CN111769715A - 基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机及矢量控制方法 - Google Patents

基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机及矢量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机及矢量控制方法，属于电机控制领域。采用了两组开关霍尔位置传感器，设计了互为备用的信号采集方案，解决了永磁体分段间隔带来了的霍尔信号故障的问题；其次借鉴了无刷直流电机(BLDC)方波控制技术，将三相六状态120°控制方法应用于正弦波永磁同步直线电机的启动阶段，解决了启动阶段位置估计误差给矢量控制带来的启动抖动甚至无法启动的问题；对于速度给定的不同模态(恒速态或非恒速态)，本发明分别采用平均速度法和平均加速度法估计动子速度和电角，从而进行矢量闭环控制，增强***的速度控制性能，兼顾了算法的简易性和可靠性。

Description

基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机及矢量控制 方法
技术领域
本发明属于电机驱动控制技术领域，具体涉及一种基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机矢量控制方法。
背景技术
永磁同步直线电机结构简单，速度上限高，速度调节能力优越，可满足物流分拣***日益上升的速度需求。将直线电机初级固定，次级分段并固定于移动装置底部，可构成物流分拣的基本动力单元；根据物流分拣的行程，可灵活调整永磁体分段数目。
然而由于次级分段并且物流分拣的长行程特性，传统的编码器位置反馈方案存在安装困难、成本上升和可靠性降低的问题，而无位置传感器控制技术低速段速度控制性能以及抗干扰能力有待提高。
基于开关霍尔位置传感器的位置反馈方案成本低廉，结构简单，可靠性高，结合无位置传感器控制技术可实现永磁同步电机的矢量控制，从而发挥了永磁同步直线电机的速度调节性能的优越性。
专利号为201010166572.9的发明专利中的技术方案需要采用大量的开关霍尔传感器反馈动子位置，既增加了生产制造成本，也由于结构复杂，提高了损坏的概率和维修难度。专利申请CN201910377391.1利用等距分布在三个连续线圈中的三个开关霍尔元件，基于平均速度法估算动子速度和位置，由于未考虑次级分段间隔导致的霍尔信号异常现象，无法适用于永磁分段的直线电机***。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机及矢量控制方法，以降低物流分拣***所用的永磁体分段同步直线电机的成本，提高直线运动速度控制性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案是：一种基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机，包括初级组件、次级组件和霍尔元件；所述初级组件由初级铁心和电枢绕组组成，所述次级组件由多个分段设置的次级永磁体组成；所述霍尔元件采用6个开关霍尔元件，分为两组，组内的霍尔元件等距分布，距离为2τ/3，其中τ为极距，两组霍尔元件对应位置相距2kτ，k为预设大于1的整数；所述霍尔元件放置于绕组外侧，靠近初级组件的端部霍尔元件中轴线与初级组件端部槽中轴线相距Nτ/6，N为预设的整数。
进一步地，所述霍尔元件安装位置与初级组件的位置相对固定。
进一步地，所述电枢绕组线圈顺序为C-Y-A-Z-B-X。
本发明还提供一种基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机的矢量控制方法，包括以下步骤：
(1)检测6路霍尔信号，判断并选择一组正常的霍尔信号作为主信号，估算动子速度和位置；
(2)当发生第三次或以上的霍尔信号跳变，进入矢量控制模式；在动子速度到额定值之前，动子以预设的加速度加速至额定速度；在均加速度阶段，采用平均加速度法进行动子速度和位置估计，在匀速阶段，采用平均速度法进行动子速度和位置估计；
(3)动子速度反馈至PI控制器，输出交轴电流给定值，根据动子的位置估算结果对三相电流进行坐标变换，得到交直轴电流反馈值，采用PI控制器输出交直轴给定电压值，经过坐标变换得到两相静止坐标系下的给定电压，输出至SVPWM调制为6路开关管驱动信号，驱动逆变器给电机施加特定的电压矢量，从而完成对永磁直线电机的速度电流双闭环矢量控制。
进一步地，所述步骤(2)中矢量控制模式的具体步骤为：
步骤一、每次霍尔信号发生跳变，首先需要记录前两个霍尔信号区间保持时间Δtp2和Δtp1，并更新霍尔区间初始电角θr0；
步骤二、基于平均速度法，得到前两个霍尔信号区间的平均角速度ωp2和ωp1，公式如下：
Figure BDA0002608210230000021
步骤三、判断速度给定状态为加速态还是恒速态：
当在动子加速态，计算前两个霍尔区间的平均角加速度a1，公式如下：
Figure BDA0002608210230000022
基于平均加速度法计算动子加速态的动子电角θr和动子速度v，公式如下：
Figure BDA0002608210230000031
其中Δtc为当前霍尔区间保持时间；
当在动子匀速态，基于平均速度法计算动子的电角θr和动子速度v，公式如下：
Figure BDA0002608210230000032
其中Δtc为当前霍尔区间保持时间。
进一步地，霍尔信号发生第三次跳变之前，采用PI电流控制器控制母线电流值，根据霍尔信号状态，选定导通绕组，采用三相六状态120°换相控制，调制方式采用on-pwm方式，对于导通120°的开关管，前60°区间保持导通状态，后60°区间采用PWM斩波，从而控制逆变器相应开关管通断。
进一步地，所述步骤(1)中，以20ns为故障检测周期，检测主信号是否故障，当检测到主信号故障，将备用霍尔信号设为主信号，之前的主信号设为备用信号，根据主信号估算动子速度和位置。
进一步地，在故障检测周期内，检测主信号的3路霍尔信号组合是否为基本的霍尔信号组合状态之一，若否，则判断为故障。
本发明的优点具体如下：
(1)本发明采用开关霍尔位置传感器对永磁体分段直线电机进行闭环矢量控制，从而简化了运动***的结构，提高了可靠性；针对永磁体分段特性，提出两组霍尔元件的安装和信号处理方案，解决了永磁体分段间隙导致的位置信号出错的问题；
(2)在第一个霍尔区间内，采用BLDC控制方式，根据霍尔区间状态，控制相应绕组的直流电流，确保永磁同步电机的顺利启动；在动子的不同运动状态，采用不同的位置估算算法，提高了速度和位置估算的准确程度，最终改善了基于霍尔开关传感器的永磁同步直线电机的矢量控制性能。
附图说明
图1为本发明所述永磁体分段同步直线电机的结构示意图。
图2为本发明所述霍尔元件安装方案的示意图。
图3为本发明所述霍尔信号与启动周期PWM调制方式示意图。
图4为本发明的矢量控制流程图。
附图标记说明：1-初级铁心；2-电枢绕组；3-次级永磁体。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施例，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一：
如图1所示，本实施例所述基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机，采用30槽10极结构，包括初级组件、次级组件和霍尔元件；所述初级组件由初级铁心1和电枢绕组2组成，电枢绕组2线圈顺序为C-Y-A-Z-B-X；所述次级组件由多个分段设置的次级永磁体3组成，极距τ为50mm，次级永磁体3分段间隔d为100mm。
所述霍尔元件安装位置与初级组件的位置相对固定，霍尔元件放置于绕组外侧，安装方式如图2所示。所述霍尔元件分为两组霍尔元件，分别为第一组霍尔元件和第二组霍尔元件，两组霍尔元件互为备用关系；第一组霍尔元件包括3路霍尔元件，分别为A相霍尔元件HallA1、B相霍尔元件HallB1和C相霍尔元件HallC1；第二组霍尔元件包括3路霍尔元件，分别为A相霍尔元件HallA2、B相霍尔元件HallB2和C相霍尔元件HallC2；共计6路霍尔元件。每组内霍尔元件间距为2τ/3(本实施例中为33.3mm)。
为了确保在任意时刻，两组霍尔元件的信号至少有一组能够包含正确的动子位置信息，两组霍尔元件之间间隔距离设定为d(本实施例中设定为100mm)，即第一组的A相零尔元件HallA1和第二组的A相霍尔元件HallA2之间的间隔为2d(本实施例中为200mm)，同样的第一组的B相霍尔元件HallB1和第二组的B相霍尔元件HallB2之间的间距也为2d，第一组的C相霍尔元件HallC1和第二组的C相霍尔元件HallC2之间的间距也为2d。为了在第一个霍尔元件区间内，实现三相六状态120°控制，第一组的A相霍尔元件HallA1的安装位置需使得转子磁链电角度为30°时，第一组的A相霍尔元件HallA1或第二组的A相霍尔元件HallA2输出信号发生跳变。由于初级组件的端部绕组线圈为X相，所以安装时需确保第一组的A相霍尔元件HallA1轴线与初级组件的端部槽轴线之间的距离为7τ/6(本实施例中为58.3mm)，等效于210°电角。
实施例二：
如图4所示，本实施例所述基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机的矢量控制方法，包括以下步骤：
(1)检测6路霍尔信号，判断并选择一组正常的霍尔信号作为主信号，估算动子速度和位置，以20ns为故障检测周期，检测主信号是否故障，当检测到主信号故障，将备用霍尔信号设为主信号，之前的主信号设为备用信号，根据主信号估算动子速度和位置；具体地：实施例一的开关霍尔安装方式保证了两组霍尔信号至少有一路信号包含了正确的动子位置信息，在故障检测周期内，检测主信号的3路霍尔信号组合是否为基本的霍尔信号组合状态之一，若否，则判断为故障。
(2)霍尔信号发生第三次跳变之前，采用PI电流控制器控制母线电流值，根据霍尔信号状态，选定导通绕组，采用三相六状态120°换相控制，调制方式采用on-pwm方式，对于导通120°的开关管，前60°区间保持导通状态，后60°区间采用PWM斩波，从而控制逆变器相应开关管通断，无需精确位置反馈的前提下，顺利启动；具体地：
若霍尔元件靠近次级永磁体N极时输出高电平信号，则霍尔信号组合与A相空载反电动势ea的电角对应关系如图3中第1部分所示。为了保证动子在第一个霍尔信号区间顺利启动，采用BLDC三相六状态120°控制方式，通过PI控制器，控制逆变器母线电流；
动子电角范围对应的启动状态导通绕组如图3中第2部分所示。PWM调制方式采用on-pwm方式，如图3中第3部分所示，即在A相绕组、B相绕组或C相绕组导通的120°区间内，前60°区间通直流电流，后60°区间通PWM斩波电流，其中T1和T4分别代表逆变器A相上桥臂开关管和下桥臂开关管，T3和T6代表B相上管和下管，T5和T2代表C相上管和下管；
以第一个霍尔信号区间组合为HallA＝0，HallB＝1，HallC＝0为例，即动子电角范围为(30°，90°)，则导通T1和T6，断开其余开关管，T1开关管在霍尔信号跳变之前保持导通状态，通过电流传感器反馈逆变器母线电流，与电流给定值的差值，输入至PI电流控制，从而控制T6开关管PWM斩波信号的占空比。
(3)当发生第三次或以上的霍尔信号跳变，触发中断，为了降低输出推力波动，控制模式从BLDC启动模式切换至正弦波永磁电机矢量控制模式；在动子速度到额定值之前，速度给定值为斜坡信号，使得动子以预设的加速度加速至额定速度；在均加速度阶段，采用平均加速度法进行动子速度和位置估计，在匀速阶段，采用平均速度法进行动子速度和位置估计；基于开关霍尔传感器的矢量控制模式具体包含以下步骤：
步骤一、每次霍尔信号发生跳变，首先需要记录前两个霍尔信号区间保持时间Δtp2和Δtp1，并更新霍尔区间初始电角θr0；
步骤二、基于平均速度法，得到前两个霍尔信号区间的平均角速度ωp2和ωp1，公式如下：
Figure BDA0002608210230000061
步骤三、判断速度给定状态为加速态还是恒速态：
当在动子加速态，计算前两个霍尔区间的平均角加速度a1，公式如下：
Figure BDA0002608210230000062
基于平均加速度法计算动子加速态的动子电角θr和动子速度v，公式如下：
Figure BDA0002608210230000063
其中Δtc为当前霍尔区间保持时间；
当在动子匀速态，基于平均速度法计算动子的电角θr和动子速度v，公式如下：
Figure BDA0002608210230000064
其中Δtc为当前霍尔区间保持时间；
(4)动子速度v反馈至速度PI控制器，输出交轴电流给定值，直轴电流给定值设为0，根据动子的电角，对三相电流进行坐标变换，得到交直轴电流反馈值，分别通过交直轴电流PI控制器，输出交直轴给定电压值，通过Clark反变换，得到两相静止坐标系下的给定电压，通过SVPWM调制为6路开关管驱动信号，驱动逆变器给电机施加特定的电压矢量，从而完成对永磁直线电机的速度电流双闭环矢量控制。
以上对本申请所提供的一种基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机及矢量控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机，其特征在于：包括初级组件、次级组件和霍尔元件；所述初级组件由初级铁心(1)和电枢绕组(2)组成，所述次级组件由多个分段设置的次级永磁体(3)组成；所述霍尔元件采用6个开关霍尔元件，分为两组，组内的霍尔元件等距分布，距离为2τ/3，其中τ为极距，两组霍尔元件对应位置相距2kτ，k为预设大于1的整数；所述霍尔元件放置于绕组外侧，靠近初级组件的端部霍尔元件中轴线与初级组件端部槽中轴线相距Nτ/6，N为预设的整数。
2.如权利要求1所述的基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机，其特征在于：所述霍尔元件安装位置与初级组件的位置相对固定。
3.如权利要求1所述的基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机，其特征在于：所述电枢绕组(2)线圈顺序为C-Y-A-Z-B-X。
4.一种基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机的矢量控制方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)检测6路霍尔信号，判断并选择一组正常的霍尔信号作为主信号，估算动子速度和位置；
(2)当发生第三次或以上的霍尔信号跳变，进入矢量控制模式；在动子速度到额定值之前，动子以预设的加速度加速至额定速度；在均加速度阶段，采用平均加速度法进行动子速度和位置估计，在匀速阶段，采用平均速度法进行动子速度和位置估计；
(3)动子速度反馈至PI控制器，输出交轴电流给定值，根据动子的位置估算结果对三相电流进行坐标变换，得到交直轴电流反馈值，采用PI控制器输出交直轴给定电压值，经过坐标变换得到两相静止坐标系下的给定电压，输出至SVPWM调制为6路开关管驱动信号，驱动逆变器给电机施加特定的电压矢量，从而完成对永磁直线电机的速度电流双闭环矢量控制。
5.如权利要求4所述的基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机的矢量控制方法，其特征是：所述步骤(2)中矢量控制模式的具体步骤为：
步骤一、每次霍尔信号发生跳变，首先需要记录前两个霍尔信号区间保持时间Δtp2和Δtp1，并更新霍尔区间初始电角θr0；
步骤二、基于平均速度法，得到前两个霍尔信号区间的平均角速度ωp2和ωp1，公式如下：
Figure FDA0002608210220000021
步骤三、判断速度给定状态为加速态还是恒速态：
当在动子加速态，计算前两个霍尔区间的平均角加速度a1，公式如下：
Figure FDA0002608210220000022
基于平均加速度法计算动子加速态的动子电角θr和动子速度v，公式如下：
Figure FDA0002608210220000023
其中Δtc为当前霍尔区间保持时间；
当在动子匀速态，基于平均速度法计算动子的电角θr和动子速度v，公式如下：
Figure FDA0002608210220000024
其中Δtc为当前霍尔区间保持时间。
6.如权利要求4所述的基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机的矢量控制方法，其特征是：霍尔信号发生第三次跳变之前，采用PI电流控制器控制母线电流值，根据霍尔信号状态，选定导通绕组，采用三相六状态120°换相控制，调制方式采用on-pwm方式，对于导通120°的开关管，前60°区间保持导通状态，后60°区间采用PWM斩波，从而控制逆变器相应开关管通断。
7.如权利要求4所述的基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机的矢量控制方法，其特征是：所述步骤(1)中，以20ns为故障检测周期，检测主信号是否故障，当检测到主信号故障，将备用霍尔信号设为主信号，之前的主信号设为备用信号，根据主信号估算动子速度和位置。
8.如权利要求7所述的基于开关霍尔传感器的永磁体分段同步直线电机的矢量控制方法，其特征是：在故障检测周期内，检测主信号的3路霍尔信号组合是否为基本的霍尔信号组合状态之一，若否，则判断为故障。
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