CN109962651B - 基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法，通过三个均匀且间隔安装在连续的三个线圈中间的开关霍尔传感器检测直线电机的动子磁感应来确定动子位置，根据某一时间段内开关霍尔传感器的输出结果组合判断该时间段内动子的位置区间，记录动子走完该标准位置区间所用时间，利用标准位置区间长度和走过区间所需时间计算动子速度，将计算的动子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PID控制，同时转矩控制环结合学习阶段得出的标准转矩电流和励磁电流对电流进行PID控制得出直线电机的控制电压，从而达到控制电机动子的速度和转矩，具有算法易于实现、负载可调、安装灵活且成本低的优点。
Description
技术领域
本发明属于异步电机控制方法领域，尤其涉及一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法。
背景技术
目前，使用直线磁电机作为门窗驱动部件是自动门窗驱动领域的一个新兴技术。由于直线磁电机响应速度快，无机械接触等特点，将能够使自动门窗的平稳性、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磁电机具有行程短，测量反馈元件昂贵等的特点，不适合自动门窗的大行程运行，也不适合其复杂恶劣的工作环境和低成本要求。
在直线磁电机的直线运动控制中最重要的是对动子位置的检测及速度的控制，采用直线光栅检测是最直接的方法，但是光栅的成本很高，对安装要求也很高；也有使用编码器进行检测，但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，具有速度控制不稳定、启动时候容易反转和抖动等缺点。
也有采用霍尔传感器对动子位置进行检测的，霍尔传感器分为两个种类，有采用线性霍尔传感器的，如专利号为：201710869050.7的发明专利申请，但该发明申请提供的技术方案由于线性霍尔传感器的特点，需要使用到霍尔传感器之间的距离作为计算参数换算动子速度，其对霍尔传感器的安装要求较高，且对安装距离有一定的要求，灵活性不足，同时由于霍尔传感器安装在电机一端的控制器上，导致一个控制器最多只能控制两只电机，严重制约了电机的行程长度。
还有采用和线性霍尔传感器完全不一样的开关霍尔传感器对动子位置进行检测，如专利号为201010166572.9的发明专利中提到的日本立山公司，其仅依赖三个开关霍尔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，同时专利号为201010166572.9的发明专利中的技术方案需要采用大量的霍尔传感器，即增加了生产制造成本，也由于结构复杂造成损坏的概率和维修难度的提高。
发明内容
基于现有技术存在上述问题，本发明提供一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法，其将磁电机的线圈和永磁铁的比例设置为线圈：永磁铁=3:4，通过三个均匀且间隔安装在连续的三个线圈中间的开关霍尔传感器检测直线电机的动子磁感应来确定动子位置，根据某一时间段内开关霍尔传感器的输出结果组合判断该时间段内动子的位置区间，记录动子走完该标准位置区间所用时间，利用标准位置区间长度和走过区间所需时间计算动子速度，将计算的动子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PID控制，同时转矩控制环结合学习阶段得出的标准转矩电流和励磁电流对电流进行PID控制得出直线电机的控制电压，从而达到控制电机动子的速度和转矩，具有算法易于实现、负载可调、安装灵活且成本低的优点。
本发明通过以下详细技术方案达到目的：
一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法，其将磁电机的线圈和永磁铁的比例设置为线圈：永磁铁=3:4，通过三个均匀且间隔安装在连续的三个线圈中间的开关霍尔传感器检测直线电机的动子磁感应来确定动子位置，根据某一时间段内开关霍尔传感器的输出结果组合判断该时间段内动子的位置区间，每一种输出结果组合对应一个标准位置区间，记录动子走完该标准位置区间所用时间，利用标准位置区间长度和走过区间所需时间计算动子速度，将计算的动子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PID控制后速度控制环输出转矩电流Iqref1，将输出转矩电流Iqref1和励磁电流Idref1=0作为转矩控制的输入，将转矩电流Iqref1、励磁电流Idref1与实际转矩电流Iqref2、励磁电流Idref2的电流差值进行电流PID控制后转矩控制环输出直线电机的控制电压，使直线电机的运行速度及推力跟随设定值的变化而变化。
其中，每个开关霍尔传感器相差120゜电气角度；所述的标准位置区间长度是60゜电气角度对应的动子行程长度；每个霍尔传感器相差120゜电气角度，即三个霍尔传感器覆盖360゜电气角度对应的距离区间。
其中，动子总行程的设置必须满足：安装有霍尔传感器的定子段在动子行程上的投影能完全与动子重叠，即不管动子在总行程内如何移动，移动到任何位置，动子总能被三个霍尔传感器检测到。
一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法包括如下详细步骤步骤：
步骤S10推力学习：在电机中预设一个固定的低速学习速度，通过开环FOC矢量控制驱动电机动子加速，接收三个开关霍尔传感器的输出信号，从三个输出信号组合形式改变时开始计时，直至三个输出信号组合形式再次改变时结束计时，记录持续时间T，利用标准位置区间长度S和持续时间T计算出动子速度V，电机动子持续加速直至电机动子达到学习速度，记录此时向电机定子输出的实际电压和电流，计算出此时电机产生的洛伦兹力大小，再换算成动子达到给定速度所需的推力F、输出标准电流I和输出标准电压U，通过推力学习阶段适应不同的负载，无需根据负载对电机进行订造；
步骤S20行程学习：步骤S10中测试出推力后保持学习速度驱动动子到达行程尽头，记录为行程起点，再以学习速度反向驱动电机动子到行程另一端尽头，记录为行程终点；
步骤S30正式启动：根据外部启动指令向电机定子输出标准电流I和输出标准电压U，通过闭环FOC矢量控制驱动动子运动并走过第一个标准位置区间，记录三个开关霍尔传感器的输出信号组合和持续时间；
步骤S40速度PID控制：将霍尔传感器的输出组合持续时间换算成动子速度，速度控制环将动子实际速度和给定速度的速度差值进行PID控制，得出输出转矩电流Iqref1，输出转矩电流Iqref1和励磁电流Idref1=0作为转矩控制环的输入，并由转矩控制环输出下一个标准位置区间的驱动电压和电流；
步骤S50电流PID控制：采集直线电机的伺服驱动器输出的两相电流Ia 和Ib，通过clarke变换和Park变换分解成转矩分量Iqref2和励磁分量Idref2，将转矩分量Iqref2、励磁分量Idref2输入到转矩控制环中，并分别与输出转矩电流Iqref1、励磁电流Idref1进行比较得出电流差值，进行PID控制后，转矩控制环输出励磁电压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动子走过下一个标准位置区间的驱动电压和电流，控制电机动子的速度和转矩；
步骤S30-步骤S50持续执行至电机动子到达指定位置并停止；且步骤S40和步骤S50中转矩控制环前的动作独立执行，转矩控制环后的动作同步配合执行。
其中，每60゜电气角度对应的标准位置区间都分成若干个控制步，速度差值和电流差值按控制步的数量平均分配进行PID控制。
其中，所述的控制步的数量是800-1200步，优选为1000步，将误差值分配到1000份中进行调整，弱化调整过程中产出的变化感觉，能够使电机的运行更加平稳顺畅。
其中，所述的步骤S10包括步骤S11，在步骤S20执行期间反复多次测定电机产生的洛伦兹力大小。
其中，其驱动过程包括加速阶段、匀速阶段和减速阶段，每个阶段的给定速度根据外部预设速度和总行程确定，电机在每个阶段的给定速度和外部预设速度不一样，给定速度是一个控制的引导标准值，而外部预设速度是总行程的平均速度或者匀速阶段的速度，所以给定速度是根据预设速度和总行程而确定，在学习阶段，处理器即可根据相关的行业技术标准、安全规范等文件通过FOC控制技术的调试方法确定出每个时刻的给定速度值，调式的目标是启动响应速度足够快、平衡运行波动足够小和停止静差足够小等。
其中，三个霍尔传感器的输出组合及对应的电气角度如下：
000-060゜：1，0，1；
060-120゜：0，0，1；
120-180゜：0，1，1；
180-240゜：0，1，0；
240-300゜：1，1，0；
300-360゜：1，0，0。
其中，所述的矢量控制方法是通过stm32F103RC处理器完成的，采用32位的处理器使处理器的运算能力更强，能够运行更加复杂的计算和进行更多的计算，使以软件复杂性替代硬件复杂性得到实现。
本发明具有的有益效果：以软件复杂性替代硬件复杂性，硬件成本可以极大降低，同时通过改进的算法极大地减少了霍尔传感器的使用数量，突破了现有技术中无法仅使用三个开关霍尔传感器做到适应任何负载的技术难点，进一步降低了生产成本和维修概率；使用磁力驱动替代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、更加安全。
负载可以调整，无需根据实际负载对电机进行订造，而且计算过程不需要使用传感器之间的距离，安装更加灵活，霍尔传感器安装在定子上，使控制器可以同时控制多组电机。
采用开关霍尔传感器的数字信号替代线性霍尔传感器的模拟信号，同时对程序的逻辑运算作出调整，使信号的转达和传递更加准确和清晰，使控制更加精准。
附图说明
图1，基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法的电机结构示意图。
图2，一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法的总流程图。
图3，一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法的速度和转矩控制的细节流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的描述。
如附图1-3所示的一种基于开关霍尔传感器3的门窗用直线电机矢量控制方法，其将磁电机的线圈11和永磁铁21的比例设置为线圈：永磁铁=3:4，通过三个均匀且间隔安装在连续的三个线圈11中间的开关霍尔传感器3检测直线电机的动子2磁感应来确定动子2位置，每个开关霍尔传感器3相差120゜电气角度且装有霍尔传感器3的定子1段在动子2行程上的投影能完全与动子2重叠，根据某一时间段内开关霍尔传感器3的输出结果组合判断该时间段内动子2的位置区间，每一种输出结果组合对应一个60゜电气角度对应的动子2行程长度的标准位置区间，记录动子2走完该标准位置区间所用时间，利用标准位置区间长度和走过区间所需时间计算动子2速度，将计算的动子2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PID控制后速度控制环输出转矩电流Iqref1，将输出转矩电流Iqref1和励磁电流Idref1=0作为转矩控制的输入，将转矩电流Iqref1、励磁电流Idref1与实际转矩电流Iqref2、励磁电流Idref2的电流差值进行电流PID控制后转矩控制环输出直线电机的控制电压，使直线电机的运行速度及推力跟随设定值的变化而变化。
一种基于开关霍尔传感器3的门窗用直线电机矢量控制方法包括如下详细步骤步骤：
步骤S10推力学习：在电机中预设一个固定的低速学习速度，通过开环FOC矢量控制驱动电机动子2加速，接收三个开关霍尔传感器3的输出信号，从三个输出信号组合形式改变时开始计时，直至三个输出信号组合形式再次改变时结束计时，记录持续时间T，利用标准位置区间长度S和持续时间T计算出动子2速度V，电机动子2持续加速直至电机动子2达到学习速度，记录此时向电机定子1输出的实际电压和电流，计算出此时电机产生的洛伦兹力大小，再换算成动子2达到给定速度所需的推力F、输出标准电流I和输出标准电压U；
步骤S20行程学习：步骤S10中测试出推力后保持学习速度驱动动子2到达行程尽头，记录为行程起点，再以学习速度反向驱动电机动子2到行程另一端尽头，记录为行程终点；
步骤S30正式启动：根据外部启动指令向电机定子1输出标准电流I和输出标准电压U，通过闭环FOC矢量控制驱动动子2运动并走过第一个标准位置区间，记录三个开关霍尔传感器3的输出信号组合和持续时间；
步骤S40速度PID控制：将霍尔传感器3的输出组合持续时间换算成动子2速度，速度控制环将动子2实际速度和给定速度的速度差值进行PID控制，得出输出转矩电流Iqref1，输出转矩电流Iqref1和励磁电流Idref1=0作为转矩控制环的输入，并由转矩控制环输出下一个标准位置区间的驱动电压和电流；
步骤S50电流PID控制：采集直线电机的伺服驱动器输出的两相电流Ia 和Ib，通过clarke变换和Park变换分解成转矩分量Iqref2和励磁分量Idref2，将转矩分量Iqref2、励磁分量Idref2输入到转矩控制环中，并分别与输出转矩电流Iqref1、励磁电流Idref1进行比较得出电流差值，进行PID控制后，转矩控制环输出励磁电压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动子2走过下一个标准位置区间的驱动电压和电流，控制电机动子2的速度和转矩；
步骤S30-步骤S50持续执行至电机动子2到达指定位置并停止；且步骤S40和步骤S50中转矩控制环前的动作独立执行，转矩控制环后的动作同步配合执行。
作为优选实施例，每60゜电气角度对应的标准位置区间都分成1000个控制步，速度差值和电流差值平均分成1000份进行PID控制。
作为优选实施例，所述的步骤S10包括步骤S11，在步骤S20执行期间反复多次测定电机产生的洛伦兹力大小。
作为优选实施例，其驱动过程包括加速阶段、匀速阶段和减速阶段，每个阶段的给定速度根据外部预设速度和总行程确定。
作为优选实施例，三个霍尔传感器3的输出组合及对应的电气角度如下：
000-060゜：1，0，1；
060-120゜：0，0，1；
120-180゜：0，1，1；
180-240゜：0，1，0；
240-300゜：1，1，0；
300-360゜：1，0，0。
作为优选实施例，所述的矢量控制方法是通过stm32F103RC处理器完成的。
在直线磁电机中，对于既定的直线电机，其每一电气角度对应行程距离是恒定的，即每个60゜电气角度对应的距离是一致且该距离能够通过实际的机械结构得出一固定的数值或者通过一次实际测试也能得出该固定数值。开关霍尔传感器3的输出信号只有两种：开和关，即采用数字信号：1和0，由于三个霍尔传感器3安装上相差60゜电气角度，同一时刻三个霍尔传感器3检测到的磁感应强度不一样，导致输出不同的结果，不同的结果形成了不同的结果组合。所以当霍尔传感器3的输出组合发生改变时即代表电机动子2走过了一段真实的60゜电气角度对应的距离的标准位置区间，记录走过这距离所需的时间，通过路程和时间即可计算出实际速度，将实际速度和给定速度作为一个对比得出速度差值，将该速度差值在下一个标准位置区间中作出一个速度补偿，即假设给定速度为5m/s，但由于各种客观因素的存在在第一个标准位置区间中动子2的实际速度可能为5.2 m/s，则速度差值为0.2 m/s，则第二个标准位置区间中动子2的速度需要调整为4.8 m/s，从而对上个标准位置区间的运动作出补偿。在实际运行当中，每一个标准位置区间都进行一次计算值和给定值的对比，然后在下一个标准位置区间中作出补偿调整，使实际速度跟随给定速度，达到速度控制的目的。同时动子2的转矩大小在电机当中是以输出的控制电流的大小作为表示，所以转矩的控制同样采用类似的测试、对比和执行控制的PID控制方法对转矩进行控制。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法，其特征在于，其将磁电机的线圈和永磁铁的比例设置为线圈：永磁铁=3:4，通过三个均匀且间隔安装在连续的三个线圈中间的开关霍尔传感器检测直线电机的动子磁感应来确定动子位置，根据某一时间段内开关霍尔传感器的输出结果组合判断该时间段内动子的位置区间，每一种输出结果组合对应一个标准位置区间，记录动子走完该标准位置区间所用时间，利用标准位置区间长度和走过区间所需时间计算动子速度，将计算的动子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PID控制后速度控制环输出转矩电流Iqref1，将输出转矩电流Iqref1和励磁电流Idref1=0作为转矩控制的输入，将转矩电流Iqref1、励磁电流Idref1与实际转矩电流Iqref2、励磁电流Idref2的电流差值进行电流PID控制后转矩控制环输出直线电机的控制电压，使直线电机的运行速度及推力跟随设定值的变化而变化，其详细包括如下步骤：
步骤S10推力学习：在电机中预设一个固定的低速学习速度，通过开环FOC矢量控制驱动电机动子加速，接收三个开关霍尔传感器的输出信号，从三个输出信号组合形式改变时开始计时，直至三个输出信号组合形式再次改变时结束计时，记录持续时间T，利用标准位置区间长度S和持续时间T计算出动子速度V，电机动子持续加速直至电机动子达到学习速度，记录此时向电机定子输出的实际电压和电流，计算出此时电机产生的洛伦兹力大小，再换算成动子达到给定速度所需的推力F、输出标准电流I和输出标准电压U；
步骤S20行程学习：步骤S10中测试出推力后保持学习速度驱动动子到达行程尽头，记录为行程起点，再以学习速度反向驱动电机动子到行程另一端尽头，记录为行程终点；
步骤S30正式启动：根据外部启动指令向电机定子输出标准电流I和输出标准电压U，通过闭环FOC矢量控制驱动动子运动并走过第一个标准位置区间，记录三个开关霍尔传感器的输出信号组合和持续时间；
步骤S40速度PID控制：将霍尔传感器的输出组合持续时间换算成动子速度，速度控制环将动子实际速度和给定速度的速度差值进行PID控制，得出输出转矩电流Iqref1，输出转矩电流Iqref1和励磁电流Idref1=0作为转矩控制环的输入，并由转矩控制环输出下一个标准位置区间的驱动电压和电流；
步骤S50电流PID控制：采集直线电机的伺服驱动器输出的两相电流Ia 和Ib，通过clarke变换和Park变换分解成转矩分量Iqref2和励磁分量Idref2，将转矩分量Iqref2、励磁分量Idref2输入到转矩控制环中，并分别与输出转矩电流Iqref1、励磁电流Idref1进行比较得出电流差值，进行PID控制后，转矩控制环输出励磁电压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动子走过下一个标准位置区间的驱动电压和电流，控制电机动子的速度和转矩；
步骤S30-步骤S50持续执行至电机动子到达指定位置并停止；且步骤S40和步骤S50中转矩控制环前的动作独立执行，转矩控制环后的动作同步配合执行。
2.根据权利要求1所述的一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法，其特征在于，每个开关霍尔传感器相差120゜电气角度；所述的标准位置区间长度是60゜电气角度对应的动子行程长度。
3.根据权利要求2所述的一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法，其特征在于，动子总行程的设置必须满足：安装有霍尔传感器的定子段在动子行程上的投影能完全与动子重叠。
4.根据权利要求3所述的一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法，其特征在于，每60゜电气角度对应的标准位置区间都分成若干个控制步，速度差值和电流差值按控制步的数量平均分配进行PID控制。
5.根据权利要求4所述的一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法，其特征在于，所述的控制步的数量是800-1200步。
6.根据权利要求5所述的一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法，其特征在于，所述的步骤S10包括步骤S11，在步骤S20执行期间反复多次测定电机产生的洛伦兹力大小。
7.根据权利要求6所述的一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法，其特征在于，其驱动过程包括加速阶段、匀速阶段和减速阶段，每个阶段的给定速度根据外部预设速度和总行程确定。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法，其特征在于，三个霍尔传感器的输出组合及对应的电气角度如下：
000-060゜：1，0，1；
060-120゜：0，0，1；
120-180゜：0，1，1；
180-240゜：0，1，0；
240-300゜：1，1，0；
300-360゜：1，0，0。
9.根据权利要求1-7任一所述的一种基于开关霍尔传感器的门窗用直线电机矢量控制方法，其特征在于，所述的矢量控制方法是通过stm32F103RC处理器完成的。
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