如图2所示，霍尔信号采集模块2包含3个安装于所述动子上互成120度电角度的开关霍尔传感器7和安装于定子轨道上的检测用磁钢(或磁条)8。磁钢8的极距与动子磁钢的极距相一致。开关霍尔传感器7与磁钢8保证一定的距离D，确保开关霍尔传感器7能可靠地检测到磁钢8磁场。开关霍尔传感器7检测到的位置信号与动子磁钢相对于定子线圈的移动位置相对应。

开关霍尔传感器7随着动子运动能检测到磁钢8极性的变化，即在一对极距下(一个电周期)获取六个扇区(101、100、110、010、011、001)信号，每个扇区为60度电角度，这六个扇区信号与电机正反向运动状态相对应。

如图5所示，在一个电周期中，开关霍尔传感器产生6个状态，如下：

正方向运动时：

101100110010011001

反方向运动时：

101001011010110100

一实施例中，本发明所采用霍尔信号采集模块可以由磁栅尺与位置检测装置(读头)组成，位置检测装置与磁栅尺无接触，采用光感应或者磁感应的方式将两者位置关系转换为电信号输出。位置检测装置可安装在动子上，磁栅尺可安装于定子上。

应理解，霍尔开关位置传感器也可以由绝对式编码器或增量编码器来替代，通过将传感器读头安装于动子上，并通过无线信号发射模块的第一MCU将所采集的动子位置信号处理成数字信号，便于通过无线发射模块进行数据传输。

本发明所用信号采集模块可作为位置检测装置直接读取位置信号，也可作为上述其他类型位置传感器位置数据采集终端。

无线信号发射模块

如图3所示，无线信号发射模块3包括第一MCU10、第一信号调理电路11和无线数字发送电路13，所述第一信号调理电路11与第一MCU10电连接并用于将所述开关霍尔传感器7所采集到的动子所在位置信号转换成数字信号。第一MCU10通过中断方式(即捕获中断或者IO电平跳变中断)检测开关霍尔传感器7的电平输出变化，经过编码，滤波等处理获得与动子运动方向相对应的位置编码序列，再通过第一串行外设接口(SPI)12将动子运动位置编码序列传送到无线数字发送电路13。无线数字发送电路13再将动子运动位置编码序列传送到图4中无线信号接收模块14。

一实施例中，无线信号发射模块与信号采集模块通过印刷电路连线的方式连接，作为一个整体安装于定子上。

无线信号接收模块

无线信号接收模块14安装在电机驱动器外部。如图4所示，无线信号接收模块4接收到无线数字发送电路13发送过来的位置信息，再通过第二串行外设接口(SPI)17将动子运动位置编码序列发送到第二MCU15。图中所示的实施例中，无线信号接收模块为一单独的元件或电路。应理解的是，无线信号接收模块可以集成于电机控制器5中。

电机控制器和电机驱动器

图4示出图1的电机控制器5的结构示意图及其与无线信号接收模块14和电机驱动器6的连接示意图。如图4所示，电机控制器5包括第二MCU15、第二信号调理电路16、驱动控制I/O模块18和19，及人机接口模块22，其中从无线信号接收模块14接收到的动子运动位置编码序列通过第二串行外设接口17传送到第二信号调理电路16。第二信号调理电路16和第二MCU15对所述的动子运动位置编码序列进行解码，复原成六个状态位置信号，作为换相信号通过电机驱动器的反馈接口送入电机驱动器实现电机的控制运行。另外，通过对位置编码序列进行分析，例如如图5所示，根据当前状态与上一时刻状态进行比较，对比正反方向运动时正常的编码序列，可确定电机运动方向。进一步地，电机控制器5对接收到的位置编码序列进一步进行差分处理，计算出电机运行速度，同时结合计算出的速度对位置信号进行细分，获得更加高精度的位置信号，在第二MCU14中进行速度环和位置环控制。

电机控制器5的控制接口18与电机驱动器6的控制接口21连接，用于将电机控制器5的控制命令发送给电机驱动器6，同时读取电机驱动器6的控制状态。电机控制器5的位置反馈输出接口19与电机驱动器的反馈接口20相连，将电机控制器5的位置反馈信号传送至电机驱动器6。电机驱动器6接收来自电机控制器5的控制命令实现对动子的控制，同时电机驱动器6将电机的控制状态反馈给电机控制器5。人机接口模块22对永磁同步直线电机100进行外部复位、启动、停止等操作。

上述实施例中，较佳地，信号采集模块、无线信号发射模块以及无线信号接收模块嵌入电机动子运动部件底部。然而，应理解的是，上述信号采集模块、无线信号发射模块以及无线信号接收模块也可以安装在电机的任何合适的地方。

另外，上述实施例中，信号采集模块、无线信号发射模块以及无线信号接收模块为分开的单独模块。应理解，也可以将它们的两个或全部集成在一起，或者也可以与电机控制器等集成在一起。

图6示出根据本发明的一实施例的永磁同步直线电机的控制方法的流程图。该控制方法包括如下步骤：

A、采集所述动子所在位置的信号；

B、将所述信号处理后通过无线通讯方式发送给电机控制器；以及

C、所述电机控制器对步骤B中处理过的信号进行进一步处理，然后基于该处理得到的信号对所述电机驱动器进行控制，进而控制所述永磁同步直线电机的运行。

步骤A中，可以通过在永磁同步直线电机的动子中安装信号采集装置来实现。具体地，可通过霍尔效应检测永磁同步直线电机的电气角度，例如通过霍尔传感器来采集永磁同步直线电机的电气角度。

步骤B中，可通过采用无线信号发射模块和无线信号接收模块来将上述信号(例如电机的电气角度)以无线通讯方式传送给电机驱动器，用作电机控制信号，控制电机运行。一实施例中，信号采集模块所采集的信息传递到无线信号接收模块时，可经由无线信号发射模块转换为数字信号再传送给无线信号接收模块。无线信号发射模块还可将数字信号编码和滤波处理转化为与动子运动方向相对应的位置编码序列再发送给无线信号接收模块。这里，无线信号接收模块可以是一个单独的模块，也可以是集成于电机控制器。

步骤C中，电机控制器对来自无线信号接收模块的信号进行处理，该信号可以是未经处理的有关动子位置的信号，也可以是经由无线信号发射模块处理过的信号。

一实施例中，如图7所示，上述控制方法可包括如下步骤：

步骤S1：通过安装在动子上的开关霍尔传感器和安装在定子上的检测磁钢(磁条)形成的霍尔信号采集模块采集动子的位置信号，即一对极距下获得的六个扇区信号与电机正反转状态对应。

步骤S2：通过无线信号发射模块中的第一信号调理电路将动子的位置信号转化为数字信号。

步骤S3：在无线信号发射模块的第一MCU中将数字信号编码和滤波处理转化为与动子运动方向相对应的位置编码序列。

步骤S4：位置编码系统通过无线通讯方式发送到电机控制器，电机控制器对接收到的位置编码序列进行差分处理计算出电机的运行速度，同时结合计算出的速度对位置信号进行细分，获得更加高精度的位置信号，在第二MCU14中实现速度环和位置环控制。

步骤S5：通过电机控制器的第二信号调理电路和第二MCU对动子的位置编码序列复原成六个状态动子位置信号。

步骤S6：将复原的动子位置信号与前一状态的动子位置信号比较确定电机的运行方向。

步骤S7：结合电机控制器读取到的电机驱动器控制状态，电机控制器将控制命令发送给电机驱动器，电机驱动器驱动动子运行到目标位置。

本发明的永磁同步直线电机的控制装置采用价格低廉的电子芯片和磁钢组成的检测动子位置的信号采集模块，将信号采集模块所采集到的电机动子位置信号在无线信号发射模块中编码成位移数据，并由无线信号发射模块发送给电机控制器，电机控制器根据所接收的信号来相应地控制电机驱动器。由此，实现了电机动子位移信号的无线传输，只需要一组位置传感器即可准确检测弹射平台装置的位置。采用无线传输来检测动子(次级)的空间位置，避免了有源电线布置问题，从而进一步提高直线电机速度和定位精度，延长了使用寿命。以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (13)

1.一种用于永磁同步直线电机的控制装置，所述永磁同步直线电机包括动子和定子，其中，所述动子可相对所述定子直线运动，所述控制装置包括电机驱动器和电机控制器，所述电机控制器与所述电机驱动器通信连接，其特征在于：所述控制装置还包括信号采集模块、无线信号发射模块和无线信号接收模块，其中所述信号采集模块用于采集关于所述动子所在位置的信号，所述无线信号发射模块和所述信号采集模块通信连接并用于将所述动子所在位置的信号无线发送到所述无线信号接收模块，所述电机控制器与所述无线信号接收模块通信连接并基于所述无线信号接收模块收到的关于所述动子所在位置的信号对所述电机驱动器进行控制，进而控制所述永磁同步直线电机的运行。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述信号采集模块包括安装于所述动子上的霍尔传感器和安装于所述定子上的检测用磁钢或磁条。

3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述霍尔传感器与所述检测用磁钢或磁条之间的距离为1mm～5mm。

4.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述检测用磁钢或磁条的极距与所述动子的磁钢的极距相同。

5.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述信号采集模块包括3个霍尔传感器，所述3个霍尔传感器互差120度电角度。

6.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述无线信号发射模块包括第一MCU、第一信号调理电路和无线数字传送电路，所述第一信号调理电路和第一MCU电连接并用于将所述霍尔传感器所采集到的关于所述动子所在位置的信号转换成数字信号，所述第一MCU通过串行外设接口与所述无线数字传送电路连接，以及所述无线数字传送电路与所述无线信号接收模块通信连接。

7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述第一MCU通过中断方式检测所述霍尔传感器的电平输出信号，并对所述电平输出信号进行编码和滤波，从而得到与所述动子运动方向相对应的位置编码序列。

8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述无线发送模块安装在所述动子的内部。

9.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述电机控制器包括第二MCU和第二信号调理电路，其中所述第二信号调理电路和所述第二MCU电连接并用于对来自所述无线信号发射模块的信号进行解码，然后发送给驱动器实现所述永磁同步直线电机的运行控制。

10.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述无线信号发射模块包括第一MCU、第一信号调理电路和无线数字传送电路，所述第一信号调理电路和第一MCU电连接并用于将所述霍尔传感器所采集到的关于所述动子所在位置的信号转换成数字信号，所述第一MCU通过串行外设接口与所述无线数字传送电路连接，以及所述无线数字传送电路与所述无线信号接收模块通信连接，其中所述第一MCU通过中断方式检测所述霍尔传感器的电平输出信号，并对所述电平输出信号进行编码和滤波，从而得到与所述动子运动方向相对应的位置编码序列；以及所述第二信号调理电路和所述第二MCU对来自所述无线信号发射模块的所述位置编码序列进行解码，并将解码后的位置编码序列作为换相信号输入所述电机驱动器，实现所述永磁同步直线电机的运行控制。

11.一种永磁同步直线电机的控制方法，所述永磁同步直线电机包括动子、定子、电机驱动器和电机控制器，其中，所述动子可相对所述定子直线运动，所述电机控制器与所述电机驱动器通信连接，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

A、采集所述动子所在位置的信号；

B、将所述信号处理后通过无线通讯方式发送给电机控制器；以及

C、所述电机控制器对步骤B中处理过的信号进行进一步处理，然后基于该处理得到的信号对所述电机驱动器进行控制，进而控制所述永磁同步直线电机的运行。

12.一种永磁同步直线电机的控制方法，所述永磁同步直线电机包括动子、定子、电机驱动器和电机控制器，其中，所述动子可相对所述定子直线运动，所述电机控制器与所述电机驱动器通信连接，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

步骤S1：采集动子的位置信号；

步骤S2：将采集到的动子位置信号转化为数字信号；

步骤S3：将该数字信号转换为位置编码序列；

步骤S4：对该位置编码序列进行差分处理计算出电机的运行速度；

步骤S5：将该位置编码序列复原成动子位置信号；

步骤S6：将复原的动子位置信号与前一状态的动子位置信号比较确定电机的运行方向；以及

步骤S7：根据电机的运行方向和运行速度来驱动电机驱动器将动子运动到目标位置。

13.一种永磁同步直线电机，其特征在于，所述永磁同步直线电机包括权利要求1-10中任一项所述的控制装置或者通过权利要求11和12任一项所述的控制方法进行控制。