CN104702169A - 自动平滑门永磁直线同步电机正弦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动平滑门永磁直线同步电机正弦控制方法，通过在永磁直线同步电机的定子上安装三相开关型霍尔位置传感器可以获得定子与动子相对位置，采用倍频电路倍频信号输入单片机的一个捕获端口，检测动子相对于定子前一个60°电角度运行时间，同时通过单片机内部定时器实时检测动子相对于定子当前运行时间并预计出动子与定子当前相对位置，运用正弦插值法，给三相定子线圈提供互差120°的正弦电压驱动永磁直线同步电机运行，抑制永磁直线同步电机波动，改善自动平滑门的运行效果。

Description

自动平滑门永磁直线同步电机正弦控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体涉及自动平滑门永磁直线同步电机正弦控制方法。 

背景技术

在自动平滑门领域被控制对象的运动轨迹为往复直线运动，而直线电机由于不需要复杂的机械传动机构，安装方便，生产成本低，运行行程不受限制，同时遇阻力小，使用安全，能直接产生推力，省去了中间转换机构，不需要任何转换装置，***惯量小，加速度高，是自动平滑门的理想动力装置。

但是直线电机没有减速机构，相比较旋转电机而言，运行速度低，其固有的端部效应和齿槽效应导致的推力波动在该领域表现较为明显，如果机械设计不合理，运行过程中容易引起共振而产生噪声，而永磁直线同步电机由于采用永磁体励磁，在齿槽效应和端部效应的双重作用下，在初级和次级之间的气隙中会产生推力纹波，而为了减小推力纹波，应使永磁直线同步电机的初级电流波形和空载反电势波形尽量接近正弦波形，采用正弦控制方式的有效措施。

另一方面，永磁同步电机的正弦控制离不开对动子位置的检测，由于直线电机直接产生直线运动，而且行程较长，一些旋转电机上采用的位置传感器（如光学编码器、旋转变压器等）无法直接在直线电机上采用，如果全程增加位置检测（如光栅尺、磁栅尺等），成本太高；线性霍尔虽然价格略低，但是其本身易受到干扰，对采样要求很高，实际使用效果不佳；近年来，基于无位置传感器的正弦控制方法成为研究热点，但是控制算法复杂，尤其用在自动平滑门领域存在启动速度慢等问题。

发明内容

本发明的目的是为了抑制自动平滑门永磁直线同步电机推力波动，提供一种基于开关型霍尔位置传感器的自动平滑门永磁直线同步正弦控制方法。

本发明通过以下技术方案实现：自动平滑门永磁直线同步电机正弦控制方法，步骤如下：

步骤一，根据自动平滑门给定运行速度，通过“速度-PWM”对应关系表得到在方波驱动方式下需要提供给U、V、W三相驱动电路的PWM为F-PWM；

步骤二，在永磁直线同步电机的定子安装有三相开关型霍尔位置传感器，三相开关型霍尔位置传感器发出的霍尔信号经过滤波整形后被同时输入到单片机I/O端口S1、S2、S3和倍频电路，倍频电路将经过滤波整形的霍尔信号三倍频后再输入单片机的一个捕获端口，让动子相对于定子每移动60°电角度，单片机就能捕获一个上升沿或下降沿，并通过内部捕获单元可以获取动子每运行60°电角度的运行时间SIN-N；

步骤三，单片机每次捕获一个上升沿或下降沿后就读取开关型霍尔位置传感器输入到单片机I/O端口的信号，动子每运行360°电角度后，在单片机I/O端口S1、S2、S3上依次循环得到6个不同的动子起始位置电平信号值；

步骤四，单片机每次捕获一个上升沿或下降沿后就立即启动单片机内部的一个定时器开始实时检测动子此后运行的时间SIN-K；

步骤五，根据动子前一次相对于定子移动60°电角度的运行时间和当前运行时间可以预计出动子相对于前一个60°后所经过的电角度；

步骤六，通过在单片机I/O端口S1、S2、S3可以获得不同的动子起始位置，并计算出动子当前电角度的位置；

步骤七，根据计算出的动子当前所处的电角度位置，结合方波驱动方式下，需要提供给驱动电路的PWM分别计算出下一时刻需要提供给U、V、W三相H桥驱动电路的PWM值；

步骤八，分别将PWM-U、PWM-V、PWM-W赋给单片机PWM占空比匹配单元，产生U、V、W三相H桥驱动电路的上桥臂PWM驱动波形Spwm-U⁺、Spwm-V⁺、Spwm-W⁺；U、V、W三相H桥驱动电路的下桥臂PWM驱动波形Spwm-U^－、Spwm-V^－、Spwm-W^－与对应侧上桥臂相同，但极性相反；动子运行360°电角度后，便可以在永磁直线同步电机的U、V、W三相线圈得到互差120°电角度的马鞍型合成正弦波端电压，来抑制直线电机的推力波动。

在不增加成本的情况下，本发明采用三相开关型霍尔位置传感器得到永磁直线同步电机定子与动子的相对位置，再经过倍频电路更加容易检测到动子相对于定子前一个60°电角度运行时间，同时单片机内部实时检测动子相对于定子当前运行时间，并预计出动子与定子当前相对位置，采用正弦插值法，给定子线圈提供互差120°电角度的三相正弦数值的PWM驱动波形，从而使三相定子线圈获得互差120°的正弦波驱动电压。

作为优选，所述U、V、W三相H桥驱动电路的下桥臂PWM驱动波形与对应侧上桥臂相同，但极性相反，通过此三相H桥驱动电路，给定子线圈提供互差120°电角度的三相正弦数值的PWM驱动波形，从而使三相定子线圈获得互差120°的正弦波驱动电压。

作为优选，所述三相开关型霍尔位置传感器相对于一对动子磁极长度以互差120°电角度均匀分布在定子上，保证了三相开关型霍尔位置传感器可以更加好的将霍尔信号传出。

作为优选，利用所述三相开关型霍尔位置传感器来检测所述永磁直线同步电机的动子位置信息，并获得霍尔信号，所述霍尔信号作为所述动子位置信号。

本发明的有益之处在于：1）采用三相开关型霍尔位置传感器得出的位置信号精度高，在高速区或相对低速下都能满足正弦波驱动的要求，电机运行平稳，速度精度高；2）采用三相开关型霍尔位置传感器使得永磁同步电机控制***成本大大降低，使其具有很强的竞争力；3）采用本发明的正弦控制方法能够在永磁直线同步电机的U、V、W三相线圈得到互差120°电角度的马鞍型合成正弦波端电压，相比较传统方波驱动能明显抑制永磁直线同步电机推力波动，降低自动平滑门的运行噪声，有利于提高自动平滑门性能。

附图说明

图1为自动平滑门永磁直线同步电机正弦控制方法框图。

图2为自动平滑门永磁直线同步电机正弦控原理框图。

图3为三相开关型霍尔位置传感器输入及倍频电路图。

图4为三相开关型霍尔位置传感器信号及倍频后波形图。

图5为永磁直线同步电机U、V、W三相H桥驱动电路图。

图6为永磁直线同步电机U、V、W三相PWM值正弦化后曲线图――横坐标为电角度。

图7为永磁直线同步电机U、V、W三相定子线圈端电压等效波形图――横坐标为电角度。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明作进一步描述。

见图1至图7，自动平滑门永磁直线同步电机正弦控制方法，包括如下步骤：

步骤一，根据自动平滑门下一时刻给定运行速度V（t0），通过“速度-PWM”对应关系表得到在方波驱动方式下需提供给U、V、W三相驱动电路的PWM，表示为F-PWM；

步骤二，三相开关型霍尔位置传感器的U、V、W输出端输出位置信号HuoEr-U、HuoEr-V、HuoEr-W经过滤波整形后被同时输入到单片机上的I/O端口S1、S2、S3和倍频电路中，倍频电路将所接收的信号倍频形成三倍频率信号HALL-CAP，输入到单片机的捕获端口，使得动子对于定子每移动60°电角度，单片机就更加容易捕获到上升沿或下降沿，并通过内部捕获端口获得动子运行60°电角度所需要的运行时间SIN-N；

步骤三，单片机每捕获一个上升沿或下降沿后就会读取三相开关型霍尔位置传感器输出到单片机I/O端口的位置信号，动子每运行360°电角度后，在S1、S2、S3端口上依次循环得到6个不同的动子起始位置电平信号值，二进制数值分别为001、101、100、110、010、011，分别代表动子当前所处的起始电角度位置为0°、60°、120°、180°、240°、300°；

步骤四，单片机每捕获到一个上升沿或下降沿后，立即启动单片机内部一个定时器单元开始实时检测动子此后运行的时间SIN-K；

步骤五，根据动子前一次60°运行时间和当前运行时间可以预计出动子相对于前一个60°后所经过的相对电角度；

θ =  (  SIN-K  ×  60  )  /  SIN-N；

θ：动子当前所经过的电角度；

SIN-N：动子前一次60°电角度的运行时间；

SIN-K：动子当前运行时间；

步骤六，根据在单片机I/O端口S1、S2、S3上获得的动子起始位置信号得到动子当前电角度位置；

起始位置为0°时，动子当前所处电角度为：β = 0 ＋θ；

起始位置为60°时，动子当前所处电角度为：β = 60 ＋θ；

起始位置为300°时，动子当前所处电角度为：β = 300 ＋θ；

步骤七，通过动子当前所处的电角度位置，结合在方波驱动方式下，需要提供给驱动电路的PWM分别计算出下一时刻需提供给U、V、W三相H桥驱动电路的PWM值，其中：

U相上桥臂PWM值为：PWM-U  = [ 1/2 ＋ F-PWM × SIN(β) / 2 ]×T-MAT；

V相上桥臂PWM值为：PWM-V  = [ 1/2 ＋ F-PWM × SIN(β－120 ) / 2 ]×T-MAT;

W相上桥臂PWM值为：PWM-W = [ 1/2 ＋ F-PWM × SIN(β＋120 ) / 2 ]×T-MAT；

F-PWM：方波控制方式下所需提供给三相驱动电路的PWM值；

T-MAT：单片机PWM周期寄存器匹配值；

步骤八，分别将PWM-U、PWM-V、PWM-W赋给单片机PWM占空比匹配单元，产生U、V、W三相H桥驱动电路的上桥臂PWM驱动波形Spwm-U⁺、Spwm-V⁺、Spwm-W⁺；U、V、W三相H桥驱动电路的下桥臂PWM驱动波形Spwm-U^－、Spwm-V^－、Spwm-W^－与对应侧上桥臂相同，但极性相反。

经过上述步骤，动子运行360°电角度后，在直线电机的三相定子线圈端能得到如图7所示的等效端电压Vin-U、Vin-V、Vin-W，是互差120°的正弦波驱动电压，相比于传统方波驱动能明显抑制直线电机推力波动，降低自动平滑门的运行噪声，有利于提高自动平滑门性能。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.自动平滑门永磁直线同步电机正弦控制方法，其特征在于，包括：

步骤一，根据自动平滑门给定运行速度，通过“速度-PWM”对应关系表得到在方波驱动方式下需要提供给U、V、W三相驱动电路的PWM为F-PWM；

步骤二，在永磁直线同步电机的定子安装有三相开关型霍尔位置传感器，三相开关型霍尔位置传感器发出的霍尔信号经过滤波整形后被同时输入到单片机I/O端口S1、S2、S3和倍频电路，倍频电路将经过滤波整形的霍尔信号三倍频后再输入单片机的一个捕获端口，让动子相对于定子每移动60°电角度，单片机就能捕获一个上升沿或下降沿，并通过内部捕获单元可以获取动子每运行60°电角度的运行时间SIN-N；

步骤三，单片机每次捕获一个上升沿或下降沿后就读取开关型霍尔位置传感器输入到单片机I/O端口的信号，动子每运行360°电角度后，在单片机I/O端口S1、S2、S3上依次循环得到6个不同的动子起始位置电平信号值；

步骤四，单片机每次捕获一个上升沿或下降沿后就立即启动单片机内部的一个定时器开始实时检测动子此后运行的时间SIN-K；

步骤五，根据动子前一次相对于定子移动60°电角度的运行时间和当前运行时间可以预计出动子相对于前一个60°后所经过的电角度；

步骤六，通过在单片机I/O端口S1、S2、S3可以获得不同的动子起始位置，并计算出动子当前电角度的位置；

步骤七，根据计算出的动子当前所处的电角度位置，结合方波驱动方式下，需要提供给驱动电路的PWM分别计算出下一时刻需要提供给U、V、W三相H桥驱动电路的PWM值；

步骤八，分别将PWM-U、PWM-V、PWM-W赋给单片机PWM占空比匹配单元，产生U、V、W三相H桥驱动电路的上桥臂PWM驱动波形Spwm-U⁺、Spwm-V⁺、Spwm-W⁺；U、V、W三相H桥驱动电路的下桥臂PWM驱动波形Spwm-U^－、Spwm-V^－、Spwm-W^－与对应侧上桥臂相同，但极性相反；动子运行360°电角度后，便可以在永磁直线同步电机的U、V、W三相线圈得到互差120°电角度的马鞍型合成正弦波端电压，来抑制直线电机的推力波动。

2.根据权利要求1所述的自动平滑门永磁直线同步电机正弦控制方法，其特征在于：所述U、V、W三相H桥驱动电路的下桥臂PWM驱动波形与对应侧上桥臂相同，但极性相反。

3.根据权利要求1所述的自动平滑门永磁直线同步电机正弦控制方法，其特征在于：所述三相开关型霍尔位置传感器相对于一对动子磁极长度以互差120°电角度均匀分布在定子上。

4.根据权利要求3所述的自动平滑门永磁直线同步电机正弦控制方法，其特征在于：利用所述三相开关型霍尔位置传感器来检测所述永磁直线同步电机的动子位置信息，并获得霍尔信号，所述霍尔信号作为所述动子位置信号。