CN114070138A - 永磁同步直线电机的绕组切换控制系统、方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步直线电机的绕组切换控制系统、方法及装置，该方法对直线电机动子静止时的初始位置进行测量；根据所述第一位置数据和所述初始位置计算动子实时位置；根据所述动子实时位置和所述第二位置数据比较结果来判断计算的动子实时位置是否准确；在计算的动子实时位置准确，则输出动子位置；根据动子位置与定子绕组段的对应关系控制切换器单元的切换。本发明可以对动子位置进行实时测量并修正，提高了系统的容错性，很大程度降低了动子失步给系统运行带来的风险，提高了系统的可靠性。此外，本发明绕组切换控制系统可以实现多分段永磁同步直线电机的高可靠性的绕组切换。

Description

永磁同步直线电机的绕组切换控制系统、方法及装置

技术领域

本发明涉及直线电机助推发射技术领域，特别涉及一种永磁同步直线电机的绕组切换控制系统、方法及装置。

背景技术

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的传动装置，传统的旋转电机加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置已经远远不能满足现代控制系统的要求。直线电机一改以往以链条、钢丝绳、传送带、齿条丝杠和蜗轮蜗杆等传统的中间转换环节,克服了传统机械转换机构的传动链长、体积大、效率低、响应慢、精度低等缺陷。直线电机由于结构简单、直接传动、响应快速等突出优点发展迅速，广泛应用于电梯、高速磁悬浮列车、高精度机床等工业领域。

电磁式直线推进/弹射是近些年来新兴的前沿技术，在轨道交通系统、垂直提升系统和对撞测试平台等工业应用领域都具备广泛的应用前景。电磁推进/弹射系统是直接将电磁能转化成动能的装置，无论是在系统可靠性、推重比、可循环利用性，还是成本等方面均优于传统的蒸汽、液压和燃料火箭推进装置。舍弃了间接传动装置的直线电机直接驱动技术在电磁推进系统中是最具研究潜力和挑战性的环节，对特种直线电机及其驱动控制系统的研究可进一步拓展直线电磁推进/弹射系统的应用领域，也成为当前国内外研究的焦点。

永磁直线同步电机相对于感应直线电机优势明显，其具有推力密度高、功率因数高、损耗低、响应速度快和可控性好等优点，这些优点充分的保证了其良好的品质因数。根据结构特点可以将永磁直线同步电机分为两类：长初级短次级型和短初级长次级型，后者需要驱动电缆随动子一起高速运动，降低了系统的可靠性。而行程过长容易带来相电阻及电感值过大、驱动电压高、电磁损耗大和整体效率低等问题，所以考虑对电机初级进行分段，如图1。初级分段直线电机原理上是将一个大功率的直线电机分解成多个小功率的直线电机单元，这样避免对初级绕组整体供电，只需驱动与次级耦合的初级段，有利于减小驱动系统压力和提升效率。另外，从制造与维护的角度考虑，模块化的初级绕组分段结构具备拓扑结构灵活、便于加工制造、拆卸组装方便，行程长度可调和易于维护等诸多优点。

按照驱动电源数量的多少，分段直线电机的驱动供电系统可分为单逆变器驱动和多逆变器驱动。单逆变器方案驱动控制策略相对简单，但是对初级绕组的切入切出时间要求极为严格，由于存在切换开关的开通关断延时、位置检测的误差以及切换控制器的延时等，实际系统中很难做到开通和关断的完美配合，分段驱动过程中将不可避免会出现明显的电磁推力波动，目前国内外采用这种供电方式的研究很少。多逆变器驱动策略同时采用两个或两个以上的逆变器交替的驱动初级段，它对逆变器容量的要求相对于单逆变器方案较小，但控制方法及绕组切换方法又相对复杂，多个驱动控制器之间也需要同步控制。例如图2 用于电磁弹射系统的永磁直线同步电机的初级分成十二段，供电系统则是采用双逆变器交替供电策略。在大功率的应用场合控制开关可以采用晶闸管来代替 IGBT或继电器等器件。

在多逆变器驱动方案实际应用于直线电机的控制时，对各个电机分段的切换控制是影响直线电机稳定运行的关键所在。由于绕组切换装置与电机本体安装在一起，在高温、油污、粉尘等恶劣情况下，容易造成位置传感器发生故障，另外高压高频等电磁环境也容易在信号传输过程中对传感器信号造成未知干扰，这些现象均易导致电机供电发生异常，引起电机失步，直接影响电机的稳定运行。现在并没有专门用于多分段永磁同步直线电机的高可靠性的绕组切换控制系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种用于多分段永磁同步直线电机的高可靠性的绕组切换控制系统。

本发明的第二目的在于提供一种绕组切换控制方法。

本发明的第三目的在于提供一种绕组切换控制装置。

本发明的第四目的在于提供一种计算机可读介质。

为实现上述目的，本发明的永磁同步直线电机的绕组切换控制系统，包括多个切换器单元、第一位置采集单元、多个第二位置采集单元和控制器，所述切换器单元的数量与定子绕组分段数量相对应，每段定子绕组通过对应的切换器单元与逆变器连接；所述第一位置采集单元用于采集动子移动的第一位置数据；所述多个第二位置采集单元的数量与定子绕组分段数量相对应，用于采集动子移动的第二位置数据；其中，所述控制器根据所述第一位置数据和所述第二位置数据计算动子位置，并根据动子位置驱动多个切换器单元选择性地通过逆变器向定子绕组段供电。

进一步，所述第一位置采集单元为编码器和激光测距系统。

进一步，所述第二位置采集单元为光传感器或电感式接近开关。

进一步，所述切换器单元包括电气开关和驱动电路。

本发明第二方面提供一种用于永磁同步直线电机的绕组切换控制方法，利用如第一方面所述的绕组切换控制系统，包括如下步骤：

对直线电机动子静止时的初始位置进行测量；

根据所述第一位置数据和所述初始位置计算动子实时位置；

根据所述动子实时位置和所述第二位置数据比较结果来判断计算的动子实时位置是否准确；

在计算的动子实时位置准确，则输出动子位置；

根据动子位置与定子绕组段的对应关系控制切换器单元的切换。

进一步，根据所述动子实时位置和所述第二位置数据比较结果来判断计算的动子实时位置是否准确包括：

计算动子实时位置值与所述第二位置数据的位置值的位置差值；

将位置差值与预设阈值进行比较；

在位置差值小于预设阈值时，则计算的动子实时位置准确；

在位置差值大于等于预设阈值时，则将计算的动子实时位置更新初始位置并重新计算动子实时位置。

本发明第三方面提供一种用于永磁同步直线电机的绕组切换控制装置，其特征在于，包括一个或多个处理器；以及

存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如第二方面所述的绕组切换控制方法。

本发明第四方面提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如第二方面所述的绕组切换控制方法。

本发明可以对动子位置进行实时测量并修正，提高了系统的容错性，很大程度降低了动子失步给系统运行带来的风险，提高了系统的可靠性。此外，本发明绕组切换控制系统可以实现多分段永磁同步直线电机的高可靠性的绕组切换。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为多分段永磁同步直线电机的结构示意图；

图2为用于电磁弹射系统的双逆变器切换开关连接示意图；

图3为本发明一实施例的用于永磁同步直线电机绕组切换控制系统的结构拓扑图；

图4为本发明一实施例的用于永磁同步直线电机绕组切换控制方法的流程图；

图5为本发明另一实施例的用于永磁同步直线电机绕组切换控制方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

如图3所示，本发明的永磁同步直线电机的绕组切换控制系统1，包括多个切换器单元11、第一位置采集单元12、多个第二位置采集单元13和控制器14，所述切换器单元11的数量与定子绕组分段数量相对应，每段定子绕组通过对应的切换器单元11与逆变器连接；所述第一位置采集单元12用于采集动子移动的第一位置数据；所述多个第二位置采集单元13的数量与定子绕组分段数量相对应，用于采集动子移动的第二位置数据；其中，所述控制器14根据所述第一位置数据和所述第二位置数据计算动子位置，并根据动子位置驱动多个切换器单元11选择性地通过逆变器向定子绕组段供电。

本实施例以三台逆变器驱动多分段永磁同步直线电机，对该切换控制系统进行说明，三台逆变器分别依次交替与对应的直线电机绕组分段通过该切换控制系统相连接。需要说的是，逆变器的数量并不局限于此，本发明并不以此为限制。

该系统分别与直线电机和驱动电源相连接。直线电机初级共分为n段 (n＝1,2,3……)，每个电机绕组分段在该装置中都对应一套切换器单元，包括电气开关(例如图4所示晶闸管)及其驱动电路等；该装置包含一套初始位移测量系统包括第一位置采集单元12，亦即图中位移传感器例如编码器系统、激光测距系统等，以及每个电机分段对应的一个第二位置采集单元13，亦即图中辅助传感器(例如光传感器、电感式接近开关等)组成的一套位移修正系统，两套系统配合使用；直线电机始端设有一套切换控制器，用于接收位移信号加以处理计算，对各个切换器进行控制，并与多台逆变器进行通讯以进行数据交互。假设驱动电源系统共有三台逆变器分别为逆变器1、2、3号，每台逆变器通过对应切换器与相应定子绕组相连接，即逆变器1号经过切换器(3n-2)号与电机绕组分段(3n-2)号连接，逆变器2号经过切换器(3n-1)号与电机绕组分段(3n-1)号连接，逆变器3号经过切换器(3n)号与电机绕组分段(3n)号连接。

该切换控制系统的工作方式如下。首先需要对直线电机动子静止时的初始位置进行准确定位，切换控制器14通过位移传感器12的输入信号实时计算动子位置，判断动子与哪一个或哪几个电机绕组分段重合，同时切换控制器14通过接收到的辅助传感器13信号对动子位置再次进行判断和修正，然后依照制定的切换控制策略对所有的切换器11发送实时控制信号指令，进而控制切换器11 中电气开关的开通与关断。同一台逆变器对应的一组切换器中不能出现有多个切换器同时开通的情况，以保证同一台逆变器同一时刻只给一段电机绕组进行供电。切换控制器经过通讯的方式将位置信息实时发送给三台逆变器，使得三台逆变器保持同步工作，为各段电机绕组正确可靠供电。

如图4所示，本发明第二方面提供一种用于永磁同步直线电机的绕组切换控制方法，利用上述的绕组切换控制系统，包括如下步骤：

步骤S410：对直线电机动子静止时的初始位置进行测量；

步骤S420：根据所述第一位置数据和所述初始位置计算动子实时位置；

步骤S430：根据所述动子实时位置和所述第二位置数据比较结果来判断计算的动子实时位置是否准确；

步骤S440：在计算的动子实时位置准确，则输出动子位置；

步骤S450：根据动子位置与定子绕组段的对应关系控制切换器单元的切换。

在步骤S410中对直线电机动子静止时的初始位置进行准确定位测量，作为动子参考位置。

在步骤S420中通过对初始位移传感器的输入信号的采集计算动子位移，结合动子参考位置计算动子实时位置。

在步骤S430-步骤S440中结合所有分段的辅助传感器输入信号，判断动子位置测量与计算是否准确，若位置误差在可接受阈值以内则输出该位置信息，若误差大于阈值则以当前值更新动子参考位置数值，并重新对动子位置进行计算后再次判断；

在步骤S450中根据动子位置，切换控制器依照制定的切换策略对所有的切换器发送实时控制信号指令，各切换器中的驱动电路根据收到的指令对电气开关进行开通或关断控制；各台逆变器给其对应通路的电机绕组段进行供电。

如图5所示，步骤S430还包括步骤S510-S540。

步骤S510：计算动子实时位置值与所述第二位置数据的位置值的位置差值；

步骤S520：将位置差值与预设阈值进行比较；

步骤S530：在位置差值小于预设阈值时，则计算的动子实时位置准确；

步骤S540：在位置差值大于等于预设阈值时，则将计算的动子实时位置更新初始位置并重新计算动子实时位置。

本发明第三方面提供一种用于永磁同步直线电机的绕组切换控制装置，其特征在于，包括一个或多个处理器；以及

存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如第二方面所述的绕组切换控制方法。

本发明第四方面提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如第二方面所述的绕组切换控制方法。

综上，本发明中所设计的多分段永磁同步直线电机切换控制系统具有以下优点：

1)可以就近自主对电机运行的参数信息进行计算和处理，并且可以独立进行切换控制，与各台逆变器只有通讯连接，极大简化和优化了整个直线电机及其控制系统的拓扑结构，使得信号传输及控制逻辑更加合理；

2)位移测量和位移矫正相互配合，提高了系统的容错性，很大程度降低了动子失步给系统运行带来的风险，提高了系统的可靠性；

3)由于切换控制器安装在直线电机侧，并且通过采用电转光信号等隔离式的信号传输方式对切换器进行控制，保证其在恶劣电磁环境下能够正常可靠工作。

4)该装置及其切换策略可以降低对逆变器的要求，电流调节相对灵活，同样适用于更多绕组分段或更多台逆变器的永磁同步直线电机的驱动控制，易于扩展，灵活性强。

根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU) 执行时，执行本申请的系统中限定的上述功能。

需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、 RF等等，或者上述的任意合适的组合。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本发明实施例中所涉及到的模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的模块也可以设置在处理器中。其中，这些模块的名称在某种情况下并不构成对该模块本身的限定。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等) 中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、触控终端、或者网络设备等)执行根据本发明实施方式的方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种永磁同步直线电机的绕组切换控制系统，其特征在于，包括多个切换器单元、第一位置采集单元、多个第二位置采集单元和控制器，所述切换器单元的数量与定子绕组分段数量相对应，每段定子绕组通过对应的切换器单元与逆变器连接；所述第一位置采集单元用于采集动子移动的第一位置数据；所述多个第二位置采集单元的数量与定子绕组分段数量相对应，用于采集动子移动的第二位置数据；其中，所述控制器根据所述第一位置数据和所述第二位置数据计算动子位置，并根据动子位置驱动多个切换器单元选择性地通过逆变器向定子绕组段供电。

2.如权利要求1所述的绕组切换控制系统，其特征在于，所述第一位置采集单元为编码器和激光测距系统。

3.如权利要求1所述的绕组切换控制系统，其特征在于，所述第二位置采集单元为光传感器或电感式接近开关。

4.如权利要求1所述的绕组切换控制系统，其特征在于，所述切换器单元包括电气开关和驱动电路。

5.一种用于永磁同步直线电机的绕组切换控制方法，其特征在于，利用如权利要求1-4任一项所述的绕组切换控制系统，包括如下步骤：

对直线电机动子静止时的初始位置进行测量；

根据所述第一位置数据和所述初始位置计算动子实时位置；

根据所述动子实时位置和所述第二位置数据比较结果来判断计算的动子实时位置是否准确；

在计算的动子实时位置准确，则输出动子位置；

根据动子位置与定子绕组段的对应关系控制切换器单元的切换。

6.如权利要求5所述的绕组切换控制方法，其特征在于，根据所述动子实时位置和所述第二位置数据比较结果来判断计算的动子实时位置是否准确包括：

计算动子实时位置值与所述第二位置数据的位置值的位置差值；

将位置差值与预设阈值进行比较；

在位置差值小于预设阈值时，则计算的动子实时位置准确；

在位置差值大于等于预设阈值时，则将计算的动子实时位置更新初始位置并重新计算动子实时位置。

7.一种用于永磁同步直线电机的绕组切换控制装置，其特征在于，包括一个或多个处理器；以及

存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求5或6所述的绕组切换控制方法。

8.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求5或6所述的绕组切换控制方法。

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