CN115102361A - 一种初级分段式直线电机动子位置检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种初级分段式直线电机动子位置检测装置，所述初级分段式直线电机的初级包括两个定子，每个定子由绕组线圈组成，次级由一个磁钢排列的铁板构成，铁板上N极磁铁和S极磁铁交替排列，动子长度大于单个定子长度；每个定子上均安装有一套动子位置检测装置；其中，每套所述动子位置检测装置包括两个主控板和一个长条段板子，所述两个主控板分别安装在一个定子的两端，所述长条段板子连接两个主控板并贴合在所述定子底面上；每个主控板与长条段板子上均设有霍尔电路。本发明提高位置反馈精度，增强了位置反馈系统的抗干扰性，通过测量霍尔位置传感器的输出脉冲信号，分辨率可达10um，可以满足初级分段式直线电机高速高精的要求。

Description

一种初级分段式直线电机动子位置检测装置
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种初级分段式直线电机动子位置检测装置。
背景技术
随着现代化工业技术的发展，短行程直线电机系统已不能满足某些工业场合的生产需求，现代工业对于驱动系统有着高速高精高动态的要求，不仅可以在生产过程中提高产品的质量，而且还可以提高生产的速度，初级分段式直线电机可以做到长行程的同时，减少了生产成本和维修成本，大大提高了生产效率，配合多传感器的应用，动子可以做到高精度控制，在一些生产精度要求较高的产品仍然适用，动子位置的获取在控制系统中起着至关重要的作用。对于分段式直线电机，国内注重于其结构的研究，对于位置传感器相较于国外研究较少，而初级分段式直线电机的位置传感器研究对于整个系统至关重要。
浙江大学的学者采用长定子直线电机分段驱动的方法设计了一种新型物流输送系统。哈尔滨大学的李立毅教授和其团队在初级分段式直线电机仿真、结构、控制和传感器方面进行了大量研究，其中针对连续分段直线电机的端部效应，提出了涉及端部效应的磁场和磁路修正方法；对无传感器的研究，提出了基于相邻段定子合成反电势的位置估算方法，构建了全阶速度观测器；针对初级分段直线电机的控制方法，提出了基于离散时间电流控制的段间电流同步交替跟踪控制策略，克服了由于绕组分段造成的推力波动问题。
日本九州大学的Kinjiro Yoshida教授等人在直线电机领域研究多年，他们将连续的初级分段结构应用于车辆驱动，提出一种新的直接转矩控制方法，对永磁直线同步机动车辆以减重模式对两个定子间通过进行控制。为通过部分控制引入了一个虚构部分。基于每个虚拟截面的电压方程，采用直接转矩控制方法获得升力和推力，并且无需位置和速度传感器，作者分别分析了启动、加速、匀速和减速阶段的运行情况，实验结果表明车辆的悬浮力得到了较好的控制，但是在推力上有一定的高频波动。
德国达姆施塔特理工大学的Roberto Leidhold教授等人提出提出了一种适用于长双端面永磁同步直线电机的主动导向系统，横向位移和偏航角由简单的轮轨系统控制，为了实现在导轨上运行多个动子，其将定子分为多段，每一段单独由一个驱动器控制。另外他们提出了一种不使用速度和位置传感器的多段长定子直线同步电机控制方法，作者使用两个EKF观测器分别用于奇数段和偶数段，达到对动子在定子过渡段的速度和位置的连续观测，此方法可以满足工业物料搬运，但是存在低速时性能下降和无法静止运行的缺点。
日本的学者Y.-J.Kim教授和H.Dohmeki教授等人对不连续初级分段直线电机进行研究并且依靠其成本低、控制简单等优点应用在了工厂长距离运输系统中。其团队通过仿真分析研究，分析齿槽力对直线电机的影响，并分析了静止状态和低速运行时受力情况，对永磁体进行了改进，并提出了无位置反馈的恒转矩角控制，降低了电机运行时的推力波动，但是其只能应用在水平运输中，不能垂直提升。
西安交通大学、郑州大学、太原理工大学等分别对初级分段式直线电机的建模仿真、运动过程和控制系统等方面进行研究，其中西安交通大学的学者提出了动子长度与定子长度之间的关系，并分析了动子在不连续定子间运动时的反电动势和推力变化。
无位置传感器算法最早应用在旋转电机上，美国学者R.D.Lorenz等人在电机低速运动时采用高频信号注入的方式来实现无位置传感器控制，天津大学采用推广卡尔曼滤波的方法来估算电机的位置和速度。清华大学提出了一种利用卡尔曼滤波器来进行信号处理的高频信号注入法来估计交流电动机的转子位置和转速的方法，这种方法在电机低速或零速时具有很好的稳定性和响应速度。北京科技大学的学者利用滑模观测器实现了电机低速情况下的位置估计。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种初级分段式直线电机动子位置检测装置，所述初级分段式直线电机的初级包括两个定子，每个定子由绕组线圈组成，次级包括一个动子，由一个磁钢排列的铁板构成，铁板上N极磁铁和S极磁铁交替排列，所述动子的长度大于单个定子的长度；每个定子上均安装有一套动子位置检测装置；其中，
每套所述动子位置检测装置包括两个主控板和一个长条段板子，所述两个主控板分别安装在一个定子的两端，所述长条段板子连接两个主控板并贴合在所述定子的底面上；
每个主控板与长条段板子上均设有霍尔电路。
进一步地，所述两个定子之间的距离加上单个定子长度等于所述动子长度。
进一步地，每个主控板上设有三霍尔电路，每个长条段板子上设有两霍尔电路。
进一步地，每个主控板还包括MCU电路、通信电路和电源电路，所述长条段板子还包括寄存器电路，所述MCU电路分别连接三霍尔电路、电源电路、通信电路、寄存器电路，所述寄存器电路还连接所述两霍尔电路和一个主控板内的三霍尔电路。
进一步地，每个所述电源电路分别连接所在主控板内的三霍尔电路、MCU电路、通信电路，其中一个电源电路连接所述两霍尔电路。
进一步地，每个所述三霍尔电路或两霍尔电路的霍尔信号送至所述MCU电路的ADC采样接口，经MCU电路对其对应扇区进行编码后，通过芯片内部算法来计算动子的速度与位置，并将计算的动子位置和速度通过通信电路发送到上位机或驱动器。
进一步地，所述两个主控板包括第一主控板和第二主控板；
所述上位机或驱动器通过RS232、RS485、JATG与第一主控板实现数据通信和程序下载，所述上位机或驱动器通过RS232与第二主控板通讯，第一主控板通过串口通信和电源线同时向第二主控板提供电源和中断。
进一步地，所述上位机或驱动器与每套所述动子位置检测装置通过RS485实现一对多信号传输，实时获取每个定子上动子的运动情况，并设置安全间距。
进一步地，所述三霍尔电路和两霍尔电路安装在同一平面内。
进一步地，所述芯片内部算法为以下中的一种：平均加速度法、使用q轴电流计算加速度的方法、或使用基于锁相环的滑模观测器和霍尔传感器相结合的方法。
本发明的优点在于：本发明针对初级分段式直线电机的位置反馈问题，设计初级分段式直线电机的结构，其实测数据与仿真数据基本接近，符合设计要求，在此基础上设计用于动子位置反馈的霍尔位置传感器，通过上电测试，其各项功能正常运行，在提高位置反馈精度上，采用霍尔位置传感器反馈与无位置传感器反馈相结合的算法结构，增强了位置反馈系统的抗干扰性，通过测量霍尔位置传感器的输出脉冲信号，分辨率可达10um，可以满足初级分段式直线电机高速高精的要求。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了根据本发明实施方式的初级分段式直线电机结构图。
附图2示出了根据本发明实施方式的霍尔传感器在电机上的安装示意图。
附图3示出了根据本发明实施方式的霍尔传感器硬件结构图。
附图4示出了根据本发明实施方式的霍尔信号处理流程图。
附图5示出了根据本发明实施方式的霍尔传感器通信拓扑结构图。
附图6示出了根据本发明实施方式的磁场与气隙的距离关系图。
附图7示出了根据本发明实施方式的三霍尔输出信号示意图。
附图8示出了根据本发明实施方式的电流补偿算法示意图。
附图9示出了根据本发明实施方式的电流补偿算法示意图。
附图10示出了根据本发明实施方式的初级分段式直线电机位置算法图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
初级分段式直线电机动子位置反馈在整个控制系统中起着至关重要的作用，本发明在霍尔位置传感器的原理上，设计了适用于分段结构的霍尔位置传感器，其包括了电源电路、通信电路等，通过和上位机的通讯，可以获得动子在分段定子间运动时的连续位置信息，通过对直线电机的电磁仿真，确定霍尔位置传感器的最优安装距离，同时优化霍尔位置传感器的对于位置信号的处理算法，提高其低速和启动时的位置获取精度，通过对霍尔位置传感器的输出进行测量，验证了各功能的正常运行。
1电机结构
初级分段式直线电机结构如图1所示，初级为绕组线圈，次级由磁钢排列的铁板构成，铁板上N极磁铁和S极磁铁交替排列。采用短初级长次级的结构设计，动子长度大于定子长度，将动子长度使用L1表示，定子使用L2表示，定子间距离使用L3表示，要使动子在两定子间所受电磁推力不变需满足L1＝L2+L3。
本发明采用动子磁钢长度为420mm，定子线圈长度为360mm，定子间距离为60mm。
对于动子在过渡段的推力仿真后可知，动子运行在定子1上的电磁推力变化为逐渐减少，动子运行在定子2上的电磁推力变化为逐渐增大，两个定子作用在动子上的电磁总推力与单个动定子所受推力基本相同。
2硬件设计及信号处理
2.1硬件设计
本发明基于霍尔传感器，设计了两种霍尔信号反馈电路，一种使用三个霍尔组成位置编码器，用来反馈动子进出定子时间以及传输动子位置信息，另一种由两个霍尔组成的电路，用来判断动子运动到定子哪个阶段，以实现驱动器切换控制。
霍尔传感器结构如图2所示，传感器结构分为三部分，两个主控板和一个长条段板子，主控板与长条段上均有霍尔电路，它们通过排针进行连接。
每一部分硬件板上功能电路如图3所示，在两个主控上设计三霍尔反馈电路，还包括MCU电路、通信电路和电源电路，两个主控板电路结构完全相同，减少线路错误连接时导致的损失，虽然两个主控板都有电源电路，但是实际使用时，外部24v电源只需连接到一个主控板上，内部电源线路通过中间段进行连接。中间段除了连接两个主控板，其上还包含两霍尔电路与寄存器电路，两霍尔电路用来感应动子在一段定子上的具体位置，判断动子何时运动到定子二分之一处，由于芯片只能串行处理数据，所以设计寄存器来临时存储霍尔信号。
例如主控1做为主要的数据处理芯片时，主控2上的霍尔信号及两霍尔信号都传输到主控1，整个板子电源由主控1提供，同理，主控2也可作为主要的数据处理板。
如图4所示为霍尔信号处理流程图，霍尔信号送至单片机ADC采样接口，经单片机对其对应扇区进行编码后，通过芯片内部算法来计算速度与位置，并将计算的动子位移和速度通过通信模块发送到上位机或驱动器。
霍尔传感器通信拓扑结构如图5所示，两个主控板上有三霍尔编码器电路、信号处理电路、通信电路以及电源电路等，控制器通过RS232、RS485、JATG与主控1实现数据通信和程序下载，控制器也可以通过RS232与主控2通讯，主控1与主控2通过串口通信和电源线同时向主控2提供电源和中断。上位机与多个霍尔传感器通过RS485实现一对多信号传输，实时获取每个定子上动子的运动情况，通过软件设置安全间距来保障动子的运行安全。
霍尔传感器的安装位置也会影响到其反馈信号的精准性，本发明的两种霍尔需安装在同一平面，霍尔传感器固定安装在定子上，需要根据动定子的磁场分析来确定霍尔传感器的安装距离。
在JMAG仿真软件里对直线电机动定子进行磁场强度仿真，初级分段式直线电机的定子线圈设计为36槽24极，极距为30mm。如图6示为磁场强度与气隙的关系图，图中可得到霍尔安装的最优距离是7.4mm。
2.2算法
本发明采用的三个开关霍尔在空间上呈120°电气角度排列，在直线电机中，按照一个极距的三分之一排列，这样三个霍尔的输出相位相差120°，占空比为50％。
如图7所示三个开关霍尔输出ha、hb、hc三个霍尔信号，三个霍尔信号可以将一个电周期划分六个区间，每个区间60°，这个区间被称为霍尔扇区。
每个霍尔会产生开关信号，处理芯片采集信号后记录其沿变化，高电平记为1，低电平记为0，将每个扇区根据高低电平编码，其对应的六个扇区范围如表1所示，每个扇区60°，信号处理芯片通过读取编码信息即可知道动子所处的电角度区间，如ha＝0、hb＝1、hc＝1时对应的区间为150°-210°扇区。
表1霍尔输出状态与电角度区间
Figure BDA0003718049180000071
2.2.1平均加速度法
如图8所示，假设动子在每个霍尔扇区的加速度是不变的，即动子在一个霍尔扇区内的瞬时速度与此霍尔扇区的平均速度相等，由此推导出动子在前两个霍尔扇区内的平均加速度为：
Figure BDA0003718049180000072
式中，Vn-1、Vn-2为动子在扇区n-2和n-1的平均速度。
可以认为an-1为扇区n-1的平均加速度，则当前扇区的初始速度和加速度可以用前一个扇区的平均速度和前两个扇区的平均加速来计算，当前扇区的动子速度和位置为：
V＝Vn-1+an-1ΔT (2)
Figure BDA0003718049180000073
式中，ΔT为动子在当前扇区的运动时间；Sn为动子进入第n霍尔扇区的初始位置。
2.2.2改进的霍尔信号处理算法
为了使直线电机在低速高速时都能流畅运行，在平均加速度的基础上利用q轴电流来补偿计算过程中对于加速度的估计，利用采样的三相电流进行坐标变换，可以得到dq轴中的q轴电流，由此计算出当前的动子加速度，下一扇区的平均加速度可以使用上一扇区计算所得动子加速度。如图9所示，相较于平均加速度法，使用q轴电流计算加速度的方法，只需要一个扇区来计算当前位置。
由直线电机电磁推力方程以及运动学方程得，忽略阻尼系数和负载阻力，可以得到直线电机加速度与电流的关系：
Figure BDA0003718049180000081
式中，
Figure BDA0003718049180000082
ψf为直线电机永磁体的磁链；M为直线电机动子质量。
如图9所示，假设动子由扇区n-1进入到扇区n时，当前q轴电流和加速度的关系如下：
Figure BDA0003718049180000083
则扇区的平均加速度an-1作为动子进入扇区n的加速度，则tn时刻动子的速度为vn-1：
Vn-1＝an-1(tn-tn-1) (6)
已知当前扇区的起始速度和加速度，则当前扇区的动子速度V和位置S为：
V＝Vn-1+an-1ΔT (7)
Figure BDA0003718049180000084
式中，ΔT为动子在当前扇区的运行时间。
2.2.3初级分段式直线电机位置算法结构设计
通过前面的分析，结合霍尔传感器和滑模观测器的优点，本发明采用如图10所示的算法结构来计算直线电机位置信息。霍尔传感器输出霍尔信号Ha、Hb、Hc，经过改进的平均加速度算法求解出位置和速度信息；同时根据采集到的直线电机三相电流ia、ib、ic和三相电压ud、ub、uc，经过Clark变换得到iα、iβ和uα、uβ，其变换后的信号作为滑模观测器的输入信号，经基于锁相环的滑模观测器提取出其中的位置和速度信息，经滤波后输出，霍尔传感器得到的位置信息和基于锁相环的滑模观测器得到的位置信息进行加权平均后，最终得到直线电机动子的实际位置。
在启动和低速阶段使用霍尔传感器获取位置，当直线电机高速运动时，使用基于锁相环的滑模观测器和霍尔传感器相结合的方法，减小霍尔传感器的误差和算法滞后，相较于单一的霍尔传感器或者滑模观测器，两种方法结合的位置算法结构可以使估算的位置信息更加准确，抗干扰能力更加强大。
3实验
3.1霍尔传感器上电测试
霍尔编码器PCB板制作完成后，需要对其进行上电测试以验证电源电路的正常工作，测试霍尔信号输出，确定其是否与预期信号相同，使用24V开关电源给霍尔编码器供电，使用万用表测量电源信号，电源模块稳定输出约3.3V，使用示波器分别测量两霍尔电路及三霍尔电路，将霍尔编码器在一块次级磁钢上滑动，记录霍尔输出信号。
两霍尔电路输出波形中，无磁场时输出端口拉高输出高电平，所以，当有磁场滑过时，电位由高变低。
三霍尔电路输出波形中，三霍尔空间位置是按照120°间距排列的，所以，当有磁场滑过时，会产生相差120°的矩形波。
寄存器输出测试波形中，寄存器输出幅值为3.3V，输出周期为50us，可以验证其功能正常。通过RS485输出波形，可见RS485通讯正常。
3.2动磁式直线电机测试
通过设计模组和电机，将霍尔编码器装配进模组，。
对直线电机进行反电动势测试，示波器连接定子线圈的三相电源线，匀速推动动子磁钢，采集到的波形中，经计算直线电机实测反电动势为57.69V/m/s，通过直线电机仿真的反电动势为60V/m/s。通过对霍尔位置传感器的输出信号分析，动子运动时，每一个极距输出3000个脉冲，其分辨率可以达到10um，直线电机达到设计要求。
4结论
本发明针对初级分段式直线电机的位置反馈问题，设计初级分段式直线电机的结构，其实测数据与仿真数据基本接近，符合设计要求，在此基础上设计用于动子位置反馈的霍尔位置传感器，通过上电测试，其各项功能正常运行，在提高位置反馈精度上，采用霍尔位置传感器反馈与无位置传感器反馈相结合的算法结构，增强了位置反馈系统的抗干扰性，通过测量霍尔位置传感器的输出脉冲信号，分辨率可达10um，可以满足初级分段式直线电机高速高精的要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种初级分段式直线电机动子位置检测装置，其特征在于：
所述初级分段式直线电机的初级包括两个定子，每个定子由绕组线圈组成，次级包括一个动子，由一个磁钢排列的铁板构成，铁板上N极磁铁和S极磁铁交替排列，所述动子的长度大于单个定子的长度；每个定子上均安装有一套动子位置检测装置；其中，
每套所述动子位置检测装置包括两个主控板和一个长条段板子，所述两个主控板分别安装在一个定子的两端，所述长条段板子连接两个主控板并贴合在所述定子的底面上；
每个主控板与长条段板子上均设有霍尔电路。
2.根据权利要求1所述的一种初级分段式直线电机动子位置检测装置，其特征在于：
所述两个定子之间的距离加上单个定子长度等于所述动子的长度。
3.根据权利要求1或2所述的一种初级分段式直线电机动子位置检测装置，其特征在于：
每个主控板上设有三霍尔电路，每个长条段板子上设有两霍尔电路。
4.根据权利要求3所述的一种初级分段式直线电机动子位置检测装置，其特征在于：
每个主控板还包括MCU电路、通信电路和电源电路，所述长条段板子还包括寄存器电路，所述MCU电路分别连接三霍尔电路、电源电路、通信电路、寄存器电路，所述寄存器电路还连接所述两霍尔电路和一个主控板内的三霍尔电路。
5.根据权利要求4所述的一种初级分段式直线电机动子位置检测装置，其特征在于：
每个所述电源电路分别连接所在主控板内的三霍尔电路、MCU电路、通信电路，其中一个电源电路连接所述两霍尔电路。
6.根据权利要求4或5所述的一种初级分段式直线电机动子位置检测装置，其特征在于：
每个所述三霍尔电路或两霍尔电路的霍尔信号送至所述MCU电路的ADC采样接口，经MCU电路对其对应扇区进行编码后，通过芯片内部算法来计算动子的速度与位置，并将计算的动子位置和速度通过通信电路发送到上位机或驱动器。
7.根据权利要求6所述的一种初级分段式直线电机动子位置检测装置，其特征在于：
所述两个主控板包括第一主控板和第二主控板；
所述上位机或驱动器通过RS232、RS485、JATG与第一主控板实现数据通信和程序下载，所述上位机或驱动器通过RS232与第二主控板通讯，第一主控板通过串口通信和电源线同时向第二主控板提供电源和中断。
8.根据权利要求6或7所述的一种初级分段式直线电机动子位置检测装置，其特征在于：
所述上位机或驱动器与每套所述动子位置检测装置通过RS485实现一对多信号传输，实时获取每个定子上动子的运动情况，并设置两个定子之间的安全间距。
9.根据权利要求3所述的一种初级分段式直线电机动子位置检测装置，其特征在于：
所述三霍尔电路和两霍尔电路安装在同一平面内。
10.根据权利要求6所述的一种初级分段式直线电机动子位置检测装置，其特征在于：
所述芯片内部算法为以下中的一种：平均加速度法、使用q轴电流计算加速度的方法、或使用基于锁相环的滑模观测器和霍尔传感器相结合的方法。
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