CN108336936A - 一种直线电机的控制方法、装置及系统 - Google Patents

一种直线电机的控制方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直线电机的控制方法、装置及系统，其中方法包括：获取所述直线电机对应的给定频率；对所述给定频率进行积分以获取所述给定频率对应的位置给定量；获取上一时刻向预设无功闭环输出的控制频率，并对所述控制频率进行积分以获取所述控制频率对应的位置反馈量；对所述位置给定量和位置反馈量进行预设PI调节处理以获取调节频率；根据所述调节频率对所述给定频率进行调节以向所述预设无功闭环输出控制频率；以及根据所述控制频率通过所述预设无功闭环控制所述直线电机运行。该方法可形成位置闭环控制，提高了直线电机行程控制精度；同时还利用预设无功闭环达到节能效果。

Description

一种直线电机的控制方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种直线电机的控制方法、装置及系统。
背景技术
直线电机是把旋转电动机沿径向剖开拉直演变而成，是一种由电能直接转换成直线机械运动的推力装置，由控制理论来说直线电机是用于直线位移机构，将控制变得更直接，动态响应更快，并且由于省去许多机械传动件，使得机械结构更简捷，同时消除了机械间隙，有利于提高精度、传动刚度、能量转换效率以及降低噪声等。
虽然直线电机有很多优势，但其应用在某些领域也存在一些缺陷，比如应用在抽油机领域，将直线电机与抽油泵结合即构成直线电机潜油电泵，直线电机潜油电泵作为抽油机也具有很多优势，但是将直线电机用于抽油现场需要上下往复运行，且要求直线电机运行稳定与功率因素可控，目前的所采用的VF控制方案很难做到。同时VF控制还存在带载启动困难，VF曲线不能根据负载自动优化，由此造成直线电机的电能浪费。
发明内容
本发明的实施例提供了一种直线电机的控制方法、装置及系统，旨在精确地控制直线电机运行以及节约电能。
第一方面，本发明提供了一种直线电机的控制方法，该方法包括：
获取所述直线电机对应的给定频率；
对所述给定频率进行积分以获取所述给定频率对应的位置给定量；
获取上一时刻向预设无功闭环输出的控制频率，并对所述控制频率进行积分以获取所述控制频率对应的位置反馈量；
对所述位置给定量和位置反馈量进行预设PI调节处理以获取调节频率；
根据所述调节频率对所述给定频率进行调节以向所述预设无功闭环输出控制频率；以及
根据所述控制频率通过所述预设无功闭环控制所述直线电机运行。
第二方面，本发明还提供了一种直线电机的控制装置，该装置包括：
频率获取单元，用于获取所述直线电机对应的给定频率；
频率积分单元，用于对所述给定频率进行积分以获取所述给定频率对应的位置给定量；
获取积分单元，用于获取上一时刻向预设无功闭环输出的控制频率，并对所述控制频率进行积分以获取所述控制频率对应的位置反馈量；
调节获取单元，用于对所述位置给定量和位置反馈量进行预设PI调节处理以获取调节频率；
调节输出单元，用于根据所述调节频率对所述给定频率进行调节以向所述预设无功闭环输出控制频率；以及
运行控制单元，用于根据所述控制频率通过所述预设无功闭环控制所述直线电机运行。
第三方面，本发明还提供了一种直线电机的控制系统，该系统包括直线电机和与所述直线电机连接的变频器，其中所述变频器执行上述任意一项所述的直线电机的控制方法以驱动所述直线电机运行。
本发明的实施例通过获取直线电机的给定频率并计算其对应的位置给定量；获取上一时刻向预设无功闭环输出的控制频率并计算其对应的位置反馈量；对所述位置给定量和位置反馈量进行预设PI调节处理以获取调节频率，利用调节频率对控制频率进行调节；并根据调节后的控制频率，通过所述预设无功闭环控制所述直线电机运行，由此形成位置闭环控制，提高了直线电机行程控制精度；同时还利用预设无功闭环，使得无功电流可以单独控制，由此可实现直线电机的高效控制，进而达到节能效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种直线电机的控制系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种直线电机的控制方法的示意流程图；
图3是本发明实施例提供的直线电机的控制原理框图；
图4是图2中直线电机的控制方法的子步骤示意流程图；
图5是本发明实施例提供的预设无功闭环的控制原理框图；
图6是本发明另一实施例提供的预设无功闭环的控制原理框图；
图7是本发明又一实施例提供的预设无功闭环的控制原理框图；
图8是本发明实施例提供的直线电机的控制装置的结构示意框图；
图9是本发明一实施例提供的直线电机的控制装置的结构示意框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
本发明的实施例提供了一种直线电机的控制方法、控制装置以及控制系统。
为了便于理解，先对直线电机的控制系统进行介绍，在该控制系统的基础上详细介绍直线电机的控制方法及装置。
请参阅图1，图1是本发明实施例提供的直线电机的控制系统的结构示意图。该控制系统10包括变频器11和直线电机12，其中直线电机12与变频器11连接。变频器11执行本申请实施例提供的直线电机的控制方法以驱动直线电机12运行，该直线电机可为永磁同步直线电机。
控制系统启动后，变频器即会循环执行本实施例提供的直线电机的控制方法以驱动该直线电机运行。具体地，请参阅图2和图3，图2是本发明实施例提供的一种直线电机的控制方法的示意流程图，图3是本发明实施例提供的直线电机的控制原理框图。如图2所示，该控制方法包括步骤S101至S106。
S101、获取所述直线电机对应的给定频率。
在本实施例中，获取所述直线电机对应的给定频率是指变频器获取直线电机的给定频率。其中所述获取所述直线电机对应的给定频率，具体包括：获取用户在所述直线电机中设定的冲次数和冲程距离；以及根据所述冲次数和冲程距离计算所述直线电机对应的给定频率。
具体地，冲程是指直线电机动子对应的一个上行或下行行程，比如冲程距离为2m，冲次数为4次/min，该冲次数和冲程距离对应的数据是由用户根据实际需要在直线电机上进行设定的，根据用户设定的冲次数和冲程距离可计算所述直线电机对应目标运行速度，由此可根据该目标运行速度即可获得给定频率。如图3所示，该给定频率表示为ωset。
S102、对所述给定频率进行积分以获取所述给定频率对应的位置给定量。
在本实施例中，将所述直线电机动子对应给定频率进行求积分，即可得到对应的给定位置，即所述位置给定量。由于直线电机上下往复运动，其行程控制精度难免出现误差，因此需要对该位置给定量以进行位置校正，以克服该误差。具体如图3所示，对给定频率ωset进行积分运算以获得位置给定量pref，其中1/S为积分器。
S103、获取上一时刻向预设无功闭环输出的控制频率，并对所述控制频率进行积分以获取所述控制频率对应的位置反馈量。
在本实施例中，该控制频率为预设无功闭环根据该频率进行发波控制电机运行的频率，不同时刻该控制频率可能对应不同的值。如图3所示，该控制频率表示为ωs_set，该控制频率ωs_set不同于给定频率ωset，但是是根据给定频率ωset进行微调得到的，具体是根据当前的给定频率和上一时刻的控制频率进行微调而得到的。对所述控制频率进行积分以获取所述控制频率对应的位置反馈量，即是对上一时刻的控制频率ωs_set进行积分处理，以获取其对应的位置反馈量pfeed。
S104、对所述位置给定量和位置反馈量进行预设PI调节处理以获取调节频率。
具体地，利用减法器将所述位置给定量减去所述位置反馈量后通过PI调节处理以获取所述调节频率。如图3所示，将位置给定量pref减去位置反馈量pfeed后，在经过PI调节器进行PI调节以获取调节频率Δω。
S105、根据所述调节频率对所述给定频率进行调节以向所述预设无功闭环输出控制频率。
具体地，根据所述调节频率对所述给定频率进行调节，是将所述给定频率加上调节频率。如图3所示，将给定频率ωset通过加法器加上调节频率Δω即得到当前的控制频率ωs_set，并将该控制频率ωs_set输出至预设无功闭环。由于目前的直线电机的多采用VF控制，在VF控制中由于不可避免地出现如电机震荡等情况，由此会造成行程误差。该步骤将上一时刻的控制频率对应的位置反馈量和位置给定量做一个调节器对给定频率进行微调以得到当前的控制频率，由预设无功闭环根据该控制频率发波控制输出电压进而控制直线电机运行。
S106、根据所述控制频率通过所述预设无功闭环控制所述直线电机运行。
在本实施例中，该预设无功闭环为无功电流闭环控制模式，其可以单独对无功功率进行控制，从而可以将无功电流控制在比较小的范围区间，在保证出力的同时很大程度减小了直线电机的输出电流，达到了节能的目的。
具体地，根据所述控制频率通过所述预设无功闭环控制所述直线电机运行包括一电机控制方法，如图4所示，该电机控制方法包括子步骤S1061～S1066。请同时参阅图5，图5是本实施例中提供的预设无功闭环的控制原理框图，以下将基于图5中的原理框图介绍该电机控制方法。
S1061、获取所述直线电机对应的电机工作电流和电机工作电压。
具体地，在图5中的直线电机对应的电机工作电流分别表示为isa和isc；电机工作电压分别表示为Vsa和Vsc。在获取该电机工作电流isa和isc以及电机工作电压分别Vsa和Vsc后，还需对该电机工作电流和电机工作电压做坐标变换，ABC/αβ表示坐标变换，具体将电机工作电流isa和isc分别转化成isα和isβ，将电机工作电压Vsa和Vsc转成为Vsα和Vsβ。
S1062、根据所述电机工作电流和电机工作电压通过功率计算器计算获得相对应的电机有功功率和电机无功功率。
具体地，将电机工作电流isa和isc以及电机工作电压分别Vsa和Vsc经过功率计算器(Statorpowercalculate)计算出电机有功功率Ps和电机无功功率Qs。
S1063、基于所述电机有功功率，对所述控制频率进行预设积分处理以获取调节发波角。
在本实施例中，基于所述电机有功功率，对所述控制频率进行预设积分处理以获取调节发波角，包括：对所述电机有功功率进行振荡抑制处理以获取振荡微调频率；将所述控制频率通过减法器减去所述振荡微调频率后进行积分处理以获取所述调节发波角。
具体地，如图5所示，该振荡抑制处理为和P调节处理，经过这些处理后得到振荡微调频率Δωs；在通过减法器将控制频率ωs_set减去振荡微调频率Δωs后进行积分处理以获取调节发波角θpwm。
S1064、获取第一预设值，并根据所述第一预设值和电机无功功率通过PI调节以获取第一微调电压。
具体地，该第一预设值表示为Qs *，其值具体根据实际情况进行设定。将电机无功功率Qs进行滤波处理(LowPass Filter，LPF)得到Qs_flt，在通过减法器将第一预设值Qs *减去Qs_flt后经过PI调节后获取第一微调电压Vs_comp。
S1065、根据所述控制频率计算初级调节电压，并将所述初级调节电压通过加法器加上所述第一微调电压以获取目标调节电压。
具体地，将控制频率ωs_set通过计算初级调节电压Vsd0，并将初级调节电压Vsd0通过加法器加上第一微调电压Vs_comp以获取目标调节电压Vsd。
S1066、根据所述目标调节电压和调节发波角通过脉宽调制控制所述直线电机运行。
具体地，根据目标调节电压Vsd和调节发波角θpwm通过脉宽调制控制直线电机运行，其中该脉宽调制具体为空间矢量脉宽调制(SVPWM，Space Vector Pulse WidthModulation)，根据目标调节电压Vsd和调节发波角θpwm的值，以及另一调节电压Vsq设为零，通过空间矢量脉宽调制发波控制发射器(Inverter)向直线电机输出电压以控制该直线电机运行。
在一实施例中，在所述将所述初级调节电压通过加法器加上所述第一微调电压以获取目标调节电压之前，还包括：对所述电机工作电流进行预设转矩提升处理以获取第二微调电压；其中，具体为对所述电机工作电流进行坐标变换和转矩提升处理后通过滤波处理以获取所述第二微调电压。相应地，所述将所述初级调节电压通过加法器加上所述第一微调电压以获取目标调节电压，具体包括：将所述初级调节电压通过加法器加上所述第一微调电压和第二微调电压以获取所述目标调节电压。
具体地，请参阅图6，对电机工作电流isa和isc做两次坐标变换，分别为ABC/αβ坐标变换和αβ/dq坐标变换，在经过转矩提升处理(Torque Boost)和滤波处理后得到第二微调电压Vs_boost。将初级调节电压Vsd0通过加法器加上第一微调电压Vs_comp和第二微调电压Vs_boost以获取目标调节电压Vsd。通过引入第二微调电压，可以更为精确地控制直线电机的运行。
在某些实施例中，为了更为精确地控制，可以对调节发波角做进一步地处理。如图7所示，在计算调节发波角θpwm时还可通过加法器对所述控制频率进行预设积分处理得到的积分角θs *加上预设初始角θs_init，预设初始角θs_init为根据实际需要进行设定的一个定值。
此外，如图7所示，在通过空间矢量脉宽调制(SVPWM，Space Vector Pulse WidthModulation)控制时，还可获取经过坐标变换后的电机工作电流isd和isq，以及积分角θs *，并根据这些值空间矢量脉宽调制控制时做死区补偿处理。
由于直线电机应用于抽油机领域，其长距离控制且处于恶劣的环境下，导致没法安装光电编码器，因此只能采用无编码器的开环控制方案，但是直线电机是频繁上下往复运行，必须要行程走的准确才能保证电机不上下碰撞。而本申请提供的直线电机的控制方法根据直线电机的给定频率并计算其对应的位置给定量；以及根据上一时刻向预设无功闭环输出的控制频率并计算其对应的位置反馈量；对所述位置给定量和位置反馈量进行预设PI调节处理以获取调节频率，利用调节频率对控制频率进行调节；并根据调节后的控制频率，通过所述预设无功闭环控制所述直线电机运行，由此形成位置闭环控制以控制直线电机运行，该方法可以及时消除行程中的误差，进而提高控制精度。
上述实施例提供的直线电机的控制方法除了形成位置闭环控制以控制直线电机准确运行外，同时还利用预设无功闭环，使得无功电流可以单独控制，由此可实现直线电机的高效控制，进而达到节能效果。
请参阅图8，图8是本发明实施例提供的直线电机的控制装置的结构示意框图。该控制装置可以运行在变频器中，用于对与该变频器连接的直线电机进行控制，以确保该直线电机可以节能的情况下更为精确地运行。其中，如图8所示，该控制装置300包括：频率获取单元301、频率积分单元302、获取积分单元303、调节获取单元304、调节输出单元305和运行控制单元306。
频率获取单元301，用于获取所述直线电机对应的给定频率。
频率积分单元302，用于对所述给定频率进行积分以获取所述给定频率对应的位置给定量。
获取积分单元303，用于获取上一时刻向预设无功闭环输出的控制频率，并对所述控制频率进行积分以获取所述控制频率对应的位置反馈量。
调节获取单元304，用于对所述位置给定量和位置反馈量进行预设PI调节处理以获取调节频率。
调节输出单元305，用于根据所述调节频率对所述给定频率进行调节以向所述预设无功闭环输出控制频率。
运行控制单元306，用于根据所述控制频率通过所述预设无功闭环控制所述直线电机运行。
其中，在一实施例中，如图9所示，该运行控制单元306包括：电压获取子单元3061、功率计算子单元3062、积分获取子单元3063、获取调节子单元3064、计算获取子单元3065和运行控制子单元3066。
电压获取子单元3061，用于获取所述直线电机对应的电机工作电流和电机工作电压。
功率计算子单元3062，用于根据所述电机工作电流和电机工作电压通过功率计算器计算获得相对应的电机有功功率和电机无功功率。
积分获取子单元3063，用于基于所述电机有功功率，对所述控制频率进行预设积分处理以获取调节发波角。
获取调节子单元3064，用于获取第一预设值，并根据所述第一预设值和电机无功功率通过PI调节以获取第一微调电压。
计算获取子单元3065，用于根据所述控制频率计算初级调节电压，并将所述初级调节电压通过加法器加上所述第一微调电压以获取目标调节电压。
运行控制子单元3066，用于根据所述目标调节电压和调节发波角通过脉宽调制控制所述直线电机运行。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的控制装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本申请实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。
本申请实施例装置中的单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种直线电机的控制方法，其特征在于，包括：
获取所述直线电机对应的给定频率；
对所述给定频率进行积分以获取所述给定频率对应的位置给定量；
获取上一时刻向预设无功闭环输出的控制频率，并对所述控制频率进行积分以获取所述控制频率对应的位置反馈量；
对所述位置给定量和位置反馈量进行预设PI调节处理以获取调节频率；
根据所述调节频率对所述给定频率进行调节以向所述预设无功闭环输出控制频率；以及
根据所述控制频率通过所述预设无功闭环控制所述直线电机运行。
2.根据权利要求1所述的直线电机的控制方法，其特征在于，所述根据所述控制频率通过所述预设无功闭环控制所述直线电机运行，包括：
获取所述直线电机对应的电机工作电流和电机工作电压；
根据所述电机工作电流和电机工作电压通过功率计算器计算获得相对应的电机有功功率和电机无功功率；
基于所述电机有功功率，对所述控制频率进行预设积分处理以获取调节发波角；
获取第一预设值，并根据所述第一预设值和电机无功功率通过PI调节以获取第一微调电压；
根据所述控制频率计算初级调节电压，并将所述初级调节电压通过加法器加上所述第一微调电压以获取目标调节电压；以及
根据所述目标调节电压和调节发波角通过脉宽调制控制所述直线电机运行。
3.根据权利要求2所述的直线电机的控制方法，其特征在于，所述将所述初级调节电压通过加法器加上所述第一微调电压以获取目标调节电压之前，还包括：
对所述电机工作电流进行预设转矩提升处理以获取第二微调电压；
所述将所述初级调节电压通过加法器加上所述第一微调电压以获取目标调节电压，包括：
将所述初级调节电压通过加法器加上所述第一微调电压和第二微调电压以获取所述目标调节电压。
4.根据权利要求3所述的直线电机的控制方法，其特征在于，所述对所述电机工作电流进行预设转矩提升处理以获取第二微调电压，包括：
对所述电机工作电流进行坐标变换和转矩提升处理后通过滤波处理以获取所述第二微调电压。
5.根据权利要求2所述的直线电机的控制方法，其特征在于，所述基于所述电机有功功率，对所述控制频率进行预设积分处理以获取调节发波角，包括：
对所述电机有功功率进行振荡抑制处理以获取振荡微调频率；
将所述控制频率通过减法器减去所述振荡微调频率后进行积分处理以获取所述调节发波角。
6.根据权利要求1所述的直线电机的控制方法，其特征在于，所述获取所述直线电机对应的给定频率，包括：
获取用户在所述直线电机中设定的冲次数和冲程距离；以及
根据所述冲次数和冲程距离计算所述直线电机对应的给定频率。
7.根据权利要求1所述的直线电机的控制方法，其特征在于，所述对所述位置给定量和位置反馈量进行预设PI调节处理以获取调节频率，包括：
利用减法器将所述位置给定量减去所述位置反馈量后通过PI调节处理以获取所述调节频率。
8.一种直线电机的控制装置，其特征在于，包括：
频率获取单元，用于获取所述直线电机对应的给定频率；
频率积分单元，用于对所述给定频率进行积分以获取所述给定频率对应的位置给定量；
获取积分单元，用于获取上一时刻向预设无功闭环输出的控制频率，并对所述控制频率进行积分以获取所述控制频率对应的位置反馈量；
调节获取单元，用于对所述位置给定量和位置反馈量进行预设PI调节处理以获取调节频率；
调节输出单元，用于根据所述调节频率对所述给定频率进行调节以向所述预设无功闭环输出控制频率；以及
运行控制单元，用于根据所述控制频率通过所述预设无功闭环控制所述直线电机运行。
9.根据权利要求8所述的直线电机的控制装置，其特征在于，所述运行控制单元，包括：
电压获取子单元，用于获取所述直线电机对应的电机工作电流和电机工作电压；
功率计算子单元，用于根据所述电机工作电流和电机工作电压通过功率计算器计算获得相对应的电机有功功率和电机无功功率；
积分获取子单元，用于基于所述电机有功功率，对所述控制频率进行预设积分处理以获取调节发波角；
获取调节子单元，用于获取第一预设值，并根据所述第一预设值和电机无功功率通过PI调节以获取第一微调电压；
计算获取子单元，用于根据所述控制频率计算初级调节电压，并将所述初级调节电压通过加法器加上所述第一微调电压以获取目标调节电压；以及
运行控制子单元，用于根据所述目标调节电压和调节发波角通过脉宽调制控制所述直线电机运行。
10.一种直线电机的控制系统，其特征在于，包括：直线电机和与所述直线电机连接的变频器，其中所述变频器执行权利要求1至7任意一项所述的直线电机的控制方法以驱动所述直线电机。
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