CN107465373B - 基于线性霍尔传感器的直线电机自动门矢量控制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于线性霍尔传感器的直线电机自动门矢量控制的方法，包括：通过两个相差90°的线性霍尔传感器检测直线电机的反电动势进行矢量控制：根据所述反电动势计算直线电机的电角度；根据电角度的差值反馈计算得到直线电机的运行速度和需要运行的总行程；将直线电机的反馈计算的运行速度与给定速度进行比较得到速度差值，通过速度控制环的PID控制后得到输出转矩电流Iqref，并且令励磁电流Idref=0，将输出转矩电流Iqref和励磁电流Idref=0作为转矩控制环的输入，再通过转矩控制环生成控制直线电机所需要的电压输出，使直线电机的运行速度跟随给定速度的变化而变化。本发明具有精度高、成本低、算法易于实现的优点。

Description

基于线性霍尔传感器的直线电机自动门矢量控制的方法
技术领域
本发明属于直线电机的控制方法，具体涉及一种基于线性霍尔传感器的直线电机自动门矢量控制的方法。
技术背景
在永磁直线电机伺服控制系统中，无论采用任何方式，都需要精确检测出电机动子位置。可以说位置检测部分是伺服控制系统中非常关键的组成部分，直接影响着电机控制精度和系统运行性能。目前，在直线运动控制系统中，最常见的位置检测方法是采用直线光栅，但是光栅的成本很高，对安装要求也很高；也有增加额外机械结构，将直线运动转变成旋转运动，然后用旋转编码器进行位置检测的方法，显然该方法在成本和精度上都存在缺点；还有采用无位置检测的方法，但是目前所有无位置检测方法的在电机低速段效果都不是很理想——速度控制不稳定，启动时候容易反转和抖动。而直线电机恰恰需要频繁的起动和停止，采用无位置检测方法获得理想的效果难度较大，尚未有实用的解决方案提出。
使用直线电机作为门体驱动部件是自动门驱动领域的一个新兴技术。由于直线电机响应速度快，无机械接触得固有特点，将能够使自动门平稳性、噪声特性、安全性能和使用寿命得到全面提高。但是市场上常见的直线电机具有行程短，测量反馈元件昂贵的特点，不适合自动门的大行程运行，也不适合其复杂恶劣的工作环境和低成本要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种精度高、成本低、算法易于实现的基于线性霍尔传感器的直线电机自动门矢量控制的方法。
实现本发明目的采用的技术方案为：
本发明提供的基于线性霍尔传感器的直线电机自动门矢量控制的方法，包括：通过两个相差90°的线性霍尔传感器检测直线电机的反电动势进行矢量控制：根据所述反电动势计算直线电机的电角度；根据在固定时间内电角度的差值反馈计算得到直线电机的运行速度和需要运行的总行程；将直线电机的反馈计算的运行速度与直线电机的给定速度进行比较得到速度差值，将速度差值通过速度控制环的PID控制后得到输出转矩电流Iqref，并且令励磁电流Idref=0，将输出转矩电流Iqref和励磁电流Idref=0作为转矩控制环的输入，再通过转矩控制环生成控制直线电机所需要的电压输出，使直线电机的运行速度跟随给定速度的变化而变化，以达到速度控制的目的。
所述直线电机的给定速度通过外部设置的给定速度和检测直线电机运动总行程确定。
所述转矩控制环的电压输出是在采集直线电机的伺服驱动器输出的两相电流Ia和Ib后，通过clarke变换和Park变换分解成与力矩有关的转矩分量Iq和与磁通有关的励磁分量Id，将转矩分量Iq和励磁分量Id分别与所述输出转矩电流Iqref和所述励磁电流Idref进行比较计算得出其差值，进行所述PID控制，输出励磁电压Ud和转矩电压Uq，再进行Park逆变换，输出两相旋转坐标下的电压Ua、Ub, 作为SVPWM的输入，经过SVPWM控制运算输出控制直线电机所需要的电压输出，使直线电机输出力矩跟随转矩给定的变化而变化，以达到转矩控制的目的。
所述线性霍尔传感器的输出电压采用基于小波分解的在线速度滤波技术，所述PID控制输出转矩电流、转矩控制环生成控制直线电机所需要的电压输出控制过程中加入低通滤波控制。
所述矢量控制采用DSP芯片完成。
有益效果
本发明的特点之一是矢量控制中以转矩控制环为内环，速度控制环为外环，外环通过调节后的输出作为内环调节的输入，从而达到控制直线电机的目的。
本发明具有精度高、算法易于实现的优点，线性霍尔检测角度误差为2度以内，精度满足要求。
目前直线电机一般使用光栅尺作为主要测量元件，其测量精度高，不需要复杂滤波，但是对于自动门这类长距离的应用，成本过高，安装复杂。本发明以软件复杂性替代硬件复杂性，硬件成本可以降低80%以上。
本发明应用在直线电机自动门的控制上，取代了传统旋转电机结合减速齿轮的驱动方式，可使整个门机系统结构更加简单，无系统机械摩擦，使系统稳定性和可靠性更高，安全性能更好。
本发明应用在磁悬浮自动门上具有节能、静音、环保、寿命长、安全可靠，不会对人体造成伤害等特点。这些特点是非常重要，并且是传统的自动门不具备的。采用24V电压输入，正常运行功率在20w左右，静止状态功率2w，既安全又节能；在理想状态下，噪声小于30分贝，传统的自动门噪声在50分贝左右；由于无系统机械摩擦的存在，使用寿命大大增长。
附图说明
图1是本发明中直线电机及线性霍尔传感器的安装位置示意图。
图2是本发明的原理框图。
图3是本发明的工作原理示意图。
图4是本发明中两个滤波后相差90度的霍尔信号图。
图5是发明运行过程中实时电角度反馈图。
图6、图7分别是本发明中DSP芯片程序处理主程序流程图及中断处理子程序TN1流程图。
具体实施方式
见图1，采用发明方法的直线电机自动门驱动器包括两直线电机、设在两直线电机中间的控制器、由直线电机驱动的永磁体动轨（未示出），控制器包括两个相差90°的线性霍尔传感器和接收线性霍尔传感器电压信号并且进行计算的DSP芯片。驱动器采用40系列直线电机，额定功率100w，驱动器主芯片采用DSP33EP512,线性霍尔型号为AH3503。线性霍尔传感器除了相差90度之外，还要保证与动轨磁石之间的间隙在1.5mm～3mm之间。
见图2，本发明提供的基于线性霍尔传感器的直线电机自动门矢量控制的方法，包括：通过两个相差90°的线性霍尔传感器检测直线电机的反电动势进行矢量控制：根据所述反电动势计算直线电机的电角度；根据在固定时间内电角度的差值反馈计算得到直线电机的运行速度和需要运行的总行程；将直线电机的反馈计算的运行速度与直线电机的给定速度进行比较得到速度差值，将速度差值通过速度控制环的PID控制后得到输出转矩电流Iqref，并且令励磁电流Idref=0，将输出转矩电流Iqref和励磁电流Idref=0作为转矩控制环的输入，再通过转矩控制环生成控制直线电机所需要的电压输出，使直线电机的运行速度跟随给定速度的变化而变化，以达到速度控制的目的；所述转矩控制环的电压输出是在采集直线电机的伺服驱动器输出的两相电流Ia和Ib后，通过clarke变换和Park变换分解成与力矩有关的转矩分量Iq和与磁通有关的励磁分量Id，将转矩分量Iq和励磁分量Id分别与所述输出转矩电流Iqref和所述励磁电流Idref进行比较计算得出其差值，进行所述PID控制，输出励磁电压Ud和转矩电压Uq，再进行Park逆变换，输出两相旋转坐标下的电压Ua、Ub,作为SVPWM的输入，经过SVPWM控制运算输出控制直线电机所需要的电压输出，使直线电机输出力矩跟随转矩给定的变化而变化，以达到转矩控制的目的；为了使所述矢量控制性能更好，需在线性霍尔传感器的输出电压采用基于小波分解的在线速度滤波技术，在PID控制输出转矩电流、转矩控制环生成控制直线电机所需要的电压输出等控制过程中加入低通滤波控制；所述矢量控制采用DSP芯片完成。
所述直线电机的给定速度通过外部设置的给定速度和检测直线电机运动总行程确定。通过总行程和外部设置最大速度来规划直线电机加速段，匀速段，减速段的距离和速度，也就是说给定速度是通过总行程计算得到的。保证直线电机缓慢到位，安全性得到了保障。
DSP芯片程序处理主程序流程图如图6, 以及中断处理子程序TN1如图7。
线性霍尔传感器检测角度误差为2度以内，精度满足要求。图4为实际产品中两个线性霍尔传感器经过滤波之后的输出，曲线光滑，数据稳定。图5为根据线性霍尔传感器两路输出计算得到的电角度，同样波形稳定，可满足电机控制的需求。可见，通过线性霍尔传感器获取电角度，可实现直线电机的矢量控制，实际效果平稳可靠。
线性霍尔传感器获取电角度的工作原理：
线性霍尔元件可以用来检测磁通密度，在一定磁场强度范围内，其输出电压与被检磁场磁通密度成线性关系。永磁直线同步电机气隙磁场为正弦分布，因此很容易通过检测气隙磁场磁通密度的方法来确定电机动子的位置。以空心式圆筒型永磁直线电机为例，具体介绍该方法。电机及线性霍尔元件的安装位置示意图如图1所示，因为电机只沿Z轴方向做运动，所以只需要检测电机动子在z轴上的位置。在安装两个霍尔元件时应满足以下条件：
(1)两个霍尔元件r轴方向保持水平；
(2)两个霍尔元件Z轴方向间距为二分之一极距τ，即τ／2。
线性霍尔元件检测电机位置：如图3所示，因为电机的空载气隙磁密耳沿Z轴成正弦分布，那么，当电机动子运动经过一个极距的距离时，霍尔元件的输出电压也同样是正弦曲线。图3中的正弦曲线既是磁密耳的分布曲线，也可以理解为霍尔元件的输出电压曲线。假设某个时刻，电机A相绕组轴线与图3中原点位置重合，霍尔元件a、b与A相绕组轴线的距离分别为za和zb，且zb=za+τ／2。此时两个霍尔元件的输出电压分别为Ua和Ub，由于两个霍尔元件在安装位置上相差了90度的电角度，则Ua和Ub可以分别表示为：Ua=Umsinθl,Ub=UmCOSθl；式中θl为霍尔元件a位置的电角度，Um为对应最大磁密时，霍尔元件的输出电压。
根据Ua、Ub可以方便地计算出霍尔元件a所在位置对应的电角度θl，
θl=arctan(Ua/Ub)。
电机速度测量以及运行行程的测量：通过获取当前电机的角度，用于电机的控制。通过线性霍尔获取当前角度θ1，在固定时间内，计算角度差值，通过角度差的累加，计算当前的总行程。通过检测行程，实时控制当前的运行曲线。通过将m 次采样得到的每相邻两个theta 值的差进行累加，然后与一个常量值相乘，即可得到速度值。本发明使用的计算速度的公式（1）如下：
Figure 265484DEST_PATH_IMAGE002
基于线性霍尔速度测量误差：线性霍尔测量速度时，误差主要来自三个方面：一是动子周围磁场环境干扰，二是霍尔元件安装误差，三是速度过快霍尔元件产生零点漂移。针对以上三点，采用了基于小波分解的在线速度滤波技术，解决了以上三个问题。线性霍尔速度测量具有复杂的误差特性。其中有色噪声和白噪声混合，噪声呈现乘性叠加的特点。即速度的绝对值越高，误差绝对值越大。使用小波分解滤波的方式进行滤波，通过合理的层次分解，在低层次上霍尔缓变的有效速度信号，可以有效剔除磁场变化和霍尔元件安装误差里带来的噪声。为了减少小波滤波时间的计算，使用可以DSP芯片实现滤波算法，提高了速度滤波的实时性。通过设置三个层次的控制结构，实现直线电机的定点定速控制，对不确定的行程和不确定的负载重量具有双重自适应特性。以分阶段PID控制为基础，完成控制流程；针对直线电机的大行程非对称性进行PID增益调度，实现单次的平稳运行；针对直线电机平移门不同的负载进行迭代学习，实现长期稳定、重复运行。

Claims (5)

1.一种基于线性霍尔传感器的直线电机自动门矢量控制的方法，其特征是包括：通过两个相差90°的线性霍尔传感器检测直线电机的反电动势进行矢量控制：根据所述反电动势计算直线电机的电角度；根据在固定时间内电角度的差值反馈计算得到直线电机的运行速度和需要运行的总行程；将直线电机的反馈计算的运行速度与直线电机的给定速度进行比较得到速度差值，将速度差值通过速度控制环的PID控制后得到输出转矩电流Iqref，并且令励磁电流Idref=0，将输出转矩电流Iqref和励磁电流Idref=0作为转矩控制环的输入，再通过转矩控制环生成控制直线电机所需要的电压输出，使直线电机的运行速度跟随给定速度的变化而变化，以达到速度控制的目的。
2.根据权利要求1所述的基于线性霍尔传感器的直线电机自动门矢量控制的方法，其特征是所述直线电机的给定速度通过外部设置的给定速度和检测直线电机运动总行程确定。
3.根据权利要求1或2所述的基于线性霍尔传感器的直线电机自动门矢量控制的方法，其特征是所述转矩控制环的电压输出是在采集直线电机的伺服驱动器输出的两相电流Ia和Ib后，通过clarke变换和Park变换分解成与力矩有关的转矩分量Iq和与磁通有关的励磁分量Id，将转矩分量Iq和励磁分量Id分别与所述输出转矩电流Iqref和所述励磁电流Idref进行比较计算得出其差值，进行所述PID控制，输出励磁电压Ud和转矩电压Uq，再进行Park逆变换，输出两相旋转坐标下的电压Ua、Ub, 作为SVPWM的输入，经过SVPWM控制运算输出控制直线电机所需要的电压输出，使直线电机输出力矩跟随转矩给定的变化而变化，以达到转矩控制的目的。
4.根据权利要求3所述的基于线性霍尔传感器的直线电机自动门矢量控制的方法，其特征是所述线性霍尔传感器的输出电压采用基于小波分解的在线速度滤波技术，所述PID控制输出转矩电流、转矩控制环生成控制直线电机所需要的电压输出控制过程中加入低通滤波控制。
5.根据权利要求4所述的基于线性霍尔传感器的直线电机自动门矢量控制的方法，其特征是所述矢量控制采用DSP芯片完成。
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