CN112803859A - 基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统，包括DSP系统、上位机模块、动子进入定子阶段双端电机绕组电磁参数标定模块、动定子完全耦合阶段推力波动抑制模块、动子退出定子阶段电磁推力补偿模块、电流检测反馈模块、电机驱动模块、速度位置解算模块、上位机接口电路、磁栅脉冲检测电路、反电势电压检测电路和PWM脉冲产生算法；磁栅脉冲检测电路检测得到包含位置速度信息的脉冲信号，电磁参数标定模块输出该段电机的电磁参数信息；电流检测反馈模块检测得到电机的电流值。本发明提供的一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统更容易实现模块化控制，可拓展性更好，维护更加方便。

Description

基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统

技术领域

本发明涉及分段式控制算法的技术领域，具体地，涉及基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统。

背景技术

直线电机的特点在于能够直接产生直线运动，相较于传统旋转电机而言，无中间传动机构且没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，除直线电机导轨以外没有任何其他的摩擦，运行的行程在理论上不受任何限制，性能不会因行程大小的改变而受到影响，可提供更宽范围的运行速度，尤其在高速状态下其优势更为突出，此外，直线电机瞬时加速度大、运行平稳、精度和重复精度高，而且能够很好地解决传动效率和可靠性等问题，同时成本较低且更易于维护，近年来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出现后，永磁直线同步电机因其高效率和功率因数大、响应速度快、力能指标高和损耗小等特点，相比于其他高速精密系统相比，具有很大的优越性。

现阶段直线电机基本都是定子连续型的，而本专利研究的直线电机是一种适用于地下管廊自动运输系统的定子分段式直线电机，即定子间断地安装于地下运输轨道，运输货物的载体安装于动子上，当动子被驱动时即可实现货物的地下运输功能，不仅提高了运输效率，同时也减轻了城市地面交通压力。本系统的特点是可以实现电机的分时接力驱动，当动子到达一定子段上时被驱动，退出该段定子后自由滑行至下一定子再次被驱动，循环往复，从而实现地下管廊长距离自动运输系统，这种方式不仅大大减小了系统成本，也使得控制系统能耗大幅降低。

由于定子不连续直线电机结构上的特殊性，电机运行阶段主要包括动子进入定子阶段、动子与定子完全耦合阶段以及动子退出定子阶段。由于加工装配等误差，动子在进入每个定子时均需对电磁参数进行标定以提高后续的控制精度，在动定子完全耦合阶段，需对推力波动进行抑制从而提高电机的控制精度，而在退出阶段，由于电磁拖拽力的影响，需对电磁推力进行补偿以减小动子的失速现象。

针对上述中的相关技术，发明人认为上述系统存在控制精度低的问题，因此，需要提出一种技术方案以改善上述技术问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统。

根据本发明提供的一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统，包括DSP系统、上位机模块、动子进入定子阶段双端电机绕组电磁参数标定模块、动定子完全耦合阶段推力波动抑制模块、动子退出定子阶段电磁推力补偿模块、电流检测反馈模块、电机驱动模块、速度位置解算模块、上位机接口电路、磁栅脉冲检测电路、反电势电压检测电路和PWM脉冲产生算法；

所述DSP系统分别与动子进入定子阶段双端电机绕组电磁参数标定模块、动定子完全耦合阶段推力波动抑制模块和动子退出定子阶段电磁推力补偿模块相连接，所述上位机模块与DSP系统连接，所述电流检测反馈模块分别与DSP系统和电机驱动模块相连接，所述电机驱动模块与DSP系统相连接，所述速度位置解算模块分别与动定子完全耦合阶段推力波动抑制模块和磁栅脉冲检测电路相连接，所述反电势电压检测电路与动子进入定子阶段双端电机绕组电磁参数标定模块相连接。

优选地，所述DSP系统通过上位机接口电路从上位机获得期望速度和期望位置。

优选地，所述磁栅脉冲检测电路检测得到包含位置速度信息的脉冲信号，所述反电势电压检测电路检测得到电机的反电势电压信号，所述电磁参数标定模块输出该段电机的电磁参数信息。

优选地，所述速度位置解算模块输出动子位置、速度信息，所述电流检测反馈模块检测得到电机的电流值，所述PWM脉冲产生算法产生PWM脉冲。

优选地，所述速度位置解算模块检测到的速度位置信号，所述电磁推力补偿算法模块中电磁拖拽力与动子位置的实时关系模型。

优选地，所述DSP系统包括：硬件电路部分和在DSP片内基于硬件编程实现的控制算法部分；

所述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模块、推力波动抑制模块、电磁推力补偿模块、速度位置解算模块、位置速度闭环控制算法、电流闭环控制算法和PWM脉冲产生算法；

所述DSP系统获取速度位置解算模块测得动子速度和位置信号，该测量值和从上位机接口电路获得的期望位置和速度作差作为位置、速度闭环控制算法的输入信号，将位置、速度闭环控制算法输出控制量作为电流参考值，将电流检测反馈模块测得的电流值作为电流环的电流反馈值，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参考值，PWM脉冲产生算法生成驱动电机所需的PWM脉冲，PWM脉冲经由驱动模块生成相应的三相控制电流，驱动电机运行。

优选地，所述速度位置检测模块包括：磁栅脉冲检测电路和速度位置解算算法；

所述磁栅脉冲检测电路检测得到的包含动子位置和速度信息的脉冲信号，速度位置解算算法根据脉冲信号的计数值进行速度和位置的解算。

优选地，所述双端电机绕组电磁参数标定模块包括位于速度位置检测模块、反电势电压检测电路和电磁参数标定算法；

所述速度位置检测模块检测得到电机动子的速度和位置信息，反电势电压检测电路检测得到电机反电势电压，将速度、位置及反电势电压信息输入至DSP系统的双端电机绕组电磁参数标定算法中，标定出该段电机的电磁参数。

优选地，所述的动定子完全耦合阶段推力波动抑制模块包括速度位置检测模块和推力波动抑制算法；

所述速度位置检测模块检测得到动子的速度位置信息，推力波动抑制算法结合该速度位置信息对推力波动进行实时观测和补偿。

优选地，所述退出阶段电磁推力补偿模块包括速度位置检测模块和电磁推力补偿算法；

所述磁栅脉冲检测电路将检测得到的脉冲信号通过GPIO口传送至DSP系统中处理，速度位置检测模块得到动子相对定子的实时位置信息，电磁推力补偿模块根据电磁拖拽力与动子位置的关系模型对电磁推力进行准确补偿。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.由于本发明的定子分段式的设计方式，仅需以一定间隔安装定子段，无需在整个运输轨道上都安装定子，极大降低了系统的成本；

2.本发明对于电机动子的控制采用了分时接力驱动的方式，即当动子运行到定子上方再进行驱动，大大降低了整个控制系统的能耗；

3.本发明由于电机不同阶段的运行特点，分段式的控制方式更能针对性的解决不同阶段存在的控制问题；

4.系统更容易实现模块化控制，可拓展性更好，维护更加方便。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明中的单段直线电机结构示意图；

图3为本发明动子运行全程速度示意图；

图4为本发明中电机的控制原理框图。

其中：1、位置速度闭环控制算法；14、电流检测反馈模块；15、磁栅脉冲检测电路；17、速度位置解算模块；18、动子进入定子阶段双端电机绕组电磁参数标定模块；19、动定子完全耦合阶段推力波动抑制模块；2、上位机接口电路；20、动子退出定子阶段电磁推力补偿模块；21、DSP系统；22、反电势电压检测电路；23、电机驱动模块；24、上位机模块；25、速度位置检测模块；4、电流闭环控制算法；6、PWM脉冲产生算法。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1，发明提供的一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统主要由DSP系统21、上位机模块24、速度位置检测模块25、电机分段式控制算法模块16、电机驱动模块23、电流检测反馈模块14组成，其中DSP系统21包括：硬件电路部分和在DSP片内基于硬件编程实现的控制算法部分构成，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1、电流闭环控制算法4、电机分段式控制算法16、PWM脉冲产生算法6及速度位置解算算法17；上位机模块24包括：上位机3以及上位机接口电路2；电机驱动模块23包括：高速光耦隔离电路7、驱动电路8以及三相逆变桥电路9；速度位置检测模块25包括：磁栅脉冲检测电路15以及速度位置解算算法17；电流检测反馈模块14包括：电流传感器13、电流传感器接口电路11以及过流保护信号产生电路12。

DSP系统21通过上位机接口电路2从上位机3获得期望速度和期望位置。速度位置检测模块25检测得到的速度和位置作为速度反馈值和位置反馈值。电流检测反馈模块14检测电机的电流值并产生过流保护信号实现过流保护，将该电流值作为电流闭环控制算法3所需的反馈电流值，结合三个相应运行阶段的控制算法实现速度、位置、电流的三闭环控制，然后经PWM脉冲产生算法6产生PWM脉冲信号，再通过电机驱动模块23产生驱动电流，实现直线电机的高精度驱动。

参照图2，电机动子底部安装永磁体，上方安装有磁栅读数头，定子上安装绕组线圈，定子侧面的运行轨道上安装有磁栅尺，端部安装有光电检测开关。定子端部的光电检测开关用于检测动子与定子的相对位置关系，判断动子是在进入阶段、完全重合阶段还是退出阶段，从而切换到相应的电机控制算法。磁栅读数头和磁栅尺用于提供动子的位置信息以实现闭环控制。

参照图3，当动子进入定子阶段先进行电磁参数标定，将该标定的电磁参数传送至DSP中；当动子与定子完全耦合阶段，首先将进入阶段标定好的电磁参数更新至控制算法中，据此对电磁参数进行调整，然后结合推力波动抑制算法对此阶段的推力波动进行抑制，进一步提高电机的控制精度；退出阶段，根据电磁拖拽力与动子位置的实时关系模型对电磁推力进行补偿，从而减小该阶段动子的失速现象。当动子处于定子间隙时则依靠惯性滑行，当运行至下一定子时再次被驱动，循环往复，从而实现地下管廊自动运输的功能。

参照图4，控制原理如下：首先上位机模块根据需求给出直线电机动子的期望位置和期望速度，该期望位置和期望速度为电机位置、速度闭环控制算法中的位置、速度参考值。位置检测模块检测含有位置信息的脉冲信号，经速度位置解算算法得到当前电机动子的位置值及速度值。期望速度值和实际速度值、期望位置值和实际位置值作为DSP系统中位置、速度闭环控制算法的输入信号。通过位置、速度闭环控制算法判断当前电机需要加速、减速还是保持当前运行状态不变，并生成相应的电流参考值。DSP系统将采得的电机的电流信号作为电流反馈值，电流参考值、该电流反馈值以及结合电机所处运行阶段控制算法得到的电流调整值经电流闭环控制算法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所需的PWM脉冲，即PWM1至PWM6，再经驱动模块后驱动电机按期望运行。该速度、位置、电流三闭环控制算法使得电机的控制精度大大提高。

该种分段式的定子不连续直线电机控制方式具有模块化和可拓展性强的特点，各个模块的电机在系统统一调度下工作，但又相互独立，当某一定子上方没有动子时即可停止工作，大大降低了能耗，提高了运输效率。该控制方法虽为定子不连续直线电机控制系统而设计，但是其应用不失一般性，也可以作为其他分段式控制系统中的控制方式。应用者可以根据其自身的应用要求修改软件算法中的相关算法和参数以满足自身系统的需要，使用范围更广，灵活性更强。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统，其特征在于，包括DSP系统(21)、上位机模块(24)、动子进入定子阶段双端电机绕组电磁参数标定模块(18)、动定子完全耦合阶段推力波动抑制模块(19)、动子退出定子阶段电磁推力补偿模块(20)、电流检测反馈模块(14)、电机驱动模块(23)、速度位置解算模块(17)、上位机接口电路(2)、磁栅脉冲检测电路(15)、反电势电压检测电路(22)和PWM脉冲产生算法(6)；

所述DSP系统(21)分别与动子进入定子阶段双端电机绕组电磁参数标定模块(18)、动定子完全耦合阶段推力波动抑制模块(19)和动子退出定子阶段电磁推力补偿模块(20)相连接，所述上位机模块(24)与DSP系统(21)相连接，所述电流检测反馈模块(14)分别与DSP系统(21)和电机驱动模块(23)相连接，所述电机驱动模块(23)与DSP系统(21)相连接，所述速度位置解算模块(17)分别与动定子完全耦合阶段推力波动抑制模块(19)和磁栅脉冲检测电路(15)相连接，所述反电势电压检测电路(22)与动子进入定子阶段双端电机绕组电磁参数标定模块(18)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统，其特征在于，所述DSP系统(21)通过上位机接口电路(2)从上位机获得期望速度和期望位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统，其特征在于，所述磁栅脉冲检测电路(15)检测得到包含位置速度信息的脉冲信号，所述反电势电压检测电路(22)检测得到电机的反电势电压信号，所述电磁参数标定模块(18)输出该段电机的电磁参数信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统，其特征在于，所述速度位置解算模块(17)输出动子位置、速度信息，所述电流检测反馈模块(14)检测得到电机的电流值，所述PWM脉冲产生算法(6)产生PWM脉冲。

5.根据权利要求1所述的一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统，其特征在于，所述速度位置解算模块(17)检测到的速度位置信号，所述电磁推力补偿算法模块(20)中电磁拖拽力与动子位置的实时关系模型。

6.根据权利要求1所述的一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统，其特征在于：所述DSP系统(21)包括：硬件电路部分和在DSP片内基于硬件编程实现的控制算法部分；

所述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模块(18)、推力波动抑制模块(19)、电磁推力补偿模块(20)、速度位置解算模块(17)、位置速度闭环控制算法(1)、电流闭环控制算法(4)和PWM脉冲产生算法(6)；

所述DSP系统(21)获取速度位置解算模块测得动子速度和位置信号，该测量值和从上位机接口电路(2)获得的期望位置和速度作差作为位置、速度闭环控制算法(1)的输入信号，将位置、速度闭环控制算法(1)输出控制量作为电流参考值，将电流检测反馈模块(14)测得的电流值作为电流环的电流反馈值，电流参考值和反馈值作差经电流闭环控制算法(4)得到电流输出参考值，PWM脉冲产生算法(6)生成驱动电机所需的PWM脉冲，PWM脉冲经由驱动模块生成相应的三相控制电流，驱动电机运行。

7.根据权利要求1所述的一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统，其特征在于：所述速度位置检测模块(25)包括：磁栅脉冲检测电路(15)和速度位置解算算法(17)；

所述磁栅脉冲检测电路(15)检测得到的包含动子位置和速度信息的脉冲信号，速度位置解算算法(17)根据脉冲信号的计数值进行速度和位置的解算。

8.根据权利要求2所述的一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统，其特征在于：所述双端电机绕组电磁参数标定模块(18)包括位于速度位置检测模块(25)、反电势电压检测电路(22)和电磁参数标定算法(18)；

所述速度位置检测模块(25)检测得到电机动子的速度和位置信息，反电势电压检测电路(22)检测得到电机反电势电压，将速度、位置及反电势电压信息输入至DSP系统(21)的双端电机绕组电磁参数标定算法(18)中，标定出该段电机的电磁参数。

9.根据权利要求2所述的一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统，其特征在于：所述的动定子完全耦合阶段推力波动抑制模块(19)包括速度位置检测模块(25)和推力波动抑制算法；

所述速度位置检测模块(25)检测得到动子的速度位置信息，推力波动抑制算法结合该速度位置信息对推力波动进行实时观测和补偿。

10.根据权利要求2所述的一种基于分段式控制算法的定子不连续直线电机控制系统，其特征在于：所述退出阶段电磁推力补偿模块(20)包括速度位置检测模块(25)和电磁推力补偿算法；

所述磁栅脉冲检测电路(15)将检测得到的脉冲信号通过GPIO口传送至DSP系统(21)中处理，速度位置检测模块(25)得到动子相对定子的实时位置信息，电磁推力补偿模块(20)根据电磁拖拽力与动子位置的关系模型对电磁推力进行准确补偿。

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