CN110022113A - 一种永磁同步直线电机的伺服控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁同步直线电机的伺服控制方法。采用两个互差120度的线性霍尔检测定子、动子的相对位置，采用两路相电流传感器检测电机的两相电流，形成自内向外由电流环、速度环、位置环构成的控制架构，实现电机控制。该方法无需对电机角度进行解算，省去常规矢量控制过程中复杂的坐标变换运算，对控制芯片的性能要求更低，可在不增加驱动系统硬件成本的情况下，实现直线电机较高精度的伺服定位控制。

Description

一种永磁同步直线电机的伺服控制方法

技术领域

本发明属于直线电机技术领域，具体涉及一种永磁同步直线电机的伺服控制方法。

背景技术

永磁同步直线电机以其高加速度、高定位精度和高动态响应等优点，在精密运动控制领域得到广泛应用。

永磁同步直线电机中常见的位置反馈多采用光栅尺、磁栅尺等，这些附加的位置传感器不但安装要求高，而且价格不菲。

为了降低成本，也有将开关霍尔作为动子位置检测，采用类似旋转型无刷直流电机的六步换向方式进行直线电机控制的方法，但是这种位置检测精度低，并且无法适应直线电机频繁变化运行方向的要求，更无法实现定位控制。

另外，也有采用线性霍尔作为动子位置检测的方法，这种方法虽然可以提高位置检测的精度，但是对驱动器的处理能力提出了更高要求，不但需要控制芯片完成电机矢量控制算法，同时还需要完成对线性霍尔的位置解算，经过一系列复杂的三角函数运算，获取电机电角度，这就要求设计者选用更高性能的控制芯片，或者增加协处理芯片完成位置解算，大幅增加了系统的复杂度及硬件成本。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种永磁同步直线电机伺服控制方法，该方法硬件成本低，可实现直线电机较高精度的伺服定位控制。

为了实现上述技术目的，本发明采用两个互差120度的线性霍尔检测定子、动子的相对位置，采用两路相电流传感器获取相电流，通过两路相电流信号计算出第三相电流信号，通过两路线性霍尔信号计算出第三个互差120度的线性霍尔信号；通过对比相应的三相电流信号与三路线性霍尔信号，分别计算出三个回路(即，位置环、速度环、电流环)的偏差，进行PI控制，使三相电流跟随霍尔输出波形，实现电机的电流环控制。

即，本发明的技术方案为：一种永磁同步直线电机的伺服控制方法，其特征是：

采用两个互差120度的线性霍尔检测定子、动子的相对位置，所得两路信号经过滤波整形电路模块处理后经A/D转换模块转换，得到两路霍尔电压信号Ha、Hb；根据Hc＝-Ha–Hc，计算出第三路霍尔电压信号Hc；

采用两路相电流传感器检测电机的两相电流，经过滤波调理模块处理后再经A/D转换模块转换，得到两相电流信号Ia、Ib；根据Ic＝-Ia–Ib，计算出第三相相电流信号Ic；

所述两路霍尔电压信号Ha、Hb经位置估测器进行解析运算，得到位置信号；该位置信号输入位置控制器，作为反馈的位置信号，位置控制器的另一个输入是设定的目标位置Sdes，目标位置与反馈的位置信号经位置控制器进行差值调节，构成位置环，输出目标速度信号Vdes；

所述的位置信号经速度估测器进行解析运算，得到速度信号；该速度信号输入速度控制器，作为反馈的速度信号，速度控制器的另一个输入是所述的目标速度信号Vdes，目标速度信号与反馈的速度信号经速度控制器进行差值调节，构成速度环，输出目标电流信号Ides；

所述目标电流信号Ides与三路霍尔电压信号Ha、Hb、Hc相乘后，作为电流控制器的输入，分别与三相相电流信号Ia、Ib、Ic相电流作差，经电流控制器进行调节，构成电流环，输出三相控制电压Ua、Ub、Uc，即：

Ha与Ides相乘后与Ia作差，经电流控制器得到该相控制电压Ua；

Hb与Ides相乘后与Ib作差，经电流控制器得到该相控制电压Ub；

Hc与Ides相乘后与Ic作差，经电流控制器得到该相控制电压Uc；

Ua、Ub、Uc经过PWM生成模块，输出六路PWM控制信号作为三相逆变器的输入，实现对三相逆变器的控制。

作为一种实现方式，位置估测器的解析运算如下：

(1)通过归一化处理，将两路霍尔电压信号Ha、Hb调理成幅值一致，且相差120度正弦信号：

Ha＝A*sin(wt)

Hb＝A*sin(wt+120)

(2)通过判断Ha、Hb的关系，确定当前动子所处的位置S的区域

M1＝0.5、M2＝0.866；

当Ha>Hb时，若Ha>M1，且Hb>-M2，则S＝Hb S在(-M2，M1)区域Ⅰ；

若Ha<M2，且Hb<-M1，则S＝Ha S在(-M1，M2)区域Ⅳ；

当Ha<Hb时，若Ha<-M1，且Hb<M2，则S＝Hb S在(-M1，M2)区域Ⅲ；

若Ha>-M2，且Hb>M1，则S＝Ha S在(-M2，M1)区域Ⅱ；

当Ha＝Hb时，S保持前一状态不变；

(3)根据步骤(2)中得到的所处区域，运用反三角函数算出当前的角度信息。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

提供了一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机伺服控制方法，其优点在于：

1、采用线性霍尔传感器作为位置检测，相较于常规的光栅尺、磁栅尺价格便宜，其控制精度能达到普通丝杠传动系统性能，具有广泛的应用场合。

2、采用两个线性霍尔传感器作为位置反馈，采用两路相电流传感器获取相电流，形成自内向外由电流环、速度环、位置环构成的控制架构，实现电机控制，无需对电机电角度进行解算，省去常规矢量控制过程中复杂的坐标变换运算，对控制芯片的性能要求更低，可在不增加驱动系统硬件成本的情况下，实现直线电机较高精度的伺服定位控制。

3、线性霍尔传感器安装简单，能实现永磁同步直线电机的直接启动，可省去采用增量式光栅尺或磁栅尺时所需的电机启动相位初始化过程。

附图说明

图1是本发明实施例1中永磁同步直线电机的伺服控制电路图。

图2是本发明实施例1中两路霍尔电压信号归一处理后的位置区域信息图。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

永磁同步直线电机的伺服控制电路如图1所示，具体控制方法如下：

(1)在直线电机线圈侧安装两个互差120°电角度的线性霍尔传感器，用于检测直线电机动子磁钢磁极相对于定子的位置信号；两路信号经过霍尔信号滤波整形模块处理后，输入A/D转换模块转换为数字量，即得到两路霍尔电压信号Ha、Hb；

(2)通过两个电流传感器检测电机相电流，经过相电流滤波调理模块处理后，输入A/D转换模块转换为数字量，即得到两相电流信号Ia、Ib；

(3)微控制单元MCU通过两相电流信号Ia、Ib计算出第三相相电流Ic，Ic＝-Ia–Ib；

(4)微控制单元MCU通过两路霍尔电压信号Ha、Hb计算出第三路信号Hc，Hc＝-Ha–Hb；

(5)两路霍尔电压信号Ha、Hb经位置估测器进行解析运算，得到位置信号，具体如下：

(a)通过归一化处理，将两路霍尔电压信号Ha、Hb调理成幅值一致，且相差120度正弦信号：

Ha＝A*sin(wt)

Hb＝A*sin(wt+120)

(b)如图2所示，通过判断Ha、Hb的关系，确定动子当前所处的位置S区域

M1＝0.5、M2＝0.866；

当Ha>Hb时，若Ha>M1，且Hb>-M2，则S＝Hb，S在(-M2，M1)区域Ⅰ；

若Ha<M2，且Hb<-M1，则S＝Ha，S在(-M1，M2)区域Ⅳ；

当Ha<Hb时，若Ha<-M1，且Hb<M2，则S＝Hb，S在(-M1，M2)区域Ⅲ；

若Ha>-M2，且Hb>M1，则S＝Ha，S在(-M2，M1)区域Ⅱ；

当Ha＝Hb时，S保持前一状态不变。

(c)根据步骤(b)得到的所处区域，反算出当前的角度信息。

(6)步骤(5)得到的位置信号输入位置控制器，作为反馈的位置信号，位置控制器的另一个输入是设定的目标位置Sdes，目标位置Sdes与反馈的位置信号经位置控制器进行差值调节，构成位置环，输出目标速度信号Vdes；

(7)步骤(5)得到的位置信号经速度估测器进行解析运算，得到速度信号；该速度信号输入速度控制器，作为反馈的速度信号，速度控制器的另一个输入是所述的目标速度信号Vdes，目标速度信号与反馈的速度信号经速度控制器进行差值调节，构成速度环，输出目标电流信号Ides；

(8)步骤(7)得到的目标电流信号Ides与三路霍尔电压信号Ha、Hb、Hc相乘后，作为电流控制器的输入，分别与三相相电流信号Ia、Ib、Ic相电流作差，经电流控制器进行调节，构成电流环，输出三相控制电压Ua、Ub、Uc，即：

Ha与Ides相乘后与Ia作差，经电流控制器得到该相控制电压Ua；

Hb与Ides相乘后与Ib作差，经电流控制器得到该相控制电压Ub；

Hc与Ides相乘后与Ic作差，经电流控制器得到该相控制电压Uc；

(9)步骤(8)得到的Ua、Ub、Uc经过PWM生成模块，输出六路PWM控制信号作为三相逆变器的输入，实现对三相逆变器的控制。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种永磁同步直线电机的伺服控制方法，其特征是：

采用两个互差120度的线性霍尔检测定子、动子的相对位置，所得两路信号经过滤波整形电路模块处理后经A/D转换模块转换，得到两路霍尔电压信号Ha、Hb；根据Hc＝-Ha–Hc，计算出第三路霍尔电压信号Hc；

采用两路相电流传感器检测电机的两相电流，经过滤波调理模块处理后再经A/D转换模块转换，得到两相电流信号Ia、Ib；根据Ic＝-Ia–Ib，计算出第三相相电流信号Ic；

所述两路霍尔电压信号Ha、Hb经位置估测器进行解析运算，得到位置信号；该位置信号输入位置控制器，作为反馈的位置信号，位置控制器的另一个输入是设定的目标位置Sdes，目标位置与反馈的位置信号经位置控制器进行差值调节，构成位置环，输出目标速度信号Vdes；

所述的位置信号经速度估测器进行解析运算，得到速度信号；该速度信号输入速度控制器，作为反馈的速度信号，速度控制器的另一个输入是所述的目标速度信号Vdes，目标速度信号与反馈的速度信号经速度控制器进行PI调节，构成速度环，输出目标电流信号Ides；

所述目标电流信号Ides与三路霍尔电压信号Ha、Hb、Hc相乘后，作为电流控制器的输入，分别与三相相电流信号Ia、Ib、Ic相电流作差，经电流控制器进行调节，构成电流环，输出三相控制电压Ua、Ub、Uc；

Ua、Ub、Uc经过PWM生成模块，输出六路PWM控制信号作为三相逆变器的输入，实现对三相逆变器的控制。

2.如权利要求1所述的永磁同步直线电机的伺服控制方法，其特征是：所述位置估测器的解析运算如下：

(1)通过归一化处理，将两路霍尔电压信号Ha、Hb调理成幅值一致，且相差120度正弦信号：

Ha＝A*sin(wt)

Hb＝A*sin(wt+120)

(2)通过判断Ha、Hb的关系，确定当前动子所处的位置S的区域

M1＝0.5、M2＝0.866；

当Ha>Hb时，若Ha>M1，且Hb>-M2，则S＝Hb S在(-M2，M1)区域Ⅰ；

若Ha<M2，且Hb<-M1，则S＝Ha S在(-M1，M2)区域Ⅳ；

当Ha<Hb时，若Ha<-M1，且Hb<M2，则S＝Hb S在(-M1，M2)区域Ⅲ；

若Ha>-M2，且Hb>M1，则S＝Ha S在(-M2，M1)区域Ⅱ；

当Ha＝Hb时，S保持前一状态不变；

(3)根据步骤(2)中得到的所处区域，运用反三角函数算出当前的角度信息。