CN115313920A - 一种跑步机用双直线电机协同控制器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跑步机用双直线电机协同控制器，属于智能控制技术领域，包括直线电机一、直线电机二和两套逆变器，所述直线电机一和直线电机二的三相动子绕组分别连接两套逆变器，两套逆变器共用整流环节以及直流滤波环节。本发明将两套控制器的整流部分、直流滤波环节合二为一，结合六相逆变器分别对两台直线电机进行驱动控制，提高空间利用率和整个***功率密度。通过实时追踪人跑步过程中的步态速度信息，利用动子的微动减小人脚掌落地瞬间的反向作用力，最大程度降低腿部关节与腰椎承受自身重力、下坠冲击力。

Description

一种跑步机用双直线电机协同控制器及控制方法
技术领域
本发明涉及智能控制技术领域，具体是一种跑步机用双直线电机协同控制器及控制方法。
背景技术
随着我国居民生活水平的逐渐提高，以及“全民健身”运动的深入展开，人们的健身意识逐年增强，购买家用健身器材的家庭也在逐渐增长。跑步机是目前主流的家用健身器材，目前的跑步机广泛采用旋转电机和传送带组合的结构，间接地获得直线运动。这样的传动方式存在着许多局限性，比如：加、减速度较小，中间转换环节较多，振动和噪声较大，以及传动过程中功率降低等。
永磁同步直线电机以其传动结构简单、控制效率高、动态响应快、定位精度高、推力密度高、振动和噪声小等优势，在高精密装备和轻工业制造领域得到了广泛的关注与研究。将双直线电机的动子直接连接运动踏板，并将双直线电机的定子平行放置刚性连接，代替传统旋转电机和传送带组合的结构，这种采用双永磁同步直线电机的跑步机结构如图1所示。由于直线电机动子可以在一维方向任意移动，减小了人脚掌落地瞬间的反向作用力，使腿部关节与腰椎承受自身重力、下坠冲击力得到了降低，在文体运动、医疗康复等领域呈现出广阔的应用前景。
传统的双直线电机控制器采用两套独立的驱动电路分别对两台电机进行控制，其整流部分、直流滤波环节设置重复，使得***空间利用率低，影响功率密度。此外，在此种结构中，平行放置的两台直线电机共同驱动动子上所附加的负载，由于人正常行走过程中的双脚位置存在耦合关系，使得双直线电机的协同控制问题变得复杂：一旦两边的运动出现失步，会影响人行走平衡，严重影响使用体验甚至危害使用安全。因此对于采用双直线电机的跑步机，需要选用合适的控制器和控制策略，在保证双直线电机运动控制的同时，兼顾调节其与人双脚内力大小，避免产生相互拉扯现象影响使用体验和使用安全。
目前，双直线电机协同控制策略的可以分为三类：主从控制、并行控制、交叉耦合控制。主从控制方式将两台直线电机分为主电机和从电机，主电机的反馈信号作为从电机的给定信号，保证从电机能较好地跟踪主电机实现双电机协同控制；并行控制方式对两台直线电机分别进行独立控制，两电机的控制回路相互独立，分别跟踪同一输入指令；交叉耦合控制方法是综合各个电机的位置/速度反馈信息，针对同步误差设计反馈控制，产生各个电机的输入指令，能够很大程度上保证各电机运动的同步。
主从控制方式将两台直线电机分为主电机和从电机，主电机的反馈信号作为从电机的给定信号，保证从电机能较好地跟踪主电机实现双电机协同控制。但从电机的控制始终存在滞后问题，且从电机的扰动信号不能反馈到主电机上；
并行控制方式对两台直线电机分别进行独立控制，两电机的控制回路相互独立，分别跟踪同一输入指令，其结构简单但综合性能较差；
交叉耦合控制方法是综合各个电机的位置/速度反馈信息，针对同步误差设计反馈控制，产生各个电机的输入指令，能够很大程度上保证各电机运动的同步。然而，目前的交叉耦合控制方法只能保证两台直线电机基本的同步运动控制，皆忽略了双直线电机动子与人双脚内力大小。即使同步误差被控制在很小的范围内，双直线电机动子与人双脚内力也会很大，影响***使用体验和安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种跑步机用双直线电机协同控制器及控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种跑步机用双直线电机协同控制器，包括直线电机一、直线电机二和两套逆变器，所述直线电机一和直线电机二的三相动子绕组分别连接两套逆变器，两套逆变器共用整流环节以及直流滤波环节。
作为本发明的进一步技术方案：该跑步机用双直线电机协同控制器还包括位置给定模块、误差补偿器、位置调节器、速度调节器、电流调节器、旋转/静止坐标变换模块、脉宽调制模块、速度位置信号处理模块以及静止/旋转坐标变换模块。
作为本发明的进一步技术方案：所述位置给定模块，用于接收跑步机的速度给定信号，并输出运动踏板的位置给定值；
所述误差补偿器，通过加法器连接两台直线电机，加法器的两个输入端信号分别为直线电机一的位置反馈信号和直线电机二的位置反馈信号，加法器的输出端连接误差补偿器的信号输入端；
所述位置调节器，包括位置调节器一和位置调节器二，所述位置调节器一通过减法器一连接位置给定模块和误差补偿器，减法器一用于将所述运动踏板的位置给定值分别与直线电机一的位置反馈信号、位置补偿信号作差，输入到位置调节器一，位置调节器一输出直线电机一的速度给定信号，所述位置调节器二通过减法器二连接位置给定模块和误差补偿器，减法器二用于将所述运动踏板的位置给定值作反相运算后分别与直线电机二的位置反馈信号、位置补偿信号作差，输入到位置调节器二，位置调节器二输出直线电机二的速度给定信号。
作为本发明的进一步技术方案：所述速度调节器，包括速度调节器一和速度调节器二，速度调节器一通过减法器三连接位置调节器一，减法器三用于将直线电机一的速度给定信号与直线电机一的速度反馈信号作差，速度调节器一输出直线电机一的q轴电流给定信号，速度调节器二通过减法器四连接位置调节器二，减法器四用于将直线电机二的速度给定信号与直线电机二的速度反馈信号作差，速度调节器二输出直线电机二的q轴电流给定信号，直线电机一的q轴电流给定信号和直线电机二的q轴电流给定信号均由位置速度信号处理模块计算得到；
所述电流调节器，包括直线电机一的d轴电流调节器、直线电机一的q轴电流调节器、直线电机二的d轴电流调节器和直线电机二的q轴电流调节器，直线电机一的d轴电流调节器输入端连接直线电机一的d轴电流给定信号与直线电机一的d轴电流反馈信号的差值信号，直线电机一的d轴电流调节器输出直线电机一的d轴电压给定信号，直线电机一的q轴电流调节器输入端连接直线电机一的q轴电流给定信号与直线电机一的q轴电流反馈信号的差值信号，直线电机一的q轴电流调节器输出直线电机一的q轴电压给定信号，直线电机二的d轴电流调节器输入端连接直线电机二的d轴电流给定信号与直线电机二的d轴电流反馈信号的差值信号，直线电机二的d轴电流调节器输出直线电机二的d轴电压给定信号，直线电机二的q轴电流调节器输入端连接直线电机二的q轴电流给定信号与直线电机二的q轴电流反馈信号的差值信号，直线电机二的q轴电流调节器输出直线电机二的q轴电压给定信号。
作为本发明的进一步技术方案：所述旋转/静止坐标变换模块包括直线电机一的旋转/静止坐标变换模块和直线电机二的旋转/静止坐标变换模块，所述直线电机一的旋转/静止坐标变换模块输入端连接直线电机一的d轴电压给定值、直线电机一的q轴电压给定值和动子电角度反馈信号θr1，所述直线电机一的旋转/静止坐标变换模块用于将直线电机一的d轴电压给定值、直线电机一的q轴电压给定值合成电压矢量变换到静止坐标系，得到静止αβ坐标系下直线电机一的α轴给定电压、β轴给定电压；所述直线电机二的旋转/静止坐标变换模块输入端连接直线电机二的d轴电压给定值、直线电机二的q轴电压给定值和动子电角度反馈信号θr1，所述直线电机二的旋转/静止坐标变换模块用于将直线电机二的d轴电压给定值、直线电机二的q轴电压给定值合成电压矢量变换到静止坐标系，得到静止αβ坐标系下直线电机二的a轴给定电压、β轴给定电压；
所述脉宽调制模块包括直线电机一的脉宽调制模块和直线电机二的脉宽调制模块，所述直线电机一的脉宽调制模块输入端连接直线电机一的α轴给定电压、β轴给定电压，直线电机一的脉宽调制模块进行空间矢量脉宽调制，产生A、B、C相的电压占空比信号，最终产生作用在直线电机一的逆变器中A、B、C相桥臂上的PWM驱动信号，所述直线电机二的脉宽调制模块输入端连接直线电机二的α轴给定电压、β轴给定电压，直线电机二的脉宽调制模块进行空间矢量脉宽调制，产生A、B、C相的电压占空比信号，最终产生作用在直线电机二的逆变器中A、B、C相桥臂上的PWM驱动信号。
作为本发明的进一步技术方案：所述速度位置信号处理模块包括直线电机一的速度位置信号处理模块和直线电机二的速度位置信号处理模块，分别连接直线电机一和直线电机二，所述速度位置信号处理模块用于直线电机一、直线电机二的位置反馈信号，动子速度反馈信号，动子电角度反馈信号；
所述静止/旋转坐标变换模块包括直线电机一的静止/旋转坐标变换模块和直线电机二的静止/旋转坐标变换模块，直线电机一的静止/旋转坐标变换模块输入端连接直线电机一的动子电角度信号，以及A、B、C相电流信号，输出直线电机一的d、q轴直流电流信号，直线电机二的静止/旋转坐标变换模块输入端连接直线电机二的动子电角度信号，以及A、B、C相电流信号，输出直线电机二的d、q轴直流电流信号。
一种跑步机用双直线电机协同控制方法，采用上述的控制器，包含以下步骤：
步骤1、将跑步机的速度给定信号v*作为位置给定模块的输入信号。所述位置给定模块输出运动踏板的位置给定值yr *；
步骤2、将直线电机一的位置反馈信号yr1、直线电机二的位置反馈信号yr2相加，作为误差补偿器的输入信号，所述误差补偿器输出位置补偿信号Δyr，通过调节Δyr，使得yr1+yr2始终为零，即控制两运动踏板在二维平面上反向往复运行；
步骤3、将所述运动踏板的位置给定值yr *分别与直线电机一的位置反馈信号yr1、位置补偿信号Δyr作差，输入直线电机一的位置调节器，所述直线电机一的位置调节器输出直线电机一的速度给定信号vr1 *。通过调节vr1 *，使得yr *-yrΔyr始终为零，即对yr *进行无差跟踪。将所述运动踏板的位置给定值yr *作反相运算，分别与直线电机二的位置反馈信号yr2、位置补偿信号-Δyr作差，输入直线电机二的位置调节器，所述直线电机二的位置调节器输出直线电机二的速度给定信号vr2 *。通过调节vr2 *，使得-yr *-yr2+Δyr始终为零，即对-yr *进行无差跟踪；
步骤4、将所述直线电机一的速度给定信号vr1 *与直线电机一的速度反馈信号vr1作差，输入直线电机一的速度调节器，所述直线电机一的速度调节器输出直线电机一的q轴电流给定信号iq1 *。通过调节iq1 *，使得vr1 *-vr1始终为零，即对vr1 *进行无差跟踪。所述直线电机二的速度给定信号vr2 *与直线电机二的速度反馈信号vr2作差，输入直线电机二的速度调节器，所述直线电机二的速度调节器输出直线电机二的q轴电流给定信号iq2 *。通过调节iq2 *，使得vr2 *-vr2始终为零，即对vr2 *进行无差跟踪；
步骤5、将所述直线电机一的d轴电流给定信号id1 *与直线电机一的d轴电流反馈信号id1作差，输入直线电机一的d轴电流调节器，所述直线电机一的d轴电流调节器输出直线电机一的d轴电压给定信号ud1 *。将q轴电流给定信号iq1 *与直线电机一的q轴电流反馈信号iq1作差，输入直线电机一的q轴电流调节器，所述直线电机一的q轴电流调节器输出直线电机一的q轴电压给定信号uq1 *。通过调节ud1 *、uq1 *，使得id1 *-id1、id1 *-iq1始终为零，即分别对id1 *和iq1 *进行无差跟踪；将所述直线电机二的d轴电流给定信号id2 *与直线电机二的d轴电流反馈信号id2作差，输入直线电机二的d轴电流调节器，所述直线电机二的d轴电流调节器输出直线电机二的d轴电压给定信号ud2 *。将q轴电流给定信号iq2 *与直线电机二的q轴电流反馈信号iq2作差，输入直线电机二的q轴电流调节器，所述直线电机二的q轴电流调节器输出直线电机二的q轴电压给定信号uq2 *。通过调节ud2 *、uq2 *，使得id2-id2、iq2 *-iq2始终为零，即分别对id2 *和iq2 *进行无差跟踪；
步骤6、将所述直线电机一的d轴电压给定值ud1*、q轴电压给定值uq1*、动子电角度反馈信号θr1送入6a直线电机一的旋转/静止坐标变换模块，所述旋转/静止坐标变换模块将ud1*、uq1*合成的电压矢量变换到静止坐标系，得到静止αβ坐标系下直线电机一的α轴给定电压uα1*、β轴给定电压uβ1*；将所述直线电机二的d轴电压给定值ud2*、q轴电压给定值uq2*、动子电角度反馈信号θr2送入6b直线电机二的旋转/静止坐标变换模块，所述旋转/静止坐标变换模块将ud2*、uq2*合成的电压矢量变换到静止坐标系，得到静止αβ坐标系下直线电机二的α轴给定电压ua2*、β轴给定电压uβ2*；
步骤7、将所述直线电机一的α轴、β轴给定电压ua1*、uβ1*输入直线电机一的脉宽调制模块，所述脉宽调制模块进行空间矢量脉宽调制(SVPWM)，产生A、B、C相的电压占空比信号Ta1、Tb1、Tc1，最终产生作用在逆变器一中A、B、C相桥臂上的PWM驱动信号PWM6；将所述直线电机二的α轴、β轴给定电压uα2*、uβ2*输入直线电机二的脉宽调制模块，所述脉宽调制模块进行空间矢量脉宽调制，产生A、B、C相的电压占空比信号Ta2、Tb2、Tc2，最终产生作用在逆变器二中A、B、C相桥臂上的PWM驱动信号PWM12；
步骤8、逆变器一和逆变器二的输出电压分别作用在直线电机一、直线电机二动子的三相绕组上，控制电机三相绕组A、B、C相的电流，产生对应于输入PWM信号的电流信号，分别控制两台直线电机作协同运行，最终实现d、q轴电流的无差跟踪；
步骤9、所述直线电机一、直线电机二的位置反馈信号yr2、yr2，动子速度反馈信号vr1、vr2，动子电角度反馈信号θr1、θr2，均由经过位置速度信号处理模块计算得到。所述位置速度信号处理模块输入为电机的位置信号传感器；
步骤10、直线电机一的动子电角度信号θr1，以及A、B、C相电流信号ia1、ib1、ic1送入直线电机一的静止/旋转坐标变换模块，经过静止/旋转坐标变换模块得到d、q轴直流电流信号，并分别作为d轴电流反馈值id1、q轴电流反馈值iq1；直线电机二的动子电角度信号θr2，以及A、B、C相电流信号ia2、ib2、ic2送入直线电机二的静止/旋转坐标变换模块，经过静止/旋转坐标变换模块得到d、q轴直流电流信号，并分别作为d轴电流反馈值id2、q轴电流反馈值iq2；
步骤11、e1、e2分别为直线电机一、直线电机二的位置同步误差，其表达式如下所示，
Figure BDA0003829405210000081
当直线电机一和直线电机二的位移和速度做到幅值相等，方向相反时，即yr1＝-yr2、vr1＝-vr2，则有e1＝-e2＝0，那么误差补偿器的输出Δyr＝0，此时与常规的并联控制原理相同；一旦直线电机一和直线电机二速度或者位移因负载的扰动等因素出现幅值的差异，即yr1≠-yr2或者vr1≠-vr2，此时，e1≠0或者e2≠0。误差补偿器将输出一个非零的位置补偿信号Δyr，分别通过位置控制器作用于速度控制器，对双直线电机的位置信号和速度信号进行调节，最终达到调节直线电机一和直线电机二的输出速度和输出位移幅值相等，方向相反的效果。
作为本发明的进一步技术方案：所述步骤1的过程为：
Figure BDA0003829405210000082
其中，R为人步长设定值，t为运动时间。
作为本发明的进一步技术方案：所述步骤6包括下述计算过程：
Figure BDA0003829405210000083
Figure BDA0003829405210000091
作为本发明的进一步技术方案：所述步骤10包括下述过程
Figure BDA0003829405210000092
Figure BDA0003829405210000093
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将两套控制器的整流部分、直流滤波环节合二为一，结合六相逆变器分别对两台直线电机进行驱动控制，提高空间利用率和整个***功率密度。通过实时追踪人跑步过程中的步态速度信息，利用动子的微动减小人脚掌落地瞬间的反向作用力，最大程度降低腿部关节与腰椎承受自身重力、下坠冲击力。
附图说明
图1是采用双永磁同步直线电机的跑步机结构图。
图2是本发明控制器主电路拓扑结构图。
图3是本发明的控制原理框图。
图中：1-位置给定模块、2-误差补偿器、3-位置调节器、3a-位置调节器一、3b-位置调节器二、4-速度调节器、4a-速度调节器一、4b-速度调节器二、5-电流调节器、5a-直线电机一的d轴电流调节器、5b-直线电机一的q轴电流调节器、5c-直线电机二的d轴电流调节器、5d直线电机二的q轴电流调节器、6-旋转/静止坐标变换模块、6a-直线电机一的旋转/静止坐标变换模块、6b-直线电机二的旋转/静止坐标变换模块、7-脉宽调制模块、7a-直线电机一的脉宽调制模块、7b-直线电机二的脉宽调制模块、8-逆变器、8a-逆变器一、8b-逆变器二、9-直线电机、9a-直线电机一、9b-直线电机二、10-速度位置信号处理模块、10a-直线电机一的速度位置信号处理模块、10b-直线电机二的速度位置信号处理模块、11-静止/旋转坐标变换模块、11a-直线电机一的静止/旋转坐标变换模块、11b-直线电机二的静止/旋转坐标变换模块、12-加法器、13a-减法器一、13b-减法器二、13c-减法器三、13d-减法器四、14-控制器、15、运动踏板、16-直线电机一动子、17-直线电机一定子、18-导轨、19-直线电机二定子、20-直线电机二动子。
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，如图2所示，本发明公开了一种跑步机用双直线电机协同控制器，包括直线电机一、直线电机二、逆变器一和逆变器二，直线电机一三相动子绕组连接逆变器一，直线电机二三相动子绕组连接逆变器二，逆变器一和逆变器二均为三相逆变器，两套三相逆变器共用整流环节以及直流滤波环节。
逆变器一和逆变器二均为现有技术结构，由开关元件S1-S12组成，直流滤波环节为图中Udc，整流环节为四个二极管组成的全桥整流器，两个三相逆变器结合组成六相逆变器分别对两台直线电机进行驱动控制，提高空间利用率和整个***功率密度。通过实时追踪人跑步过程中的步态速度信息，利用动子的微动减小人脚掌落地瞬间的反向作用力，最大程度降低腿部关节与腰椎承受自身重力、下坠冲击力。
实施例2，在实施例1的基础上，如图3所示，本设计的控制器还包括位置给定模块1、误差补偿器2、位置调节器3、速度调节器4、电流调节器5、旋转/静止坐标变换模块6、脉宽调制模块7、速度位置信号处理模块10以及静止/旋转坐标变换模块11。
其中，位置给定模块1，用于接收跑步机的速度给定信号，并输出运动踏板的位置给定值；
误差补偿器2，通过加法器连接两台直线电机，加法器12的两个输入端信号分别为直线电机一9a的位置反馈信号和直线电机二9b的位置反馈信号，加法器12的输出端连接误差补偿器2的信号输入端；
位置调节器3，包括位置调节器一3a和位置调节器二3b，所述位置调节器一3a通过减法器一13a连接位置给定模块1和误差补偿器2，减法器一13a用于将所述运动踏板的位置给定值分别与直线电机一的位置反馈信号、位置补偿信号作差，输入到位置调节器一3a，位置调节器一3a输出直线电机一9a的速度给定信号，所述位置调节器二3b通过减法器二13b连接位置给定模块和误差补偿器，减法器二13b用于将所述运动踏板的位置给定值作反相运算后分别与直线电机二9b的位置反馈信号、位置补偿信号作差，输入到位置调节器二3b，位置调节器二3b输出直线电机二9b的速度给定信号。
速度调节器4，包括速度调节器一4a和速度调节器二4b，速度调节器一4a通过减法器二13c连接位置调节器一3a，减法器二13c用于将直线电机一9a的速度给定信号与直线电机一9a的速度反馈信号作差，速度调节器一4a输出直线电机一9a的q轴电流给定信号，速度调节器二4b通过减法器二13d连接位置调节器二3b，减法器二13d用于将直线电机二9b的速度给定信号与直线电机二9b的速度反馈信号作差，速度调节器二4b输出直线电机二9b的q轴电流给定信号，直线电机一9a的q轴电流给定信号和直线电机二9b的q轴电流给定信号均由位置速度信号处理模块10计算得到；
所述电流调节器5，包括直线电机一的d轴电流调节器5a、直线电机一的q轴电流调节器5b、直线电机二的d轴电流调节器5c和直线电机二的q轴电流调节器5d，直线电机一的d轴电流调节器5a输入端连接直线电机一9a的d轴电流给定信号与直线电机一9a的d轴电流反馈信号的差值信号，直线电机一的d轴电流调节器5a输出直线电机一9a的d轴电压给定信号，直线电机一的q轴电流调节器5b输入端连接直线电机一9a的q轴电流给定信号与直线电机一9a的q轴电流反馈信号的差值信号，直线电机一的q轴电流调节器5b输出直线电机一9a的q轴电压给定信号，直线电机二的d轴电流调节器5c输入端连接直线电机二9b的d轴电流给定信号与直线电机二9b的d轴电流反馈信号的差值信号，直线电机二的d轴电流调节器5c输出直线电机二9b的d轴电压给定信号，直线电机二的q轴电流调节器5d输入端连接直线电机二9b的q轴电流给定信号与直线电机二9b的q轴电流反馈信号的差值信号，直线电机二的q轴电流调节器5d输出直线电机二9b的q轴电压给定信号。
旋转/静止坐标变换模块6，包括直线电机一的旋转/静止坐标变换模块6a和直线电机二的旋转/静止坐标变换模块6b，所述直线电机一的旋转/静止坐标变换模块6a输入端连接直线电机一9a的d轴电压给定值、直线电机一9a的q轴电压给定值和动子电角度反馈信号θr1，所述直线电机一的旋转/静止坐标变换模块6a用于将直线电机一9a的d轴电压给定值、直线电机一9a的q轴电压给定值合成电压矢量变换到静止坐标系，得到静止αβ坐标系下直线电机一9a的α轴给定电压、β轴给定电压；所述直线电机二的旋转/静止坐标变换模块6b输入端连接直线电机二9b的d轴电压给定值、直线电机二9b的q轴电压给定值和动子电角度反馈信号θr2，所述直线电机二的旋转/静止坐标变换模块6b用于将直线电机二9b的d轴电压给定值、直线电机二9b的q轴电压给定值合成电压矢量变换到静止坐标系，得到静止αβ坐标系下直线电机二9b的α轴给定电压、β轴给定电压；
脉宽调制模块7包括直线电机一的脉宽调制模块7a和直线电机二的脉宽调制模块7b，所述直线电机一的脉宽调制模块7a输入端连接直线电机一9a的α轴给定电压、β轴给定电压，直线电机一的脉宽调制模块7a进行空间矢量脉宽调制，产生A、B、C相的电压占空比信号，最终产生作用在直线电机一9a的逆变器中A、B、C相桥臂上的PWM驱动信号，所述直线电机二的脉宽调制模块7b输入端连接直线电机二9b的α轴给定电压、β轴给定电压，直线电机二的脉宽调制模块7b进行空间矢量脉宽调制，产生A、B、C相的电压占空比信号，最终产生作用在直线电机二9b的逆变器中A、B、C相桥臂上的PWM驱动信号。
速度位置信号处理模块10包括直线电机一的速度位置信号处理模块10a和直线电机二的速度位置信号处理模块10b，分别连接直线电机一9a和直线电机二9b，所述速度位置信号处理模块10用于产生直线电机一9a、直线电机二9b的位置反馈信号，动子速度反馈信号，动子电角度反馈信号；
所述静止/旋转坐标变换模块11包括直线电机一的静止/旋转坐标变换模块11a和直线电机二的静止/旋转坐标变换模块11b，直线电机一的静止/旋转坐标变换模块11a输入端连接直线电机一9a的动子电角度信号，以及A、B、C相电流信号，输出直线电机一9a的d、q轴直流电流信号，直线电机二的静止/旋转坐标变换模块11b输入端连接直线电机二9b的动子电角度信号，以及A、B、C相电流信号，输出直线电机二9b的d、q轴直流电流信号。
实施例3，本设计还公开了一种跑步机用双直线电机协同控制方法，采用实施例2所述的控制器，该方法包含以下步骤：
S1.首先，位置调节器将跑步机的速度给定信号v*作为位置给定模块的输入信号。位置给定模块输出运动踏板的位置给定值yr *，其过程为：
Figure BDA0003829405210000131
其中，R为人步长设定值，t为运动时间。
S2.将直线电机一的位置反馈信号yr1、直线电机二的位置反馈信号yr2相加，作为误差补偿器的输入信号，所述误差补偿器输出位置补偿信号Δyr，通过调节Δyr，使得yr1+yr2始终为零，即控制两运动踏板在二维平面上反向往复运行；
S3.将所述运动踏板的位置给定值yr *分别与直线电机一的位置反馈信号yr1、位置补偿信号Δyr作差，输入直线电机一的位置调节器，所述直线电机一的位置调节器输出直线电机一的速度给定信号vr1 *。通过调节vr1 *，使得yr *-yr1-Δyr始终为零，即对yr *进行无差跟踪。将所述运动踏板的位置给定值yr *作反相运算，分别与直线电机二的位置反馈信号yr2、位置补偿信号-Δyr作差，输入直线电机二的位置调节器，所述直线电机二的位置调节器输出直线电机二的速度给定信号vr2 *。通过调节vr2 *，使得-yr *-yr2+Δyr始终为零，即对-yr *进行无差跟踪；
S4.将所述直线电机一的速度给定信号vr1 *与直线电机一的速度反馈信号vr1作差，输入直线电机一的速度调节器，所述直线电机一的速度调节器输出直线电机一的q轴电流给定信号iq1 *。通过调节iq1 *，使得vr1 *-vr1始终为零，即对vr1 *进行无差跟踪。所述直线电机二的速度给定信号vr2 *与直线电机二的速度反馈信号vr2作差，输入直线电机二的速度调节器，所述直线电机二的速度调节器输出直线电机二的q轴电流给定信号iq2 *。通过调节iq2 *，使得vr2 *-vr2始终为零，即对vr2 *进行无差跟踪。
S5.将所述直线电机一的d轴电流给定信号id1 *与直线电机一的d轴电流反馈信号id1作差，输入直线电机一的d轴电流调节器，所述直线电机一的d轴电流调节器输出直线电机一的d轴电压给定信号ud1 *。将q轴电流给定信号iq1 *与直线电机一的q轴电流反馈信号iq1作差，输入直线电机一的q轴电流调节器，所述直线电机一的q轴电流调节器输出直线电机一的q轴电压给定信号uq1 *。通过调节ud1 *、uq1 *，使得id1 *-id1、iq1 *-iq1始终为零，即分别对id1 *和iq1 *进行无差跟踪。
将所述直线电机二的d轴电流给定信号id2 *与直线电机二的d轴电流反馈信号id2作差，输入直线电机二的d轴电流调节器，所述直线电机二的d轴电流调节器输出直线电机二的d轴电压给定信号ud2 *。将q轴电流给定信号iq2 *与直线电机二的q轴电流反馈信号iq2作差，输入直线电机二的q轴电流调节器，所述直线电机二的q轴电流调节器输出直线电机二的q轴电压给定信号uq2 *。通过调节ud2 *、uq2 *，使得id2 *-id2、iq2 *-iq2始终为零，即分别对id2 *和iq2 *进行无差跟踪。
S6.将所述直线电机一的d轴电压给定值ud1*、q轴电压给定值uq1*、动子电角度反馈信号θr1送入直线电机一的旋转/静止坐标变换模块，所述旋转/静止坐标变换模块将ud1*、uq1*合成的电压矢量变换到静止坐标系，得到静止αβ坐标系下直线电机一的α轴给定电压ua1*、β轴给定电压uβ1*；包括下述过程：
Figure BDA0003829405210000151
将所述直线电机二的d轴电压给定值ud2*、q轴电压给定值uq2*、动子电角度反馈信号θr2送入直线电机二的旋转/静止坐标变换模块，所述旋转/静止坐标变换模块将ud2*、uq2*合成的电压矢量变换到静止坐标系，得到静止αβ坐标系下直线电机二的α轴给定电压ua2*、β轴给定电压uβ2*；包括下述过程：
Figure BDA0003829405210000152
S7.将所述直线电机一的α轴、β轴给定电压ua1*、uβ1*输入7a-直线电机一的脉宽调制模块，所述脉宽调制模块进行空间矢量脉宽调制(SVPWM)，产生A、B、C相的电压占空比信号Ta1、Tb1、Tc1，最终产生作用在逆变器一中A、B、C相桥臂上的PWM驱动信号PWM1-6；
将所述直线电机二的α轴、β轴给定电压ua2*、uβ2*输入7b-直线电机二的脉宽调制模块，所述脉宽调制模块进行空间矢量脉宽调制(SVPWM)，产生A、B、C相的电压占空比信号Ta2、Tb2、Tc2，最终产生作用在逆变器二中A、B、C相桥臂上的PWM驱动信号PWM7-12；
S8.逆变器一和逆变器二的输出电压分别作用在直线电机一、直线电机二动子的三相绕组上，控制电机三相绕组A、B、C相的电流，产生对应于输入PWM信号的电流信号，分别控制两台直线电机作协同运行，最终实现d、q轴电流的无差跟踪；
S9.所述直线电机一、直线电机二的位置反馈信号yr2、yr2，动子速度反馈信号vr1、vr2，动子电角度反馈信号θr1、θr2，均由经过位置速度信号处理模块计算得到。所述位置速度信号处理模块输入为电机的位置信号传感器。
S10.直线电机一的动子电角度信号θr1，以及A、B、C相电流信号ia1、ib1、ic1送入直线电机一的静止/旋转坐标变换模块，经过静止/旋转坐标变换模块得到d、q轴直流电流信号，并分别作为d轴电流反馈值id1、q轴电流反馈值iq1。包括下述过程：
Figure BDA0003829405210000161
直线电机二的动子电角度信号θr2，以及A、B、C相电流信号ia2、ib2、ic2送入直线电机二的静止/旋转坐标变换模块，经过静止/旋转坐标变换模块得到d、q轴直流电流信号，并分别作为d轴电流反馈值id2、q轴电流反馈值iq2。包括下述过程：
Figure BDA0003829405210000162
e1、e2分别为直线电机一、直线电机二的位置同步误差，其表达式如(4)所示。当直线电机一和直线电机二的位移和速度做到幅值相等，方向相反时，即yr1＝-yr2、vr1＝-vr2，则有e1＝-e2＝0，那么误差补偿器的输出Δyr＝0，此时与常规的并联控制原理相同；一旦直线电机一和直线电机二速度或者位移因负载的扰动等因素出现幅值的差异，即yr1≠-yr2或者vr1≠-vr2，此时，e1≠0或者e2≠0。误差补偿器将输出一个非零的位置补偿信号Δyr，分别通过位置控制器作用于速度控制器，对双直线电机的位置信号和速度信号进行调节，最终达到调节直线电机一和直线电机二的输出速度和输出位移幅值相等，方向相反的效果。
Figure BDA0003829405210000171
实施例4，在以上实施例的基础上，本设计还公开了一种采用本设计控制器以及控制方法的跑步机，如图1所示，其在原有跑步机的基础上，增加了本设计的控制器14，并且其跑步轨道为两个运动踏板15，运动踏板15安装在导轨18上，两台直线电机固定在机体底台多根横梁上，两台直线电机分别设有直线电机一动子16、直线电机一定子17、直线电机二定子19、直线电机二动子20，直线电机动子充当运动踏板，直线电机定子侧端设有光栅位置传感器连接所述控制器。控制器具有步态跟踪功能，可以实时通过跑步者的跑步速度调整所述运动踏板的速度。
本发明实现了双直线电机在扰动不平衡情况下的同速反向运行，减小双直线电机动子与人双脚内力。能够对双电机的速度误差进行实时补偿。根据两台直线电机在运行过程中由于人给予扰动的不平衡，自动对两台电机的速度误差进行补偿。减小人脚掌落地瞬间的反向作用力，最大程度降低腿部关节与腰椎承受自身重力、下坠冲击力。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种跑步机用双直线电机协同控制器，包括直线电机一、直线电机二和两套逆变器，其特征在于，所述直线电机一和直线电机二的三相动子绕组分别连接两套逆变器，两套逆变器共用整流环节以及直流滤波环节。
2.根据权利要求1所述的一种跑步机用双直线电机协同控制器，其特征在于，该跑步机用双直线电机协同控制器还包括位置给定模块、误差补偿器、位置调节器、速度调节器、电流调节器、旋转/静止坐标变换模块、脉宽调制模块、速度位置信号处理模块以及静止/旋转坐标变换模块。
3.根据权利要求2所述的一种跑步机用双直线电机协同控制器，其特征在于，所述位置给定模块，用于接收跑步机的速度给定信号，并输出运动踏板的位置给定值；
所述误差补偿器，通过加法器连接两台直线电机，加法器的两个输入端信号分别为直线电机一的位置反馈信号和直线电机二的位置反馈信号，加法器的输出端连接误差补偿器的信号输入端；
所述位置调节器，包括位置调节器一和位置调节器二，所述位置调节器一通过减法器一连接位置给定模块和误差补偿器，减法器一用于将所述运动踏板的位置给定值分别与直线电机一的位置反馈信号、位置补偿信号作差，输入到位置调节器一，位置调节器一输出直线电机一的速度给定信号，所述位置调节器二通过减法器二连接位置给定模块和误差补偿器，减法器二用于将所述运动踏板的位置给定值作反相运算后分别与直线电机二的位置反馈信号、位置补偿信号作差，输入到位置调节器二，位置调节器二输出直线电机二的速度给定信号。
4.根据权利要求3所述的一种跑步机用双直线电机协同控制器，其特征在于，所述速度调节器，包括速度调节器一和速度调节器二，速度调节器一通过减法器三连接位置调节器一，减法器三用于将直线电机一的速度给定信号与直线电机一的速度反馈信号作差，速度调节器一输出直线电机一的q轴电流给定信号，速度调节器二通过减法器四连接位置调节器二，减法器四用于将直线电机二的速度给定信号与直线电机二的速度反馈信号作差，速度调节器二输出直线电机二的q轴电流给定信号，直线电机一的q轴电流给定信号和直线电机二的q轴电流给定信号均由位置速度信号处理模块计算得到；
所述电流调节器，包括直线电机一的d轴电流调节器、直线电机一的q轴电流调节器、直线电机二的d轴电流调节器和直线电机二的q轴电流调节器，直线电机一的d轴电流调节器输入端连接直线电机一的d轴电流给定信号与直线电机一的d轴电流反馈信号的差值信号，直线电机一的d轴电流调节器输出直线电机一的d轴电压给定信号，直线电机一的q轴电流调节器输入端连接直线电机一的q轴电流给定信号与直线电机一的q轴电流反馈信号的差值信号，直线电机一的q轴电流调节器输出直线电机一的q轴电压给定信号，直线电机二的d轴电流调节器输入端连接直线电机二的d轴电流给定信号与直线电机二的d轴电流反馈信号的差值信号，直线电机二的d轴电流调节器输出直线电机二的d轴电压给定信号，直线电机二的q轴电流调节器输入端连接直线电机二的q轴电流给定信号与直线电机二的q轴电流反馈信号的差值信号，直线电机二的q轴电流调节器输出直线电机二的q轴电压给定信号。
5.根据权利要求4所述的一种跑步机用双直线电机协同控制器，其特征在于，所述旋转/静止坐标变换模块包括直线电机一的旋转/静止坐标变换模块和直线电机二的旋转/静止坐标变换模块，所述直线电机一的旋转/静止坐标变换模块输入端连接直线电机一的d轴电压给定值、直线电机一的q轴电压给定值和动子电角度反馈信号θr1，所述直线电机一的旋转/静止坐标变换模块用于将直线电机一的d轴电压给定值、直线电机一的q轴电压给定值合成电压矢量变换到静止坐标系，得到静止αβ坐标系下直线电机一的α轴给定电压、β轴给定电压；所述直线电机二的旋转/静止坐标变换模块输入端连接直线电机二的d轴电压给定值、直线电机二的q轴电压给定值和动子电角度反馈信号θr1，所述直线电机二的旋转/静止坐标变换模块用于将直线电机二的d轴电压给定值、直线电机二的q轴电压给定值合成电压矢量变换到静止坐标系，得到静止αβ坐标系下直线电机二的α轴给定电压、β轴给定电压；
所述脉宽调制模块包括直线电机一的脉宽调制模块和直线电机二的脉宽调制模块，所述直线电机一的脉宽调制模块输入端连接直线电机一的α轴给定电压、β轴给定电压，直线电机一的脉宽调制模块进行空间矢量脉宽调制，产生A、B、C相的电压占空比信号，最终产生作用在直线电机一的逆变器中A、B、C相桥臂上的PWM驱动信号，所述直线电机二的脉宽调制模块输入端连接直线电机二的α轴给定电压、β轴给定电压，直线电机二的脉宽调制模块进行空间矢量脉宽调制，产生A、B、C相的电压占空比信号，最终产生作用在直线电机二的逆变器中A、B、C相桥臂上的PWM驱动信号。
6.根据权利要求5所述的一种跑步机用双直线电机协同控制器，其特征在于，所述速度位置信号处理模块包括直线电机一的速度位置信号处理模块和直线电机二的速度位置信号处理模块，分别连接直线电机一和直线电机二，所述速度位置信号处理模块用于直线电机一、直线电机二的位置反馈信号，动子速度反馈信号，动子电角度反馈信号；
所述静止/旋转坐标变换模块包括直线电机一的静止/旋转坐标变换模块和直线电机二的静止/旋转坐标变换模块，直线电机一的静止/旋转坐标变换模块输入端连接直线电机一的动子电角度信号，以及A、B、C相电流信号，输出直线电机一的d、q轴直流电流信号，直线电机二的静止/旋转坐标变换模块输入端连接直线电机二的动子电角度信号，以及A、B、C相电流信号，输出直线电机二的d、q轴直流电流信号。
7.一种跑步机用双直线电机协同控制方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的控制器，包含以下步骤：
步骤1、将跑步机的速度给定信号v*作为位置给定模块的输入信号，所述位置给定模块输出运动踏板的位置给定值yr *；
步骤2、将直线电机一的位置反馈信号yr1、直线电机二的位置反馈信号yr2相加，作为误差补偿器的输入信号，所述误差补偿器输出位置补偿信号Δyr，通过调节Δyr，使得yr1+yr2始终为零，即控制两运动踏板在二维平面上反向往复运行；
步骤3、将所述运动踏板的位置给定值yr *分别与直线电机一的位置反馈信号yr1、位置补偿信号Δyr作差，输入直线电机一的位置调节器，所述直线电机一的位置调节器输出直线电机一的速度给定信号vr1 *，通过调节vr1 *，使得yr *-yr1-Δyr始终为零，即对yr *进行无差跟踪，将所述运动踏板的位置给定值yr *作反相运算，分别与直线电机二的位置反馈信号yr2、位置补偿信号-Δyr作差，输入直线电机二的位置调节器，所述直线电机二的位置调节器输出直线电机二的速度给定信号vr2 *，通过调节vr2 *，使得-yr *-yr2+Δyr始终为零，即对-yr *进行无差跟踪；
步骤4、将所述直线电机一的速度给定信号vr1 *与直线电机一的速度反馈信号vr1作差，输入直线电机一的速度调节器，所述直线电机一的速度调节器输出直线电机一的q轴电流给定信号iq1 *，通过调节iq1 *，使得vr1 *-vr1始终为零，即对vr1 *进行无差跟踪，所述直线电机二的速度给定信号vr2 *与直线电机二的速度反馈信号vr2作差，输入直线电机二的速度调节器，所述直线电机二的速度调节器输出直线电机二的q轴电流给定信号iq2 *，通过调节iq2 *，使得vr2 *-vr2始终为零，即对vr2 *进行无差跟踪；
步骤5、将所述直线电机一的d轴电流给定信号id1 *与直线电机一的d轴电流反馈信号id1作差，输入直线电机一的d轴电流调节器，所述直线电机一的d轴电流调节器输出直线电机一的d轴电压给定信号ud1 *，将q轴电流给定信号iq1 *与直线电机一的q轴电流反馈信号iq1作差，输入直线电机一的q轴电流调节器，所述直线电机一的q轴电流调节器输出直线电机一的q轴电压给定信号uq1 *，通过调节ud1 *、uq1 *，使得id1 *-id1、iq1 *-iq1始终为零，即分别对id1 *和iq1 *进行无差跟踪；将所述直线电机二的d轴电流给定信号id2 *与直线电机二的d轴电流反馈信号id2作差，输入直线电机二的d轴电流调节器，所述直线电机二的d轴电流调节器输出直线电机二的d轴电压给定信号ud2 *，将q轴电流给定信号iq2 *与直线电机二的q轴电流反馈信号iq2作差，输入直线电机二的q轴电流调节器，所述直线电机二的q轴电流调节器输出直线电机二的q轴电压给定信号uq2 *，通过调节ud2 *、uq2 *，使得id2-id2、iq2 *-iq2始终为零，即分别对id2 *和iq2 *进行无差跟踪；
步骤6、将所述直线电机一的d轴电压给定值ud1 *、q轴电压给定值uq1 *、动子电角度反馈信号θr1送入直线电机一的旋转/静止坐标变换模块，所述旋转/静止坐标变换模块将ud1 *、uq1 *合成的电压矢量变换到静止坐标系，得到静止αβ坐标系下直线电机一的α轴给定电压ua1 *、β轴给定电压uβ1 *；将所述直线电机二的d轴电压给定值ud2 *、q轴电压给定值uq2 *、动子电角度反馈信号θr2送入直线电机二的旋转/静止坐标变换模块，所述旋转/静止坐标变换模块将ud2 *、uq2 *合成的电压矢量变换到静止坐标系，得到静止αβ坐标系下直线电机二的α轴给定电压ua2 *、β轴给定电压uβ2 *；
步骤7、将所述直线电机一的α轴、β轴给定电压ua1 *、uβ1 *输入直线电机一的脉宽调制模块，所述脉宽调制模块进行空间矢量脉宽调制，产生A、B、C相的电压占空比信号Ta1、Tb1、Tc1，最终产生作用在逆变器一中A、B、C相桥臂上的PWM驱动信号PWM1-6；将所述直线电机二的α轴、β轴给定电压uα2 *、uβ2 *输入直线电机二的脉宽调制模块，所述脉宽调制模块进行空间矢量脉宽调制，产生A、B、C相的电压占空比信号Ta2、Tb2、Tc2，最终产生作用在逆变器二中A、B、C相桥臂上的PWM驱动信号PWM7-12；
步骤8、逆变器一、逆变器二的输出电压分别作用在直线电机一、直线电机二动子的三相绕组上，控制电机三相绕组A、B、C相的电流，产生对应于输入PWM信号的电流信号，分别控制两台直线电机作协同运行，最终实现d、q轴电流的无差跟踪；
步骤9、所述直线电机一、直线电机二的位置反馈信号yr2、yr2，动子速度反馈信号vr1、vr2，动子电角度反馈信号θr1、θr2，均由经过位置速度信号处理模块计算得到，所述位置速度信号处理模块输入为电机的位置信号传感器；
步骤10、直线电机一的动子电角度信号θr1，以及A、B、C相电流信号ia1、ib1、ic1送入直线电机一的静止/旋转坐标变换模块，经过静止/旋转坐标变换模块得到d、q轴直流电流信号，并分别作为d轴电流反馈值id1、q轴电流反馈值iq1；直线电机二的动子电角度信号θr2，以及A、B、C相电流信号ia2、ib2、ic2送入直线电机二的静止/旋转坐标变换模块，经过静止/旋转坐标变换模块得到d、q轴直流电流信号，并分别作为d轴电流反馈值id2、q轴电流反馈值iq2；
步骤11、e1、e2分别为直线电机一、直线电机二的位置同步误差，其表达式如下所示，
Figure FDA0003829405200000061
当直线电机一和直线电机二的位移和速度做到幅值相等，方向相反时，即yr1＝-yr2、vr1＝-vr2，则有e1＝-e2＝0，那么误差补偿器的输出Δyr＝0，此时与常规的并联控制原理相同；一旦直线电机一和直线电机二速度或者位移因负载的扰动等因素出现幅值的差异，即yr1≠-yr2或者vr1≠-vr2，此时，e1≠0或者e2≠0，误差补偿器将输出一个非零的位置补偿信号Δyr，分别通过位置控制器作用于速度控制器，对双直线电机的位置信号和速度信号进行调节，最终达到调节直线电机一和直线电机二的输出速度和输出位移幅值相等，方向相反的效果。
8.根据权利要求7所述的一种跑步机用双直线电机协同控制方法，其特征在于，所述步骤1的过程为：
Figure FDA0003829405200000062
其中，R为人步长设定值，t为运动时间。
9.根据权利要求2所述的一种跑步机用双直线电机协同控制方法，其特征在于，所述步骤6包括下述计算过程：
Figure FDA0003829405200000071
Figure FDA0003829405200000072
10.根据权利要求1所述的一种跑步机用双直线电机协同控制方法，其特征在于，所述步骤10包括下述过程：
Figure FDA0003829405200000073
Figure FDA0003829405200000074
CN202211078031.XA 2022-09-02 2022-09-02 一种跑步机用双直线电机协同控制器及控制方法 Pending CN115313920A (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116205113A (zh) * 2023-04-18 2023-06-02 合肥工业大学 一种永磁同步直线电机稳健性优化方法及***

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