CN112003538A - 永磁直线同步电机的控制方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种永磁直线同步电机的控制方法和控制系统，可用于对电机进行无位置传感器的控制。所述电机的动子底部设置光栅尺，所述电机的定子两端设置光栅读数头；所述控制方法包括：当动子经过所述光栅读数头时，获取光栅计数脉冲信号；获取定子绕组回路的反电势电压信号；基于所述光栅计数脉冲信号和所述反电势电压信号，确定电磁参数标定值；当动子与所述光栅读数头错开时，获取定子绕组回路的当前反电势电压信号；基于所述电磁参数标定值和所述当前反电势电压信号，确定电机当前位置和当前速度。本公开的技术方案可实现无位置传感器结构下的位置和速度的确定，从而有利于实现无位置传感器的电机的高精度控制。

Description

永磁直线同步电机的控制方法和控制系统

技术领域

本公开涉及数字控制方法技术领域，尤其涉及一种永磁直线同步电机的控制方法和控制系统。

背景技术

直线电动机是能够直接产生直线运动的电机，它能将电能直接转换为直线运动所需的机械能。相较于旋转电动机而言，能够很好地解决传动效率和可靠性等问题，同时降低了成本且易于维护。由于直线同步电机具有较高的效率和功率因数，并且随着永磁材料的高速发展，特别是在高性能永磁材料钕铁硼(NdFeB)出现后，永磁直线同步电机因其损耗小、力能指标高、响应速度快等特点，使其与其他高速精密系统相比，具有较大的优越性。

现阶段，直线电机主要通过位置传感器来检测动子和定子间的相对位置信息，位置传感器作为传统电动机控制系统中的一部分，具有机械安装精度要求高、抗干扰能力差、成本高、可靠性差、抗振能力低以及体积大等缺点，同时永磁直线同步电机无法在电机动子和定子之间通过线缆进行位置信号传输的问题，使得动子位置反馈成为控制系统的障碍。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种永磁直线同步电机的控制方法和控制系统，针对动子在不同定子上电磁参数的不同的特点，结合数字处理器，在现代控制理论的基础上，精准地获取控制参数，利用无位置算法估计出电机的位置与速度，从而实现无位置传感器的电机高精度控制。

本公开提供的永磁直线同步电机的控制方法，所述电机的动子底部设置光栅尺，所述电机的定子两端设置光栅读数头；所述控制方法包括：

当动子经过所述光栅读数头时，获取光栅计数脉冲信号；

获取定子绕组回路的反电势电压信号；

基于所述光栅计数脉冲信号和所述反电势电压信号，确定电磁参数标定值；

当动子与所述光栅读数头错开时，获取定子绕组回路的当前反电势电压信号；

基于所述电磁参数标定值和所述当前反电势电压信号，确定电机当前位置和当前速度。

可选的，该控制方法还可包括：

获取电机的期望位置和期望速度；

基于所述期望位置、期望速度、当前位置以及当前速度，确定电流参考值；

获取电机的当前电流值；

基于所述电流参考值和所述当前电流值，实现电流的闭环控制；

基于所述期望位置和所述当前位置，实现位置的闭环控制；以及

基于所述期望速度和所述当前速度，实现速度的闭环控制。

可选的，该控制方法还可包括：

基于所述电流参考值和所述当前电流值，确定电流输出值；

基于所述电流输出值，确定PWM脉冲；

基于所述PWM脉冲驱动所述电机运动。

本公开还提供了一种永磁直线同步电机的控制系统，可用于执行上述任一种控制方法，该控制系统包括：

光栅脉冲检测电路，用于在动子经过所述光栅读数头时，获取光栅计数脉冲信号；

反电势电压检测电路，用于获取定子绕组回路的反电势电压信号；

电磁参数标定模块，用于基于所述光栅计数脉冲信号和所述反电势电压信号，确定电磁参数标定值；

所述反电势电压检测电路还用于在动子与所述光栅读数头错开时，获取定子绕组回路的当前反电势电压信号；

当前参数确定模块，用于基于所述电磁参数标定值和所述当前反电势电压信号，确定电机当前位置和当前速度。

可选的，该控制系统还可包括：

期望参数获取模块，用于获取电机的期望位置和期望速度；

电流参考值确定模块，用于基于所述期望位置、期望速度、当前位置以及当前速度，确定电流参考值；

电流检测反馈模块，用于获取电机的当前电流值；

闭环控制模块，用于基于所述电流参考值和所述当前电流值，实现电流的闭环控制；基于所述期望位置和所述当前位置，实现位置的闭环控制；以及基于所述期望速度和所述当前速度，实现速度的闭环控制。

可选的，该控制系统还可包括：

电流输出值确定模块，用于基于所述电流参考值和所述当前电流值，确定电流输出值；所述电流输出值确定模块设置于所述闭环控制模块内；

驱动信号确定模块，用于基于所述电流输出值，确定PWM脉冲；

驱动模块，用于基于所述PWM脉冲驱动所述电机运动。

可选的，所述驱动模块包括依次连接的高速光耦隔离电路、驱动电路以及三相逆变桥电路，所述高速光耦隔离电路用于接收所述PWM脉冲，所述三相逆变桥电路与所述电机连接；

所述电流检测反馈模块包括电流传感器、过流保护信号产生电路以及电流传感器接口电路，所述电流传感器用于检测所述三相逆变桥电路输出的当前电流值，所述过流保护信号产生电路用于实现对所述驱动电路的过流保护，所述电流传感器接口电路用于将所述当前电流值传输至所述闭环控制模块。

可选的，该控制系统还可包括：数字信号处理模块、上位机接口电路、上位机；所述数字信号处理模块包括所述电磁参数标定模块、所述当前参数确定模块、所述期望参数获取模块、所述电流参考值确定模块、所述闭环控制模块、所述电流输出值确定模块以及所述驱动信号确定模块；

所述期望参数获取模块通过所述上位机接口电路从所述上位机获得所述期望速度和所述期望位置，并将该所述期望速度和期望位置作为电机速度闭环控制和位置闭环控制的参考值。

可选的，所述数字信号处理模块包括数字信号处理芯片和电源配置芯片；

所述电源配置芯片用于为所述数字信号处理芯片供电。

可选的，数字信号处理芯片采用TI-C2000系列，所述驱动模块采用TI-DRV8301驱动板。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本公开实施例提供的永磁直线同步电机的控制方法中，当动子经过光栅读数头时，获取光栅计数脉冲信号；获取定子绕组回路的反电势电压信号；基于光栅计数脉冲信号和反电势电压信号，确定电磁参数标定值；当动子与光栅读数头错开时，获取定子绕组回路的当前反电势电压信号；基于电磁参数标定值和当前反电势电压信号，确定电机当前位置和当前速度。如此，当电机动子从某一方向进入电机定子时标定电磁参数，然后进行基于标定参数和反电势电压信号的位置估计，不仅解决了电机动子和定子之间无法通过线缆进行位置信号传输的问题，而且电机动子每运行到一段电机定子上时标定电磁参数使得控制精度大大提高，从而使其满足当前永磁直线同步电机控制系统的需求，并可推广应用到其他要求无位置传感器的电动机控制系统。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本公开实施例提供的一种永磁直线同步电机的控制方法的流程示意图；

图2为本公开实施例提供的一种永磁直线同步电机的结构示意图；

图3为本公开实施例提供的永磁直线同步电机的控制方法的控制原理示意图；

图4为本公开实施例提供的另一种永磁直线同步电机的控制方法的流程示意图；

图5为本公开实施例提供的一种永磁直线同步电机的控制系统的结构示意图；

图6为本公开实施例提供的另一种永磁直线同步电机的控制系统的结构示意图；

图7为本公开实施例提供的永磁直线同步电机的控制系统的控制原理示意图；

图8为本公开实施例提供的永磁直线同步电机的控制系统的数字信号处理模块的硬件电路部分原理图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

本公开实施例提供的永磁直线同步电机的控制方法和控制系统，在无位置传感器时实现对电机的控制，具体地：当电机动子从某一方向进入电机定子时标定电磁参数，然后进行基于标定参数和反电势电压信号的位置估计，不仅解决了电机动子和定子之间无法通过线缆进行位置信号传输的问题，而且电机动子每运行到一段电机定子上时标定电磁参数使得控制精度大大提高，从而使其满足当前永磁直线同步电机控制系统的需求，并可推广应用到其他要求无位置传感器的电动机控制系统。

本公开实施例的实现原理为：将传统永磁直线同步电机控制系统的位置传感器使用电磁参数标定和反电势电压位置估计的形式来代替。即：当电机动子从某一端进入电机定子时，由光学脉冲检测电路与反电势电压检测电路测得电机动子底部的光栅尺经过电机定子端部的光栅读数头时的计数脉冲和电机绕组反电势电压，即获取光栅计数脉冲信号和反电势电压信号；将该计数脉冲信号和反电势电压信号输入到数字信号处理(DigitalSignal Processing，DSP)模块中，由DSP模块中的双边电机绕组电磁参数标定算法标定电磁参数，即基于光栅计数脉冲信号和反电势电压信号确定电磁参数标定值；当电机动子运行到电机定子上方时，电磁参数标定值和定子绕组的当前反电势电压信号作为输入信号，通过基于标定参数和反电势电压信号的位置、速度估计算法得到估计的位置值和速度值，即得到当前位置和当前速度；同时由电流检测反馈模块通过DSP模块的AD控制算法得到电流值，从而实现位置、速度和电流的三闭环控制；其后，再通过PWM脉冲产生算法生成驱动模块所需的PWM脉冲，最终生成驱动电流驱动永磁直线同步电机。

基于此，本公开实施例采用的永磁直线同步电机的无位置传感器控制方法和系统与传统的有位置传感器的控制方法和系统相比，当电机动子在多个电机定子之间连续运行时，克服了电机动子和定子之间无法通过线缆进行位置信号传输的问题。同时充分考虑了电机动子在不同的电机定子上运动过程中电磁参数的变化，和传统的无位置传感器控制相比，通过增加电磁参数标定环节，提高了电机电磁参数的准确性，从而实现无位置传感器控制下的高精度控制。

下面结合图1-图8对本公开实施例提供的永磁直线同步电机的控制方法和控制系统进行示例性说明。

图1为本公开实施例提供的一种永磁直线同步电机的控制方法的流程示意图，图2为本公开实施例提供的一种永磁直线同步电机的结构示意图，图3为本公开实施例提供的永磁直线同步电机的控制方法的控制原理示意图。结合图1-图3，该电机的动子底部设置光栅尺，电机的电子两端设置光栅读数头。示例性地，图2给出了本公开的永磁直线同步电机示意图。本公开的永磁直线同步电机可为长初级短次级永磁直线同步电机，电机定子021作为初级，电机动子011作为次级。电机动子011表面贴有永磁体012，用于产生励磁磁场；将三相对称正弦交流电通入到电机定子021的三相绕组022中时，会产生一个水平方向呈正弦分布的行波磁场，当三相电流以一定频率变化时，这个行波磁场便会按照相序做直线移动，在这个过程中便会与永磁体012励磁磁场发生关系，继而产生电磁推力。同时，电机定子021两端安装有光栅读数头023，电机动子011底部刻有光栅尺013，当电机动子011从某一端进入到电机定子021上方时，电机动子011与电机定子021不完全耦合，光栅读数头023用于读取光栅尺013，输出周期性计数脉冲信号至DSP模块，得到电机动子011与电机定子021的相对位置；同时，电机定子021的三相绕组可连成反电势电压检测电路，输出反电势电压值DSP模块，上述光栅计数脉冲信号和反电势电压信号用于电机电磁参数的标定和电机动子位置估计。

基于此，参照图1，本公开实施例提供的控制方法可包括：

S110、当动子经过光栅读数头时，获取光栅计数脉冲信号。

结合图2，此时动子底部的光栅尺经过光栅读数头，光栅读数头可读取光栅尺，DSP模块接收周期性的光栅计数脉冲信号。

S120、获取定子绕组回路的反电势电压信号。

结合图2，DSP模块可接收电子绕组回路的反电势电压信号。

S130、基于光栅计数脉冲信号和反电势电压信号，确定电磁参数标定值。

其中，DSP模块内部可内置双端电机绕组电磁参数标定算法，光栅计数脉冲信号和反电势电压信号作为该电磁参数标定算法的输入信号，执行该算法后，可标定电磁参数。该步骤为后续S150作准备。

S140、当动子与光栅读数头错开时，获取定子绕组回路的当前反电势电压信号。

其中，当动子与光栅读数头错开时，光栅读数头无法再读取光栅尺，此时可利用当前的反电势电压结合S130中标定的电磁参数，对当前位置速度进行估算，如此，该步骤中，获取当前反电势电压信号，为S150作准备。

S150、基于电磁参数标定值和当前反电势电压信号，确定电机当前位置和当前速度。

其中，反电势电压信号与动子的当前位置和当前速度对应，DSP模块内部可内置基于电磁参数标定值和反电势电压信号的位置估计算法，通过该位置股计算法解算反电势电压信号和电磁参数标定值，可确定电机的定子的当前位置和当前速度。

在其他实施方式中，还可设置S120先于S110执行，或者S110与S120并行执行，本公开实施例对此不限定。

在图1的基础上，还可实现对电机的位置、速度以及电流的闭环控制。示例性地，结合图3对本公开实施例提供的控制方法中的位置和速度的控制原理进行说明，如下：无位置传感器闭环控制模块34可包括：双端电机绕组电磁参数标定模块341和基于电磁参数标定值和反电势电压信号的位置估计模块342，可分别用于执行双端电机绕组电磁参数标定算法和基于电磁参数标定值和反电势电压信号的位置估计算法。其中，双端电机绕组电磁参数标定模块341的硬件为光栅脉冲检测电路311，检测元件可为光栅尺线位移传感器；其中，光栅尺刻在电机动子底部，光栅读数头固定在电机定子两端，当带有光栅尺的电机动子经过位于电机定子上的光栅读数头时，光栅读数头输出带有电机动子与定子相对位置信息的周期性的光栅计数脉冲信号，该光栅计数脉冲信号作为双端电机绕组电磁参数标定算法的输入信号，用于解算出电磁参数标定值。基于电磁参数标定值和反电势电压信号的位置估计模块342的硬件为反电势电压检测电路312，反电势电压检测电路312用于检测电机定子绕组的反电势电压信号，当电机动子从某一端进入电机定子时，该反电势电压信号输入到DSP模块35的双端电机绕组电磁参数标定算法，用于电磁参数标定；当电机动子运行到电机定子上方时，该反电势电压信号用于同电磁参数标定值一同输入到基于电磁参数标定值和反电势电压信号的位置估计算法中，解算出电机此时位置和速度估计值，即确定当前位置和当前速度，从而实现电机的无位置传感器控制。本公开利用光栅脉冲检测电路311和反电势电压检测电路312可以较为准确地标定出电机的电磁参数，解决了电机动子在不同电机定子上方运行时电磁参数不同的问题，因此在定子段内区域可以利用电磁参数标定值和反电势电压信号在无位置传感器的情况下精确估计出电机动子的当前位置和当期速度，从而实现电机的高精度控制。

基于此，在一实施例中，图4为本公开实施例提供的另一种永磁直线同步电机的控制方法的流程示意图。在图1和图3的基础上，参照图4，该控制方法可包括：

S211、当动子经过光栅读数头时，获取光栅计数脉冲信号。

S212、获取定子绕组回路的反电势电压信号。

S213、基于光栅计数脉冲信号和反电势电压信号，确定电磁参数标定值。

S214、当动子与光栅读数头错开时，获取定子绕组回路的当前反电势电压信号。

S215、基于电磁参数标定值和当前反电势电压信号，确定电机当前位置和当前速度。

上述步骤与图1中示出的步骤相同，在此不赘述。图4示出的控制方法与图1示出的控制方法的区别在于，该控制方法还可包括：

S221、获取电机的期望位置和期望速度。

其中，DSP模块可内置期望参数获取算法，用于从上位机获取电机的期望位置和期望速度，该期望位置和期望位置作为参考值，以实现位置和速度的闭环控制。

S222、基于期望位置、期望速度、当前位置以及当前速度，确定电流参考值。

其中，DSP模块可内置位置、速度闭环控制算法，上述S221中的期望位置和期望速度，以及S215中的当前位置和当前速度作为该位置、速度闭环控制算法的输入信号，该位置、速度闭环控制算法输出的控制量作为电流参考值。

S223、获取电机的当前电流值。

示例性地，DSP模块还可内置AD控制算法，由AD控制算法控制的电流传感器接口电路获得电机电流的反馈值，即为当前电流值。

S224、基于电流参考值和当前电流值，实现电流的闭环控制；基于期望位置和当前位置，实现位置的闭环控制；以及基于期望速度和当前速度，实现速度的闭环控制。

其中，DSP模块还可内置电流闭环控制算法，电流参考值和当前电流值作为该电流闭环控制算法的输入信号，可实现电流大小的调整，从而实现电流的闭环控制；同时，期望位置、当前位置、期望速度和当前速度可作为位置、速度闭环控制算法的输入信号，实现位置和速度的调整，即实现位置和速度的闭环控制。

在一实施例中，继续参照图4，该控制方法还可包括：

S231、基于电流参考值和当前电流值，确定电流输出值。

其中，电流输出值为电流闭环控制算法的输出信号，为基于电流参考值和当前电流值进行调整之后的电流值。

S232、基于电流输出值，确定PWM脉冲。

其中，DSP模块可内置PWM脉冲产生算法，电流输出值作为PWM脉冲产生算法的输入信号，其可输出PWM脉冲。

S233、基于PWM脉冲驱动电机运动。

示例性地，驱动模块基于PWM脉冲转换得到驱动电流脉冲，以驱动电机运动。

如此，实现无位置传感器的电机的驱动，以及位置、速度和电流的三闭环控制。

基于同一发明构思，本公开实施例还提供了一种永磁直线同步电机的控制系统，该控制系统可用于执行上述实施方式中的任一种控制方法。因此，该控制系统也具有上述实施方式中的控制方法所具有的有益效果。

示例性地，图5为本公开实施例提供的一种永磁直线同步电机的控制系统的结构示意图。参照图5，该控制系统包括：光栅脉冲检测电路311，用于在动子经过光栅读数头时，获取光栅计数脉冲信号；反电势电压检测电路312，用于获取定子绕组回路的反电势电压信号；电磁参数标定模块341，用于基于光栅计数脉冲信号和反电势电压信号，确定电磁参数标定值；反电势电压检测电路312还用于在动子与光栅读数头错开时，获取定子绕组回路的当前反电势电压信号；当前参数确定模块342，用于基于电磁参数标定值和当前反电势电压信号，确定电机当前位置和当前速度。

其中，电磁参数标定模块341中可设置双端电机绕组电磁参数标定算法，光栅脉冲检测电路311获取到的光栅计数脉冲信号以及反电势电压检测电路312获取到的反电势电压信号作为电磁参数标定模块341的输入值，利用双端电机绕组电磁参数标定算法确定电磁参数标定值，即实现标定电磁参数；该电磁参数标定值输入至当前参数确定模块342，当前参数确定模块342中可设置基于标定参数和反电势电压信号的位置、速度估计算法(即基于电磁参数标定值和反电势电压信号的位置估计算法)，电机定子的当前反电势电压信号也作为当前参数确定模块342的输入，算法执行之后可输出当前位置和当前速度，即实现无位置传感器的电机位置和速度的探测。

示例性地，结合图2，当电机动子011从某一端进入电机定子021时，在电机定子021两端的光栅读数头023和电机动子011的底部光栅尺013的交互区间，通过光栅读数头021得到表示电机定子021和电机动子011相对位置的光栅尺013的反射计数脉冲值，该值和反电势电压信号输入到DSP模块35内，标定电机电磁参数；当电机动子011位于电机定子021上方时，光栅读数头023和光栅尺013没有交互，此时根据电磁参数标定值和当前反电势电压信号在DSP模块35内估计电机位置值和速度值，即得到电机的当前位置和当前速度。

在一实施例中，图6为本公开实施例提供的另一种永磁直线同步电机的控制系统的结构示意图。在图5的基础上，参照图6，该控制系统还可包括：期望参数获取模块321，用于获取电机的期望位置和期望速度；电流参考值确定模块322，用于基于期望位置、期望速度、当前位置以及当前速度，确定电流参考值；电流检测反馈模块323，用于获取电机的当前电流值；闭环控制模块324，用于基于电流参考值和当前电流值，实现电流的闭环控制；基于期望位置和当前位置，实现位置的闭环控制；以及基于期望速度和当前速度，实现速度的闭环控制。

其中，期望参数获取模块321中可设置期望参数获取算法，其获取的期望位置和期望速度，作为位置闭环控制和速度闭环控制的参考值。电流参考值确定模块322中可设置位置、速度闭环控制算法，用于基于当前参数确定模块确定的当前速度和当前位置，以及基于期望参数获取模块321获取的期望位置和期望速度，执行得到电流参考值，便于实现电流闭环控制。电流检测反馈模块323获取当前电流值，闭环控制模块324除包括上述位置、速度闭环控制算法之外，还可设置电流闭环控制算法，从而实现电流闭环控制，如此实现电流、位置以及速度的三闭环控制。

在一实施例中，继续参照图6，该控制系统还可包括：电流输出值确定模块331，用于基于电流参考值和当前电流值，确定电流输出值；电流输出值确定模块331设置于闭环控制模块324内；驱动信号确定模块332，用于基于电流输出值，确定PWM脉冲；驱动模块333，用于基于PWM脉冲驱动电机运动。

其中，电流输出值确定模块331可包括上述电流闭环控制算法，其输出电流输出值；驱动信号确定模块332中可设置PWM脉冲产生算法，可基于电流输出值执行得到PWM脉冲，驱动模块333基于该PWM脉冲驱动电机，从而实现电机的驱动与闭环控制。

在一实施例中，继续参照图6，驱动模块333包括依次连接的高速光耦隔离电路3331、驱动电路3332以及三相逆变桥电路3333，高速光耦隔离电路3331用于接收PWM脉冲，三相逆变桥电路3333与电机连接；电流检测反馈模块323包括电流传感器3231、过流保护信号产生电路3232以及电流传感器接口电路3233，电流传感器3231用于检测三相逆变桥电路3333输出的当前电流值，过流保护信号产生电路3232用于实现对驱动电路3332的过流保护，电流传感器接口电路3233用于将当前电流值传输至闭环控制模块324。

在一实施例中，继续参照图6，该控制系统还可包括：数字信号处理模块35(即DSP模块35)、上位机接口电路361、上位机362；数字信号处理模块35包括电磁参数标定模块341、当前参数确定模块342、期望参数获取模块321、电流参考值确定模块322、闭环控制模块324、电流输出值确定模块331以及驱动信号确定模块332；期望参数获取模块321通过上位机接口电路361从上位机362获得期望速度和期望位置，并将该期望速度和期望位置作为电机速度闭环控制和位置闭环控制的参考值。

示例性地，结合图3和图6，本公开实施例中的控制系统包括DSP模块35、双端电机绕组电磁参数标定模块341(即电磁参数标定模块341)、基于电磁参数标定值和反电势电压信号的位置估计模块342(即当前参数确定模块342)、无位置传感器闭环控制模块34、上位机接口电路361、驱动模块333、电流检测反馈模块323等。其中，DSP模块35包括：硬件电路部分(即DSP芯片)和在DSP芯片内基于硬件编程实现的控制算法部分，硬件电路部分由一片DSP芯片和相应的电源配置芯片构成，在DSP芯片内基于硬件编程实现的控制算法包括：位置、速度闭环控制算法、电流闭环控制算法、PWM脉冲产生算法、AD控制算法、双端电机绕组电磁参数标定算法和基于标定参数和反电势电压信号的位置、速度估计算法。

DSP模块35通过上位机接口电路364从上位机362获得期望速度和期望位置，该期望速度作为电机控制算法中的速度参考值，该期望位置作为电机控制算法中的位置参考值。双端电机绕组电磁参数标定模块341中的光栅脉冲检测电路311将检测到的光栅计数脉冲信号转换成0～3.3V的DSP模块35的输入信号，基于电磁参数标定值和反电势电压信号的位置估计模块342中的反电势电压检测电路312将检测到的反电势电压信号转换成0～3.3V的DSP模块的输入信号，上述输入信号被DSP模块35接收之后，经双端电机绕组电磁参数标定算法输出必要的电磁参数标定值，该必要的电磁参数标定值可包括：交直轴同步电感值和永磁体磁链值。电磁参数标定值作为输入和反电势电压信号一同参与到基于标定参数和反电势电压信号的位置、速度估计算法中，用于估计出电机当前位置和当前速度。

电流传感器3231检测电机的电流值，将其传给过流保护信号产生电路3232，产生过流保护信号，并传给驱动电路3332，实现过流保护；检测到的电流值同时输入给电流传感器接口电路3233，该电路在AD控制算法的控制下，对电流值进行采样和模数转换，并转换成0～3.3V的DSP模块35的输入信号，该信号则是电流闭环控制算法所需的反馈电流值。

以上获得的位置值、速度值、电流值通过位置、速度闭环控制算法和电流闭环控制算法以及PWM脉冲产生算法后，输出PWM脉冲：PWM1-PWM6，该驱动脉冲经高速光耦隔离电路3331、驱动电路3332和三相逆变桥电路3333产生电机速度控制所需的驱动电流脉冲，实现电机速度的精准控制。

示例性地，图7为本公开实施例提供的永磁直线同步电机的控制系统的控制原理示意图。参照图6和图7，以速度闭环控制为例，上位机362根据需求给出电机的期望速度，该期望速度为电机控制算法中的速度参考值。DSP模块35获得当前电机的光栅计数脉冲信号和反电势电压信号，并由双端电机绕组电磁参数标定算法解算出电机的电磁参数标定值：交直流同步电感和磁链，再由基于标定参数和反电势电压信号的位置、速度估计算法，结合电磁参数标定值和当前反电势电压信号解算出实际的位置值和速度值，即当前速度和位置。实际的速度值可输出至上位机362，进行实时显示。

将当前位置、期望位置、当前速度及期望速度作差，然后输入至位置、速度闭环控制算法来判断当前电机需要加速或减速，并生成相应的电流参考值。DSP模块35根据采得的电机的当前电流值作为电流信号反馈值，该反馈值和电流参考值经电流闭环控制算法之后生成所需的电流输出值，该电流输出值输出至PWM脉冲产生算法，产生驱动控制电动机需要的PWM脉冲，即PWM1至PWM6。该三闭环控制算法使得电动机的速度控制精度大大提高，通过对电磁参数的标定使得位置、速度的估计更为准确，从而实现精准的无位置传感器控制，使电机能够以较高精度稳定在任意期望速度下。

在一实施例中，数字信号处理模块35包括数字信号处理芯片和电源配置芯片；电源配置芯片用于为数字信号处理芯片供电。

其中，DSP模块35包括：硬件电路部分和在DSP芯片内基于硬件编程实现的控制算法部分，硬件电路部分由一片DSP芯片和相应的电源配置芯片构成，在DSP芯片内基于硬件编程实现的控制算法包括：双端电机绕组电磁参数标定算法、基于标定参数和反电势电压信号的位置、速度估计算法、电流闭环控制算法、PWM脉冲产生算法、AD控制算法和位置、速度闭环控制算法。

DSP模块35从光栅脉冲检测电路311获得计数脉冲信号，从反电势电压检测电路312获得反电势电压信号，经过双端电机绕组电磁参数标定算法输出电磁参数标定值，电磁参数标定值和反电势电压信号参与到基于标定参数和反电势电压信号的位置、速度估计算法中，估计出电机当前位置和当前速度，该当前位置和当前速度与从上位机362获得的期望速度和期望位置比较，生成位置、速度闭环控制算法的输入信号，位置、速度闭环控制算法输出的控制量作为电流参考值，由AD控制算法控制的电流传感器接口电路获得电机电流的反馈值，该电流参考值和反馈值作差经电流闭环控制算法，得到电流输出值，实现位置、速度、电流三环闭环控制。然后，再经由PWM脉冲产生算法生成驱动电机所需的PWM脉冲，经过驱动模块最终驱动电动机运行。

示例性地，图8为本公开实施例提供的永磁直线同步电机的控制系统的数字信号处理模块35的硬件电路部分原理图。参照图8，DSP芯片可采用TMS320F28377(部分管脚没有列出)；3.3V外部时钟源信号直接接入DSP芯片的XCLKIN引脚，提供频率为150MHz的方波信号，为整个DSP芯片提供时间基准。电源配置芯片可采用TPS75005，用于分别给DSP芯片提供1.9V、3.3V的基准电压；JTAG接口电路可以为DSP芯片烧录程序和在线调试，并且可以很好地跟踪代码。

在一实施例中，数字信号处理芯片采用TI-C2000系列，驱动模块333采用TI-DRV8301驱动板。

在其他实施方式中，数字信号处理芯片还可采用其他类型的DSP芯片，驱动模块333也可采用其他类型的驱动电路板，本公开实施例对此不限定。

在上述实施方式的基础上，继续参照图3，无位置传感器闭环控制模块34包括：双端电机绕组电磁参数标定模块341和基于电磁参数标定值和反电势电压信号的位置估计模块342。双端电机绕组电磁参数标定模块341可以测得表示电机定子和动子间相对位置的光栅计数脉冲信号，并和反电势电压信号解算出电机电磁参数标定值，而基于电磁参数标定值和反电势电压信号的位置估计模块342将标定的电磁参数和测得的当前反电势电压信号作为输入，输出当前直线电机的位置估计值，再由微分运算得出速度估计值，用于位置、速度闭环控制。

示例性地，双端电机绕组电磁参数标定模块341的硬件由位于电机动子底部的光栅尺和位于电机定子两端的光栅读数头组成光栅脉冲检测电路311，光栅读数头的信号输出线直接连接DSP芯片的GPIO口，当电机动子经过光栅读数头时，其输出周期性的计数脉冲信号，通过计算脉冲的计数值，可以得到电机动子和电机定子的相对位置，通过测试计数脉冲信号的周期，可以得到电机动子相对于电机定子的相对速度，该相对位置和相对速度输出至DSP模块的双端电机绕组电磁参数标定算法，结合电机绕组的反电势电压信号来标定电机的电磁参数。

示例性地，基于电磁参数标定值和反电势电压信号的位置估计模块342的硬件为反电势电压检测电路312，电机定子绕组两端连接成回路，在回路中串联一个精密采样电阻，通过测量该采样电阻两端的电压间接获得电机定子绕组的反电势电压信号，该反电势电压信号最终输入到DSP模块，用于电磁参数标定和反电势位置估计。

基于上述，无位置传感器闭环控制模块34的工作方式为：当电机动子从某一端进入到电机定子上方时，在光栅读数头和光栅尺的交互区，光栅读数头能够得到表示电机动子和定子相对位置的计数脉冲信号，对该计数脉冲信号计数能够得到电机动子和电机定子的相对位置，根据相对位置信号和此时的反电势电压信号，可以标定出电机动子和电机定子的电磁参数；当电机动子位于电机定子上方，而光栅读数头和光栅尺没有交互时，可以根据已知的电磁参数标定值和此时电机定子绕组的反电势电压信号，估计出电机动子和电机定子之间的相对位置估计值，作为电机闭环控制信号的反馈值。

在上述实施方式的基础上，本公开实施例主要是解决永磁直线同步电机无法在电机动子和定子之间通过线缆进行位置信号传输的问题。产生该技术问题的原因主要是由于通常控制器安装在电机定子端，电机动子在多个电机定子串联的轨道上自由运动，因此无法使用位置传感器进行位置反馈。且电机动子在运动到不同的电机定子上方时，由于电机动子和定子之间的电机电磁参数不同，对控制系统的控制精度将有一定影响。

本公开实施例提供的控制系统，为永磁直线同步电机无位置传感器控制系统，是一种能够对永磁直线同步电机进行无位置传感器控制的数字装置：包括DSP模块35、上位机接口电路361、驱动模块333、电流检测反馈模块323、双端电机绕组电磁参数标定模块341、基于电磁参数标定值和反电势电压信号的位置估计模块342、无位置传感器闭环控制模块34。DSP模块35通过上位机接口电路361从上位机362获得期望速度，该期望速度作为电机位置、速度闭环控制算法中的速度参考值；由双端电机绕组电磁参数标定模块341的光栅脉冲检测电路311输出的计数脉冲信号和反电势电压检测电路输出的反电势电压信号直接输入至DSP模块35，DSP模块35内的双端电机绕组电磁参数标定算法输出电磁参数标定值，该电磁参数标定值和反电势电压信号参与到基于标定参数和反电势电压信号的位置、速度估计算法中，估计出电机当前的位置值和速度值；同时电流检测反馈模块323检测电机的当前电流值，该电流检测反馈模块323产生过流保护信号反馈至驱动模块333，实现过流保护；同时，在DSP模块35的控制下对该当前电流值进行采样和模数转换后反馈至DSP模块35，在DSP模块35内进行位置、速度、电流三闭环控制，产生PWM脉冲，该PWM脉冲经驱动模块333后生成电机所需的控制电流，从而实现对永磁直线同步电机的控制。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种永磁直线同步电机的控制方法，其特征在于，所述电机的动子底部设置光栅尺，所述电机的定子两端设置光栅读数头；所述控制方法包括：

当动子经过所述光栅读数头时，获取光栅计数脉冲信号；

获取定子绕组回路的反电势电压信号；

基于所述光栅计数脉冲信号和所述反电势电压信号，确定电磁参数标定值；

当动子与所述光栅读数头错开时，获取定子绕组回路的当前反电势电压信号；

基于所述电磁参数标定值和所述当前反电势电压信号，确定电机当前位置和当前速度。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括：

获取电机的期望位置和期望速度；

基于所述期望位置、期望速度、当前位置以及当前速度，确定电流参考值；

获取电机的当前电流值；

基于所述电流参考值和所述当前电流值，实现电流的闭环控制；

基于所述期望位置和所述当前位置，实现位置的闭环控制；以及

基于所述期望速度和所述当前速度，实现速度的闭环控制。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，还包括：

基于所述电流参考值和所述当前电流值，确定电流输出值；

基于所述电流输出值，确定PWM脉冲；

基于所述PWM脉冲驱动所述电机运动。

4.一种永磁直线同步电机的控制系统，其特征在于，用于执行权利要求1-3任一项所述的控制方法，所述控制系统包括：

光栅脉冲检测电路，用于在动子经过所述光栅读数头时，获取光栅计数脉冲信号；

反电势电压检测电路，用于获取定子绕组回路的反电势电压信号；

电磁参数标定模块，用于基于所述光栅计数脉冲信号和所述反电势电压信号，确定电磁参数标定值；

所述反电势电压检测电路还用于在动子与所述光栅读数头错开时，获取定子绕组回路的当前反电势电压信号；

当前参数确定模块，用于基于所述电磁参数标定值和所述当前反电势电压信号，确定电机当前位置和当前速度。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，还包括：

期望参数获取模块，用于获取电机的期望位置和期望速度；

电流参考值确定模块，用于基于所述期望位置、期望速度、当前位置以及当前速度，确定电流参考值；

电流检测反馈模块，用于获取电机的当前电流值；

闭环控制模块，用于基于所述电流参考值和所述当前电流值，实现电流的闭环控制；基于所述期望位置和所述当前位置，实现位置的闭环控制；以及基于所述期望速度和所述当前速度，实现速度的闭环控制。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，还包括：

电流输出值确定模块，用于基于所述电流参考值和所述当前电流值，确定电流输出值；所述电流输出值确定模块设置于所述闭环控制模块内；

驱动信号确定模块，用于基于所述电流输出值，确定PWM脉冲；

驱动模块，用于基于所述PWM脉冲驱动所述电机运动。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于：

所述驱动模块包括依次连接的高速光耦隔离电路、驱动电路以及三相逆变桥电路，所述高速光耦隔离电路用于接收所述PWM脉冲，所述三相逆变桥电路与所述电机连接；

所述电流检测反馈模块包括电流传感器、过流保护信号产生电路以及电流传感器接口电路，所述电流传感器用于检测所述三相逆变桥电路输出的当前电流值，所述过流保护信号产生电路用于实现对所述驱动电路的过流保护，所述电流传感器接口电路用于将所述当前电流值传输至所述闭环控制模块。

8.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，还包括：数字信号处理模块、上位机接口电路、上位机；所述数字信号处理模块包括所述电磁参数标定模块、所述当前参数确定模块、所述期望参数获取模块、所述电流参考值确定模块、所述闭环控制模块、所述电流输出值确定模块以及所述驱动信号确定模块；

所述期望参数获取模块通过所述上位机接口电路从所述上位机获得所述期望速度和所述期望位置，并将该所述期望速度和期望位置作为电机速度闭环控制和位置闭环控制的参考值。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述数字信号处理模块包括数字信号处理芯片和电源配置芯片；

所述电源配置芯片用于为所述数字信号处理芯片供电。

10.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，数字信号处理芯片采用TI-C2000系列，所述驱动模块采用TI-DRV8301驱动板。

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