CN115473459A - 一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测方法 - Google Patents

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章嘉辉
张和生
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Abstract

本发明公开一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测方法，属于永磁同步直线电机控制技术领域；一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测方法包括：将线性霍尔传感器安装于永磁同步直线电机的定子侧，沿NS方向间隔2/3极距均匀分布；沿动子运动方向，由线性霍尔传感器产生一直流偏置为Vcc/2的正弦电压信号；去除正弦电压信号的直流偏置，之后，匀速运动下的动子将在霍尔传感器中感应出三路对称的正弦信号，一个正弦周期对应两倍极距2τ，由此确定正弦信号的角度，即可提取出动子的位置信息。然后运用TM32F407芯片作为主控芯片，实现对三路霍尔信号的采集、滤波和计算，最后得到电角度信号，即可确定永磁同步直线电机动子的位置。

Description

一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测方法
技术领域
本发明属于永磁同步直线电机控制技术领域，具体涉及一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测方法。
背景技术
近年来，随着直线电机控制理论、电力电子技术、材料工艺的发展，直线电机的应用进入了新的发展阶段。当前直线电机的应用场合众多，如需直线运动的机械加工机床、轨道交通等。永磁同步直线电机具有结构体积小、推力大、效率高等优势，相比于传统机械中由滚珠丝杆提供的直线进给运动，直线电机可直接与直线运动部件刚性连接，能有效改善在机械传动中存在的摩擦、噪音等问题，因此直线电机控制系统具有更好的运动性能。如今，工业化、自动化的快速发展对高精度运动控制也提出了更高的要求，直线电机以其高精度和较快的动态响应特性成为了研究和工程应用的热点，在交流调速系统中占据了重要地位。
位置检测方法是直线电机控制系统研究中的关键环节之一，直接影响到直线电机的控制成本和性能，位置检测精度对电机的控制精度至关重要。直线电机磁极位置检测方法主要分为有位置传感器检测法和无位置传感器检测法两大类。目前应用较多的位置传感器有磁栅、光栅、拉杆位移传感器和霍尔传感器等。磁栅和光栅虽然检测精度较高，但其造价高、体积较大、对工作环境要求较高，严重限制了电机的使用范围。低分辨率的开关型和锁定型霍尔传感器尽管造价较低，但位置检测精度有限，多用于对位置检测精度要求不高的方波控制下的永磁无刷电机中。无位置传感器检测技术种类繁多，但对电机参数依赖性大、控制鲁棒性差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测方法，利用线性霍尔传感器，对永磁同步直线电机的位置进行实时检测，降低了位置传感器的成本，提高了位置精度，对工作环境要求更为宽松。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测方法，包括以下步骤：
步骤一：将线性霍尔传感器安装于永磁同步直线电机的定子侧，沿NS方向间隔2/3极距均匀分布；
步骤二：沿动子运动方向，由线性霍尔传感器产生一直流偏置为Vcc/2的正弦电压信号；
步骤三：去除正弦电压信号的直流偏置，之后，匀速运动下的动子将在霍尔传感器中感应出三路对称的正弦信号，一个正弦周期对应两倍极距2τ，由此确定正弦信号的角度，即可提取出动子的位置信息。
进一步地，步骤三中，匀速运动下的动子将在霍尔传感器中感应出三路对称的正弦信号，表达式为：
Figure BDA0003828149810000021
式中，UH表示霍尔传感器感应出的感应电压幅值，以A相霍尔的输出0度作为电角度的参考0度，θ表示相当于0度的电角度；取中间变量Uα和Uβ，满足下列关系式：
Figure BDA0003828149810000031
电角度θ可通过中间变量的反正切计算得到，θ的具体表达式如下：
Figure BDA0003828149810000032
进一步地，所述永磁同步直线电机当前运行位置的计算需要根据前后两次的电角度差值加以区分，并区分为：前后电角度的差值小于π以及前后电角度的差值大于π；并且当前后电角度的差值大于π时，认为前后两次的电角度不在同一个周期内。
进一步地，所述永磁同步直线电机当前运行位置计算的修正表达式为：
Figure BDA0003828149810000033
式中，θ1为上一位置计算时刻动子对应的电角度，θ2为当前时刻直线电机的动子所处位置对应的电角度，τ为直线电机的动子极距。
进一步地，所述线性霍尔传感器的输出信号本身就是关于位置的正余弦信号，能够直接用于电流环的坐标变换中。
进一步地，使用STM32F407芯片对三路霍尔信号进行采集、滤波和计算。
进一步地，所述线性霍尔传感器与商业驱动器兼容，能够生成绝对位置式、正余弦式以及增量式位置信号。
本发明的有益效果：
1、使用线性霍尔传感器进行永磁同步直线电机位置检测，缩小了电机整体驱动系统的体积，降低了控制硬件成本，提高了电机全行程段内的控制精度和平稳性，提升了对环境的耐受度，具有较高的实际应用价值；
2、使用STM32F407芯片对三路霍尔信号的采集、处理和计算，最后得到电角度，可以作为后续电机控制的重要判别信号；
3、以线性霍尔作为永磁同步直线电机控制系统的位置传感器，随着电机动子的运动，线性霍尔传感器的输出信号本身就是关于位置的正余弦信号，所以可以直接用于电流环的坐标变换中而不需要进行位置的解算和正余弦运算，可以减小电流环的计算负担并提高电流环动态性能；
4、线性霍尔传感器可以与商业驱动器兼容，可以生成绝对位置式、正余弦式以及增量式位置信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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为本发明的线性霍尔传感器安装示意图；
图2为本发明的线性霍尔传感器信号示意图；
图3为本发明应用于永磁同步直线电机控制系统结构框图；
图4为本发明的硬件设计框图；
图5为本发明的程序流程图；
图6为本发明的电角度波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测方法，包括以下步骤：
步骤一：将线性霍尔传感器固定安装于永磁同步直线电机的定子侧，沿NS方向间隔2/3极距均匀分布；线性霍尔传感器的安装位置如图1所示；
步骤二：沿动子运动方向，由线性霍尔传感器产生一直流偏置为Vcc/2的正弦电压信号，电压信号如图2所示；
步骤三：去除正弦电压信号的直流偏置，之后，匀速运动下的动子将在霍尔传感器中感应出三路对称的正弦信号，一个正弦周期对应两倍极距2τ，由此确定正弦信号的角度，即可提取出动子的位置信息；
步骤三中，去除直流偏置后，匀速运动下的动子将在霍尔传感器中感应出三路对称的正弦信号，用下式表示为：
Figure BDA0003828149810000051
式中，UH表示霍尔传感器感应出的感应电压幅值，以A相霍尔的输出0度作为电角度的参考0度，θ表示相当于0度的电角度；取中间变量Uα和Uβ，满足下列关系式：
Figure BDA0003828149810000061
因此电角度θ可通过中间变量的反正切计算得到，θ的具体表达式如下：
Figure BDA0003828149810000062
根据上式计算的A相霍尔θ角度，规定速度正方向为电角度增加的方向，可以得到电角度波形为三角波。
由于前后两次的电角度计算值可能不在同一个0～2π周期中，永磁同步直线电机当前运行位置的计算需要根据前后两次的电角度差值加以区分，可分为以下两种情况(前后电角度的差值小于π、前后电角度的差值大于π)；并且当前后电角度的差值大于π时，认为前后两次的电角度不在同一个周期内，需要修正；
Figure BDA0003828149810000063
式中，θ1为上一位置计算时刻动子对应的电角度，θ2为当前时刻直线电机的动子所处位置对应的电角度，τ为直线电机的动子极距。
永磁同步直线电机的控制系统一般是三闭环系统，电流闭环作为整个系统的最内部的环路，对外环的速度闭环和位置闭环以及整个系统的精度均有重要影响，因此如何实现精确快速的电流控制是设计永磁同步直线电机控制系统时很重要的一个问题。传统的电流闭环算法中均需要位置信号的正余弦值以实现电流解耦和坐标变换，以光栅尺和磁栅尺为位置传感器的系统中位置信号可以很容易的得到，之后每个周期计算位置的正余弦值，其中涉及的多次正余弦计算增加了控制器的计算负担，从而间接影响电流环动态性能。以线性霍尔作为永磁同步直线电机系统的位置传感器，其输出信号本身就是关于位置的正余弦信号，所以可以直接用于电流环的坐标变换中而不需要进行位置的解算和正余弦运算，可以减小电流环的计算负担并提高电流环动态性能；
图3是基于线性霍尔传感器的永磁同步直线电机控制系统结构框图，与传统磁场定向控制(FOC)不同的是，在该系统中并不计算实际位置和位置的正余弦值，而是直接将线性霍尔传感器输出的信号经过一定处理后生成变换矩阵(其中的元素均为常数，且只需要做一次线下整定即可得到)，以实现坐标变换的功能。该系统中省去了每个电流控制周期的位置解算和多次正余弦计算，所以能够减小控制器的计算负担并改善系统动态性能。
本发明选用ST公司生产的STM32F407系列芯片作为主控芯片，对获得的霍尔信号进行处理和运算。相比于上一代的STM32F1系列芯片，主频升级到168MHz，支持浮点运算单元(FPU)和DSP指令集，运算能力有较为明显的提升。芯片的模数转换器(ADC)采集三路互差120°的霍尔信号，使用直接存储区访问(DMA)的功能进行数据搬运。DMA为实现数据高速在外部寄存器与存储器之间传输提供了高效的办法，因为其实现高速数据移动过程无需任何CPU操作控制。DMA将ADC中的数据传输完成后，进入中断，并在中断中完成滤波和上述的电角度计算过程。
图4、图5是本发明的硬件设计框图和程序流程图。ADC正常连续采样三个通道，由DMA进行搬运，一次搬运30个数据，即为1-2-3-1-2-3循环，每个通道各10次，存在数组AD_Value[10][3]中，10为每通道十个数据，3为三个通道，根据二维数组存储方式此过程自动完成。而每当一次DMA过程结束后，触发DMA完成中断，进入滤波函数将10个数据均值成一个，存入数组After_filter[3]中。均值滤波的过程即为先找出10个数据中的最大值与最小值，然后将这两个数据剔除，剩下8个数据取平均值。整个过程滤波计算需要CPU参与，而在程序中采样结果值随时均为最新，尽力解决程序复杂性和CPU负载。根据ADC的分辨率，按照相应公式，即可得到即时电压值。然后由上述的推导的公式，计算出电角度，可以用数模转换器(DAC)输出结果，通过示波器观察。电角度波形如图6所示。电角度信息还可通过SPI通信传给电机驱动器，可以生成绝对位置式，正余弦式以及增量式位置信号，经由其内部算法实现对电机的控制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将线性霍尔传感器安装于永磁同步直线电机的定子侧，沿NS方向间隔2/3极距均匀分布；
步骤二：沿动子运动方向，由线性霍尔传感器产生一直流偏置为Vcc/2的正弦电压信号；
步骤三：去除正弦电压信号的直流偏置，之后，匀速运动下的动子将在霍尔传感器中感应出三路对称的正弦信号，一个正弦周期对应两倍极距2τ，由此确定正弦信号的角度，即可提取出动子的位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步直线电机位置检测方法，其特征在于，步骤三中，匀速运动下的动子将在霍尔传感器中感应出三路对称的正弦信号，表达式为：
Figure FDA0003828149800000011
式中，UH表示霍尔传感器感应出的感应电压幅值，以A相霍尔的输出0度作为电角度的参考0度，θ表示相当于0度的电角度；取中间变量Uα和Uβ，满足下列关系式：
Figure FDA0003828149800000012
电角度θ可通过中间变量的反正切计算得到，θ的具体表达式如下：
Figure FDA0003828149800000021
3.根据权利要求2所述的一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测方法，其特征在于，所述永磁同步直线电机当前运行位置的计算需要根据前后两次的电角度差值加以区分，并区分为：前后电角度的差值小于π以及前后电角度的差值大于π；并且当前后电角度的差值大于π时，认为前后两次的电角度不在同一个周期内。
4.根据权利要求3所述的一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测方法，其特征在于，所述永磁同步直线电机当前运行位置计算的修正表达式为：
Figure FDA0003828149800000022
式中，θ1为上一位置计算时刻动子对应的电角度，θ2为当前时刻直线电机的动子所处位置对应的电角度，τ为直线电机的动子极距。
5.根据权利要求1所述的一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测方法，其特征在于，所述线性霍尔传感器的输出信号本身就是关于位置的正余弦信号，能够直接用于电流环的坐标变换中。
6.根据权利要求1所述的一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测方法，其特征在于，使用STM32F407芯片对三路霍尔信号进行采集、滤波和计算。
7.根据权利要求1所述的一种基于线性霍尔的永磁同步直线电机位置检测方法，其特征在于，所述线性霍尔传感器与商业驱动器兼容，能够生成绝对位置式、正余弦式以及增量式位置信号。
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