CN113162503B - 一种无霍尔直线电机初始电气角度学习方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无霍尔直线电机初始电气角度学习方法,其包括有如下步骤:步骤S1,采用二分查找的方式迭代搜索动子电气角度;步骤S2,判断动子是否处于机械边缘,若是,则拖动动子离开机械边缘,然后返回至步骤S1,若否,则执行步骤S3;步骤S3,对学习结果进行校验:向所述步骤S1中搜索得到的动子电气角度位置发出电压矢量,通过增量编码器反馈的数据来判断动子是否移动,若动子发生移动,则说明搜索结果不准确,学习失败;若动子不移动,则该动子电气角度即为学习得到的动子初始电气角度,学习过程结束。本发明能够在系统上电时学习动子的电气角度,无需安装额外的传感器,学习过程中动子的移动范围较小,学习结果准确性较高。
Description
技术领域
本发明涉及无霍尔直线电机,尤其涉及一种无霍尔直线电机初始电气角度学习方法。
背景技术
直线电机是旋转伺服电机在结构方面的一种变形,它可以看作是一台旋转伺服电机沿其径向剖开,然后拉平演变而成。直线电机与旋转伺服电机相比,主要有如下几个特点:一是结构简单,由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置,因而使得系统本身的结构大为简化,重量和体积也大大下降;二是定位精度高,在需要直线运动的地方,直线电机可以实现直接传动,因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差;三是反应速度快、灵敏度高,随动性好。随着设备的升级,对传动部件的要求越来越高,直线电机的应用领域越来越广泛。
现有技术中,一般采用SVPWM的方式对直线电机进行控制,在这种控制方式下,需要驱动器时刻获知电机动子在定子磁场中的电气角度,具体实现手段是:直线电机一般安装增量光栅或者磁栅来反馈动子位置,进而计算出电气角度。这种增量的反馈编码器只能反馈相对位置,在系统初始上电时,驱动器无法获取动子的电气角度。
针对上述问题,一种方法是在动子上安装霍尔传感器,由霍尔传感器反馈动子在定子永磁体磁场的大致位置,驱动器以这个大致位置计算的初始电气角度来驱动动子,在动子移动一定距离后通过了参考点,驱动器才能通过增量反馈获取到准确的电气角度。此外,还可以通过一些特别的方法学习动子的初始电气角度。
例如,公开号为CN103684184A的中国发明专利提出了一种直线电机初始相位确定方法,其将具有三种不同电角度相位且每个相位下方向相反的六个电流依次通入到电机动子的线圈阵列中,使动子运动,利用传感器测量每种电流下动子的加速度,通过一定算法计算电机初始相位值。很多应用场合,上电后不希望动子大范围移动,该方案需要驱动动子移动电机极距的整数倍,并不适用。
公开号为CN108448992A的中国发明专利提出了一种永磁直线电机动子初始位置估算方法,通过向永磁直线电机定子电枢绕组注入一系列不连续脉冲电压,采集脉冲电压的电流相应,通过一系列的判断流程来确定d轴的角度和极性。该方案估算的精度与注入脉冲电压的次数以及采集电流的精度有关,要达到较高的精度,注入的次数要足够多,估算的时间长,此外,如何合理的选取脉冲电压的参数,使动子在估算过程中移动较小,又有足够的电流响应,在实际工程应用中也是一个问题。
此外,也有采用高频正/余弦信号注入法检测永磁直线电机动子初始位置,但高频正/余弦信号注入法,操作方法复杂,辨识精度不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的不足,提供一种能够在系统上电时学习动子的电气角度,无需安装额外的传感器,学习过程中动子的移动范围较小,学习结果准确性较高的无霍尔直线电机初始电气角度学习方法。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案。
一种无霍尔直线电机初始电气角度学习方法,其包括有如下步骤:步骤S1,采用二分查找的方式迭代搜索动子电气角度;步骤S2,判断动子是否处于机械边缘,若是,则拖动动子离开机械边缘,然后返回至步骤S1,若否,则执行步骤S3;步骤S3,对学习结果进行校验:向所述步骤S1中搜索得到的动子电气角度位置发出电压矢量,通过增量编码器反馈的数据来判断动子是否移动,若动子发生移动,则说明搜索结果不准确,学习失败;若动子不移动,则该动子电气角度即为学习得到的动子初始电气角度,学习过程结束。
优选地,所述步骤S1中,搜索动子电气角度的过程包括:步骤S10,电机驱动器发出开环电压矢量,从360度电气角度的中间位置开始发出电压矢量,每发出一次电压矢量,都通过增量编码器反馈的数据来判断动子所处的区间;步骤S11,确定动子所处的区间后,在对应区间的中间位置发出电压矢量,继续通过增量编码器反馈的数据来判断动子所处的区间;重复上述步骤S10至步骤S11,通过不断的迭代,电机驱动器发出的电压矢量的电气角度逐步接近动子所处的电气角度,在二者基本重合时,动子不再在电机驱动器发出的电压矢量作用下移动,此时电压矢量所对应的角度即搜索得到的动子电气角度,之后进入所述步骤S2。
优选地,所述步骤S2中,判断动子是否处于机械边缘的过程包括:步骤S20,向搜索得到的动子电气角度左边或者右边发出电压矢量;步骤S21,通过增量编码器反馈的数据来判断动子的移动方向,若动子不能往电压矢量的方向移动,则说明动子在该方向上靠近了机械边缘,此时可以向反方向缓慢增加电压矢量角度,拖动动子离开机械边缘,在动子离开机械边缘足够的距离后,返回至步骤S1重新进行搜索。
优选地,所述步骤S1至所述步骤S3中,电机驱动器发出电压矢量并拖动电机动子的过程中,当增量编码器反馈的数据中体现出动子移动量超过预设的限制值时,驱动器内部立即短路电机的UVW线圈,使动子以最快的速度停止,从而减小动子在学习过程中的移动范围。
优选地,电机驱动器发出电压矢量的上升时间、持续时间、下降时间和矢量强度均通过参数来配置。
本发明公开的无霍尔直线电机初始电气角度学习方法,其相比现有技术而言的有益效果在于:首先,本发明可以在系统上电时学习直线电机动子的电气角度,不需要安装额外的传感器;其次,本发明在学习过程中,动子的移动范围较小;此外,本发明在动子处于机械边缘时也能得到正确的学习结果,较好地满足了应用需求。
附图说明
图1为本发明无霍尔直线电机初始电气角度学习方法的流程图;
图2为本发明一种应用举例中搜索直线电机动子电气角度过程的示意图;
图3为本发明一种应用举例中使用电压矢量的示意图;
图4为进行左边缘检测时,动子处于左边缘两种情况时的状态示意图;
图5为进行左边缘检测时,动子不处于左边缘时的状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种无霍尔直线电机初始电气角度学习方法,请参见图1,其包括有如下步骤:
步骤S1,采用二分查找的方式迭代搜索动子电气角度;
步骤S2,判断动子是否处于机械边缘,若是,则拖动动子离开机械边缘(具体是由驱动器发出电压矢量,矢量的角度变化,拖动动子离开机械边缘),然后返回至步骤S1,若否,则执行步骤S3;
步骤S3,对学习结果进行校验:向所述步骤S1中搜索得到的动子电气角度位置发出电压矢量,通过增量编码器反馈的数据来判断动子是否移动,若动子发生移动,则说明搜索结果不准确,学习失败;若动子不移动,则该动子电气角度即为学习得到的动子初始电气角度,学习过程结束。
上述方法的所述步骤S1中,搜索动子电气角度的过程包括:
步骤S10,电机驱动器发出开环电压矢量,从360度电气角度的中间位置(即180度位置)开始发出电压矢量,每发出一次电压矢量,都通过增量编码器反馈的数据来判断动子所处的区间;
步骤S11,确定动子所处的区间后,在对应区间的中间位置发出电压矢量,继续通过增量编码器反馈的数据来判断动子所处的区间;
重复上述步骤S10至步骤S11,通过不断的迭代,电机驱动器发出的电压矢量的电气角度逐步接近动子所处的电气角度,在二者基本重合时,动子不再在电机驱动器发出的电压矢量作用下移动,此时电压矢量所对应的角度即搜索得到的动子电气角度,之后进入所述步骤S2。
进一步地,在所述步骤S2中,判断动子是否处于机械边缘的过程包括:
步骤S20,向搜索得到的动子电气角度左边或者右边发出电压矢量;
步骤S21,通过增量编码器反馈的数据来判断动子的移动方向,若动子不能往电压矢量的方向移动,则说明动子在该方向上靠近了机械边缘,此时可以向反方向缓慢增加电压矢量角度,拖动动子离开机械边缘,在动子离开机械边缘足够的距离后,返回至步骤S1重新进行搜索。
基于上述实现原理,本发明公开的无霍尔直线电机初始电气角度学习方法,其相比现有技术而言的有益效果在于:首先,本发明可以在系统上电时学习直线电机动子的电气角度,不需要安装额外的传感器;其次,本发明在学习过程中,动子的移动范围较小;此外,本发明在动子处于机械边缘时也能得到正确的学习结果,较好地满足了应用需求。
作为一种优选方式,所述步骤S1至所述步骤S3中,电机驱动器发出电压矢量并拖动电机动子的过程中,当增量编码器反馈的数据中体现出动子移动量超过预设的限制值时,驱动器内部立即短路电机的UVW线圈,使动子以最快的速度停止,从而减小动子在学习过程中的移动范围。
进一步地,电机驱动器发出电压矢量的上升时间、持续时间、下降时间和矢量强度均通过参数来配置。可配置的上升时间和下降时间可以缓解电压矢量发出时动子的振动问题,可配置的持续时间和矢量强度可以适应不同电气参数的直线电机。
为了更加清楚地描述本发明的技术方案,本发明提供了如下实施例。
实施例一
本实施例作为搜索直线电机动子电气角度的一个实例,请参见图2,首先向180度方向发出电压矢量,包含三种可能,分别是线圈不动、向正方向运动(反馈脉冲增加)、向负方向运动(反馈脉冲减少)。具体地:
1、如果不动,则搜索完成,转子的电气角度就是当前矢量指向的位置;
2、如果向正方向运动,则接下来往180-(90/1)=90度方向发出电压矢量;
3、如果向负方向运动,则接下来往180+(90/1)=270度方向发出电压矢量;
以上一步骤中线圈向正方向运动为例,往90度方向发出电压矢量,包含三种可能,分别是线圈不动、向正方向运动、向负方向运动。具体地:
1、如果不动,则搜索完成,转子的电气角度就是当前矢量指向的位置;
2、如果向正方向运动,则接下来往90-(90/2)=45度方向发出电压矢量;
3、如果向负方向运动,则接下来往90+(90/2)=135度方向发出电压矢量;
以上一步骤中线圈向负方向运动为例,往135度方向发出电压矢量,有三种可能,分别是线圈不动、向正方向运动、向负方向运动。具体地:
1、如果不动,则搜索完成,转子的电气角度就是当前矢量指向的位置;
2、如果向正方向运动,则接下来往135-(90/4)=112.5度方向发出电压矢量;
3、如果向负方向运动,则接下来往135+(90/4)=157.5度方向发出电压矢量;
按照上述步骤依次类推,多次迭代后,线圈最终在矢量发出时不动,此时的矢量角度就是线圈所处的电气角度。
此外,在各个步骤矢量拖动电机动子的过程中,一旦编码器采集到动子移动量超过预设的限制值,驱动器内部立即短路电机的UVW线圈,这样可以使动子以最快的速度停止,减小动子在学习过程中的移动范围。
本实施例使用的电压矢量示意图请参见图3,其中,电压矢量的上升时间、持续时间、下降时间和矢量强度可以由参数来配置。可配置的上升时间和下降时间可以缓解电压矢量发出时动子的振动问题,可配置的持续时间和矢量强度可以适应不同电气参数的直线电机。
当搜索电气角度过程结束后,会得到一个搜索结果,以这个结果为基准进行边缘检测。首先进行左边缘检测:向这个角度-15度位置发出一个电压矢量,记录这个电压矢量导致的线圈的运动,有三种可能:
1、不动,说明线圈运动受限,处于左边缘。
2、向右边运动,说明动子处于边缘导致识别结果错误。
3、以上两种情况,向右缓慢增加电压矢量角度,拖动动子离开机械边缘,在动子离开机械边缘足够的距离后,重新搜索动子电气角度。
如图4所示展示了本实施例左边缘检测,动子处于左边缘的两种情况。其中动子向左边运动,记录动子的移动量,进行下一步。
如图5所示展示了本实施例左边缘检测,动子不处于左边缘的示意图。其中,以识别结果和上一步编码器检测到的动子移动量为基准计算新的动子电气角度,向这个角度的+15度位置发出一个电压矢量,记录这个电压矢量导致的线圈的运动,有三种可能:
1、不动,说明线圈运动受限,处于右边缘;
2、向左边运动,说明动子处于边缘导致识别结果错误。
3、以上两种情况,向左缓慢增加电压矢量角度,拖动动子离开机械边缘,在动子离开机械边缘足够的距离后,重新搜索动子电气角度。
然后向右边运动,记录动子的移动量,进行下一步学习结果的校验。
实际应用中,根据电气角度搜索的结果和边缘检测时两次施加电压矢量导致的动子位置变化量,计算最后动子停止位置的电气角度,向此电气角度发出电压矢量,记录这个电压矢量导致的线圈的运动,有三种可能:
1、向左边运动,学习结果错误。
2、向右边运动,学习结果错误。
3、不动,学习完成,这个电压矢量的角度就是学习的结果。
基于上述实施例可见,相比现有技术而言,本发明能够在系统上电时学习动子的电气角度,无需安装额外的传感器,学习过程中动子的移动范围较小,学习结果准确性较高。
以上所述只是本发明较佳的实施例,并不用于限制本发明,凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等,均应包含在本发明所保护的范围内。
Claims (1)
1.一种无霍尔直线电机初始电气角度学习方法,其特征在于,包括有如下步骤:
步骤S1,采用二分查找的方式迭代搜索动子电气角度;
步骤S2,判断动子是否处于机械边缘,若是,则拖动动子离开机械边缘,然后返回至步骤S1,若否,则执行步骤S3;
步骤S3,对学习结果进行校验:向所述步骤S1中搜索得到的动子电气角度位置发出电压矢量,通过增量编码器反馈的数据来判断动子是否移动; 若动子发生移动,则说明搜索结果不准确,学习失败;若动子不移动,则该动子电气角度即为学习得到的动子初始电气角度,学习过程结束;
所述步骤S1中,搜索动子电气角度的过程包括:
步骤S10,电机驱动器发出开环电压矢量,从360度电气角度的中间位置开始发出电压矢量,每发出一次电压矢量,都通过增量编码器反馈的数据来判断动子所处的区间;
步骤S11,确定动子所处的区间后,在对应区间的中间位置发出电压矢量,继续通过增量编码器反馈的数据来判断动子所处的区间;
重复上述步骤S10至步骤S11,通过不断的迭代,电机驱动器发出的电压矢量的电气角度逐步接近动子所处的电气角度,在二者基本重合时,动子不再在电机驱动器发出的电压矢量作用下移动,此时电压矢量所对应的角度即搜索得到的动子电气角度,之后进入所述步骤S2;
所述步骤S2中,判断动子是否处于机械边缘的过程包括:
步骤S20,向搜索得到的动子电气角度左边或者右边发出电压矢量;
步骤S21,通过增量编码器反馈的数据来判断动子的移动方向,若动子不能往电压矢量的方向移动,则说明动子在该方向上靠近了机械边缘,此时可以向反方向缓慢增加电压矢量角度,拖动动子离开机械边缘,在动子离开机械边缘足够的距离后,返回至步骤S1重新进行搜索;
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