CN111740668A - 一种多动子直线电机同步控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的多动子直线电机同步控制系统，将虚拟主轴同步控制技术应用于多动子直线电机中，提高了直线电机多动子的协同控制性能；采用线性扩展扰动观测器观测从动子集中扰动，与速度控制器输出值作为从动子的负载阻力的方案相比，提高了从动子负载阻力的反馈精确度，并且降低了从动子质量变化对多动子同步系统的影响；提出了基于多动子运动控制器和绕组驱动控制器的多控制器拓扑和信号通讯方案，绕组驱动控制器采集耦合动子绝对位置、耦合动子编号和耦合动子负载阻力，通过高速总线传送到多动子运动控制器，多动子运动控制器运行虚拟主动子和从动子位置反馈控制，初级绕组驱动控制器运行动子速度反馈控制和绕组电流调节，逻辑清晰，易于实现。

Description

一种多动子直线电机同步控制系统

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种多动子直线电机同步控制系统。

背景技术

传统的虚拟主轴同步控制方法将从轴的速度控制器输出信号作为负载阻力，并反馈至虚拟主轴，在速度控制器饱和以及从轴负载突变时，速度控制器输出信号与实际负载阻力差别较大，从而降低了同步控制性能。

因此，本领域亟待提供一种能够提高多动子直线电机同步控制的系统或方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种多动子直线电机同步控制系统，以提高绕组分段多动子直线电机分组协同运行状态下的动/静态同步性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多动子直线电机同步控制系统，包括：位置检测单元、线性扰动观测器、动子编号检测装置、绕组驱动控制器和多动子运动控制器；

多动子直线电机中的每段初级绕组均配有一所述绕组驱动控制器；

所述位置检测单元铺设于所述多动子直线电机的定子上；所述位置检测单元、所述线性扰动观测器和所述动子编号检测装置均与所述绕组驱动控制器连接；

所述位置检测单元用于检测所述初级绕组中有无动子耦合，若有动子耦合，则获得耦合动子在所述初级绕组中的位置信号；所述线性扰动观测器用于观测所述耦合动子的负载阻力；所述动子编号检测装置用于获取所述耦合动子的编号；所述绕组驱动控制器用于将所述初级绕组中有无动子耦合、所述位置信号、所述负载阻力和所述耦合动子的编号进行信息编码后，传输给所述多动子运动控制器；

所述多动子运动控制器包括从动子协同位置控制器、虚拟主动子模型以及位置和速度控制器；

所述位置和速度控制器用于输出电磁推力，在所述电磁推力和所述负载阻力的合力作用下，所述虚拟主动子产生速度和位移；

所述从动子协同位置控制器，根据所述位置信号以及所述耦合动子的编号确定出从动子在全行程范围内的绝对位置，根据所述绝对位置和所述虚拟主动子的位移确定各从动子的位置给定偏置，根据所述位置给定偏置和所述绝对位置生成各从动子在全行程范围内的位置指令，并基于各从动子的所述位置指令和反馈误差输出相应的速度指令后，将所述速度指令传送至相应的绕组驱动控制器中，以完成多动子直线电机同步控制。

优选的，所述绕组驱动控制器包括：速度控制器和电流控制器；

所述速度控制器根据所述速度指令控制所述多动子直线电机中从动子的速度；所述电流控制器根据交轴电流和所述从动子的速度调节每段所述初级绕组的电流。

优选的，还包括：高速总线；

所述绕组驱动控制器通过所述高速总线与所述多动子运动控制器进行信号传输。

优选的，所述线性扰动观测器用于观测包括所述负载阻力和质量变化的从动子集中扰动。

优选的，相邻的所述绕组驱动控制器间，通过高速串行接口传输各段初级绕组的电流和耦合动子的位置信号。

优选的，所述绕组驱动控制器包括数字控制芯片；

所述数字控制芯片用于将所述初级绕组中有无动子耦合、所述位置信号、所述负载阻力和所述耦合动子的编号进行信息编码，以及用于实现所述速度控制器、所述电流控制器和所述扰动观测器。

优选的，在多动子协同工作状态下，按设定条件约束所述从动子的给定位置，以避免相邻从动子耦合同一绕组，消除多动子的失控现象。

优选的，所述设定条件为：|x_bias(i)-x_bias(i±1)≥L+2d+l；

式中，x_bias(i)为位置偏差，i为从动子的编号，L为初级绕组的长度，d为相邻两段初级绕组相互耦合的公共区域的长度，l为动子长度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的多动子直线电机同步控制系统，将虚拟主轴同步控制技术应用于多动子直线电机中，提高了直线电机多动子的协同控制性能；采用线性扩展扰动观测器观测从动子集中扰动，与速度控制器输出值作为从动子的负载阻力的方案相比，提高了从动子负载阻力的反馈精确度，并且降低了从动子质量变化对多动子同步系统的影响；提出了基于多动子运动控制器和绕组驱动控制器的多控制器拓扑和信号通讯方案，绕组驱动控制器采集耦合动子绝对位置、耦合动子编号和耦合动子负载阻力，通过高速总线传送到多动子运动控制器，多动子运动控制器运行虚拟主动子和从动子位置反馈控制，初级绕组驱动控制器运行动子速度反馈控制和绕组电流调节，逻辑清晰，易于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的多动子直线电机同步控制系统与多动子直线电机间的连接关系图；

图2为本发明提供的多动子直线电机同步控制系统的结构示意图。

符号说明：

1-定子(初级绕组)，2-动子(永磁体次级)，3-绕组驱动控制器，4-位置检测单元，5-绝对位置，6-高速串行接口，7-高速总线。

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种多动子直线电机同步控制系统，以提高绕组分段多动子直线电机分组协同运行状态下的动/静态同步性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的多动子直线电机同步控制系统包括：位置检测单元、线性扰动观测器、动子编号检测装置、绕组驱动控制器和多动子运动控制器。

每个初级绕组配置一个驱动控制器，驱动控制器通过位置检测单元检测初级绕组有无动子耦合，获得耦合动子在初级绕组中的绝对位置，通过装载于定子侧的动子编号检测装置获得耦合动子的编号，通过线性扰动观测器观测出耦合动子负载阻力。绕组驱动控制器将有无耦合动子、耦合动子编号、耦合动子在绕组中的绝对位置和耦合动子负载阻力等信息编码，通过高速总线传送到多动子运动控制器中。

在多动子运动控制器中构建并运行虚拟主动子位置伺服控制系统。此控制系统包括主动子的位置和速度控制器以及具有一定刚度和阻尼的虚拟主动子模型。多动子运动控制器通过高速总线获取各从动子(初级绕组耦合动子)负载阻力，将其合并为虚拟主动子负载阻力，位置和速度控制器输出电磁推力，在电磁推力和负载阻力的合力作用下，虚拟主动子产生速度和位移。通过位置和速度控制器的反馈作用机制，虚拟主动子的位移量跟随主动子位移给定值。

在多动子运动控制器中，从动子协同位置控制器根据各从动子在耦合绕组中的绝对位置以及耦合绕组的编号计算出从动子在全行程范围内的绝对位置，从虚拟主动子的位移量减去各从动子的位置给定偏置，得到各从动子全行程范围内的位置指令，基于各从动子位置指令和反馈的误差，从动子位置控制器输出相应的速度指令，并通过高速总线传送至相应的绕组驱动控制器中。

初级绕组与动子完全耦合时，基于速度误差和电流误差，绕组驱动控制器内的速度控制器控制从动子速度，电流控制器调节初级绕组电流，根据交轴电流和速度反馈值，线性扩展状态观测器观测包含负载阻力和质量变化的从动子集中扰动，其反馈增益参数由观测器设定带宽确定。

初级绕组与动子部分耦合时，耦合程度大的初级绕组所对应的绕组驱动控制器进行动子速度控制、绕组电流调节和负载阻力观测，耦合程度小的初级绕组所对应的驱动控制器只进行绕组电流的调节，与另一段绕组电流同步。初级绕组无动子耦合时，逆变器断开，处于续流状态。

下面提供一个具体实施例对本发明提供的技术方案进行进一步说明。

如图1所示，在多动子直线电机结构中以初级绕组为定子1，以永磁体次级为动子2。初级绕组分段而铁芯连续，每段初级绕组配有一台绕组驱动控制器3，绕组驱动控制器3内包含逆变器、电流传感器和数字控制芯片。位置检测单元4沿着定子轨道进行铺设。当动子与初级绕组耦合时，绕组驱动控制器3通过位置检测单元4获得动子在相应初级绕组中的绝对位置5。相邻的绕组驱动控制器3通过高速串行接口6传输绕组电流和动子位置信号。多动子运动控制器通过高速总线7与所有绕组驱动控制器3进行通讯。

如图2中第一部分所示，当动子1与初级绕组x完全耦合时，绕组驱动控制器x通过位置检测单元和动子编号检测装置获得动子1在初级绕组x中的绝对位置x₁和动子编号(该处标号为1)。绕组驱动控制器x通过高速总线接受多动子运动控制器发送的动子速度给定值

进行动子速度和绕组电流控制，并且通过扰动观测器，观测出耦合动子的负载阻力

如图2第二部分所示，当动子2与初级绕组y和初级绕组(y+1)部分耦合，并且动子2与初级绕组y的耦合程度更大时，绕组驱动控制器y通过位置检测单元和动子编号检测装置获得动子2在初级绕组y中的绝对位置x₂和动子编号(编号为2)。绕组驱动控制器y通过高速总线接受多动子运动控制器发送的动子速度给定值

进行动子速度和绕组电流控制，并且通过线性扰动观测器，观测出耦合动子的负载阻力

基于矢量解耦控制的速度控制器输出交轴电流指令

绕组驱动控制器y通过高速串行接口向绕组驱动控制器(y+1)发送交轴电流指令

和动子位置x₂。绕组驱动控制器(y+1)通过电流控制器控制初级绕组(y+1)电流与初级绕组y同步。

当初级绕组z无动子耦合时，初级绕组z的绕组驱动控制器通过高速总线向多动子运动控制器发送特定编码信号，表明无动子耦合状态，并且控制逆变器开关状态，使得初级绕组z处于断电状态。

对于有n个动子m个初级绕组的直线电机系统，在每个速度控制周期，所有绕组驱动控制器(1,2,…,m)分时复用高速总线，向多动子运动控制器发送特定编码信息，编码信息包含有无动子耦合、耦合动子编号、耦合动子在初级绕组中的绝对位置(x₁,x₂,...,x_n)和耦合动子负载阻力

如图2第三部分所示，在多动子运动控制器中构建并运行具有一定刚度J_v和阻尼B_v的虚拟主动子模型。将各从动子负载阻力

合并为主动子扰动反馈∑f_d。在电磁推力和扰动反馈∑f_d的合力作用下，虚拟主动子产生速度v_vls和位移x_vls。虚拟主动子的位移x_vls通过位置和速度控制器(图中为位置&速度控制器)跟随主动子位移给定值

从动子协同位置控制器根据虚拟主动子电机的位移x_vls和从动子在初级绕组中的绝对位置(x₁,x₂,...,x_n)计算出各从动子的速度指令

通过高速总线分时发送至各动子耦合绕组的驱动控制器中。

从动子协同控制器根据从动子(1,2,…,n)在耦合初级绕组中的绝对位置(x₁,x₂,...,x_n)、耦合绕组编号和初级绕组长度L，计算出从动子在全行程范围内的绝对位置(X₁,X₂,...,X_n)，从虚拟主动子电机的位移x_vls中减去从动子位置偏置(x_bias1,x_bias2,...,x_biasn)得到各从动子的位置指令

根据位置指令

与从动子位置反馈(X₁,X₂,...,X_n)的误差进行位置反馈控制，输出各从动子的速度指令

采用线性扰动观测器观测各从动子集中扰动，第i个从动子初级绕组驱动控制组的线性扩展扰动观测器公式如下：

其中，a_i＝1.5πψ_fi/(tM_i)，b_i＝B_i/M_i，f_di＝Δa_ii_qi-Δb_iv_i+(f_dti+f_li+f_fti)/(M_i+ΔM_i)，ψ_fi、M_i和B_i分别为绕组控制器中永磁体磁链、动子质量和粘滞摩擦系数的设定值，t为极距，f_dti为定位力，f_li为负载阻力，f_fti为摩擦力，Δa_i,Δb_i,ΔM_i为系统实际参数与绕组控制器参数之间的差值。根据线性扰动观测器的带宽ω_ci，确定线性扰动观测器的参数β_i1和β_i2，其表达式为：

在多动子协同工作状态下，为了确保每个从动子都精确可控，对从动子给定位位置进行约束，从而避免相邻从动子耦合相同的绕组，以消除多动子失控现象。如图1所示，L为初级绕组长度，l为动子长度，d为相邻两段绕组相互耦合的公共区长度。当第i个从动子同时耦合两段绕组时，从动子位移偏置需满足下式：

|x_bias(i)-x_bias(i±1)|≥L+2d+l。

因此，当从动子等距分布，并处于协同工作状态下，相邻从动子的位置偏差需满足上式所述的约束条件。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种多动子直线电机同步控制系统，其特征在于，包括：位置检测单元、线性扰动观测器、动子编号检测装置、绕组驱动控制器和多动子运动控制器；

多动子直线电机中的每段初级绕组均配有一所述绕组驱动控制器；

所述位置检测单元铺设于所述多动子直线电机的定子上；所述位置检测单元、所述线性扰动观测器和所述动子编号检测装置均与所述绕组驱动控制器连接；

所述位置检测单元用于检测所述初级绕组中有无动子耦合，若有动子耦合，则获得耦合动子在所述初级绕组中的位置信号；所述线性扰动观测器用于观测所述耦合动子的负载阻力；所述动子编号检测装置用于获取所述耦合动子的编号；所述绕组驱动控制器用于将所述初级绕组中有无动子耦合、所述位置信号、所述负载阻力和所述耦合动子的编号进行信息编码后，传输给所述多动子运动控制器；

所述多动子运动控制器包括从动子协同位置控制器、虚拟主动子模型和位置和速度控制器；

所述位置和速度控制器用于输出电磁推力，在所述电磁推力和所述负载阻力的合力作用下，所述虚拟主动子产生速度和位移；

所述从动子协同位置控制器，根据所述位置信号以及所述耦合动子的编号确定出从动子在全行程范围内的绝对位置，根据所述绝对位置和所述虚拟主动子的位移确定各从动子的位置给定偏置，根据所述位置给定偏置和所述绝对位置生成各从动子在全行程范围内的位置指令，并基于各从动子的所述位置指令和反馈误差输出相应的速度指令后，将所述速度指令传送至相应的绕组驱动控制器中，以完成多动子直线电机同步控制。

2.根据权利要求1所述的多动子直线电机同步控制系统，其特征在于，所述绕组驱动控制器包括：速度控制器和电流控制器；

所述速度控制器根据所述速度指令控制所述多动子直线电机中从动子的速度；所述电流控制器根据交轴电流和所述从动子的速度调节每段所述初级绕组的电流。

3.根据权利要求1所述的多动子直线电机同步控制系统，其特征在于，还包括：高速总线；

所述绕组驱动控制器通过所述高速总线与所述多动子运动控制器进行信号传输。

4.根据权利要求1所述的多动子直线电机同步控制系统，其特征在于，所述线性扰动观测器用于观测包括所述负载阻力和质量变化的从动子集中扰动。

5.根据权利要求1所述的多动子直线电机同步控制系统，其特征在于，相邻的所述绕组驱动控制器间，通过高速串行接口传输各段初级绕组的电流和耦合动子的位置信号。

6.根据权利要求1所述的多动子直线电机同步控制系统，其特征在于，所述绕组驱动控制器包括数字控制芯片；

所述数字控制芯片用于将所述初级绕组中有无动子耦合、所述位置信号、所述负载阻力和所述耦合动子的编号进行信息编码。

7.根据权利要求1所述的多动子直线电机同步控制系统，其特征在于，在多动子协同工作状态下，按设定条件约束所述从动子的给定位置，以避免相邻从动子耦合同一绕组，消除多动子的失控现象。

8.根据权利要求1所述的多动子直线电机同步控制系统，其特征在于，所述设定条件为：

|x_bias(i)-x_bias(i±1)|≥L+2d+l；

式中，x_bias(i)为位置偏差，i为从动子的编号，L为初级绕组的长度，d为相邻两段初级绕组相互耦合的公共区域的长度，l为动子长度。

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