一种基于定步长速度测量的直线电机运动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于定步长速度测量的直线电机运动控制方法，是使用等间隔排列的霍尔开关传感器阵列，进行直线电机的动子的位置和速度测量，实施分阶段往返运动控制，所述控制依次包含高速匀速、减速、低速匀速和边界制导四个阶段，在上述四个阶段中分别实施位置ＰＩＤ控制、加速度ＰＩＤ控制、速度ＰＩＤ控制和位置ＰＤ控制。本发明专利技术方法基于简单的测量装置，可以实现负载适变化的直线电机运动控制，不需要光栅精密测量机构，解决了现有技术中仅依靠霍尔开关传感器无法实现的毫米级别的直线电机的定位控制，降低了系统成本和系统复杂度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于直线电机控制方法，具体涉及一种基于定步长速度测量的直线电机运 动控制方法。
技术介绍
直线电机控制原理如图1所示，中心控制器根据检测反馈的结果，生成控制量，输 出控制信号，由电机驱动模块驱动电机运动。直线电机的动子运动时，检测反馈部分产生信 号变化，反馈给中心控制器，中心控制器根据反馈回来的内容进行电机的控制调整，使直线 电机平滑运行。直线电机的控制功能结构如图2所示。直线电机控制的难点在于其控制模型的特殊性。直线电机模型是非线性的，在不 同的运动速度上可以表现出不同的主要特性。在平移门中使用的直线电机，具有动子比定 子长，动子行程范围大于定子长度的特点，因此会出现定子对动子的覆盖不均勻、不对称的 情况。在直线电机平移门中，平移门的门体作为负载，是不能预知的，门体都是在直线电机 出厂后根据用户需要设计的，也就是说，直线电机的负载是可变的。针对直线电机控制的研究中，采用的控制算法包括PID控制、鲁棒控制、自适应控 制、模糊控制和神经网络控制，但其中仿真研究多，实际应用少，尤其缺乏对大行程、结构不对称、负载可变的直线 电机控制的研究。为实现直线电机的控制，一般以光栅尺作为精密测量元件，测量精度可达到μ m 级。光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。高分辨率的光 栅尺一般造价较贵，且制造困难，工作条件要求高，这些特点都直接限制了光栅尺在平移门 中的应用。在应用直线电机的平移门中，日本立山公司仅依赖三个霍尔开关传感器对直线电 机动子的速度进行测量，但其产品需要定制，即负载是不能任意设定的，表明其控制方法对 模型有严格要求，不利于产品的大批量开发。为了针对不同负载条件均实现平滑一致的直线电机平移门往返控制，需要新的控 制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出。该方法在不依赖光栅尺等高精度测量元件的前提下，基于有限个霍尔传感器，可以对直线电机驱 动的平移门实现往返到位控制，提高到位精度和运行平滑性，为类似平移门的直线电机控 制问题提供新的方法。实现上述目的采用的技术方案是基于定步长速度测量的直线电机运动控制方法，是使用等间隔排列的霍尔开关传 感器阵列，进行直线电机的动子的位置和速度测量，实施分阶段往返运动控制，所述控制依 次包含高速勻速、减速、低速勻速和边界制导四个阶段，在上述四个阶段中分别实施位置 PID控制、加速度PID控制、速度PID控制和位置PD控制。所述的速度测量，是按照所述动子运动的固定位移间隔进行的；所述的动子运动的固定位移间隔，是在0. 5mm 8mm内取值；所述的高速勻速阶段，是期望速度在250mm/s 700mm/s范围内取定值；所述的低速勻速阶段，是期望速度在50mm/s 150mm/s范围内取定值；所述的减速阶段，是减速阶段的各位移点的期望速度的大小随位移量均勻减小， 从高速勻速控制阶段的期望速度逐步变化到低速勻速阶段的期望速度。所述的位置PID控制、加速度PID控制和速度PID控制均是按照增量PID方式在 数字控制器中实现。本专利技术方法基于简单的测量装置，可以实现负载适变化的直线电机运动控制，其 优点在于1)不需要光栅精密测量机构，解决了现有技术中仅依靠霍尔开关传感器无法实现 的毫米级别的直线电机的定位控制，降低了系统成本和系统复杂度。2)通过直线电机的分阶段控制，仅依靠增量PID控制实现了对直线电机运动过程 的控制，实现了适应不同重量平移门的往返到位控制，且避免了自适应控制、神经网络等复 杂控制算法。下面结合附图进一步说明本专利技术的技术方案。 附图说明图1是直线电机控制原理图。图2是直线电机的控制功能结构图。图3是本专利技术方法中的霍尔传感器阵列布置示意图。图4是专利技术方法对直线电机平移门控制阶段划分图。图5是本专利技术方法中高速勻速阶段控制阶段信号量示意图。图6是本专利技术方法中减速控制阶段信号量示意图。图7是本专利技术方法中低速勻速阶段控制阶段信号量示意图。图8是本专利技术方法控制的某型直线电机正向运动速度变化曲线图。图9是本专利技术方法控制的某型直线电机反向运动速度变化曲线图。具体实施例方式本专利技术方法通过等间隔排列的霍尔开关传感器组成霍尔开关传感器阵列2进行直线电机的动子的位置和速度测量。速度测量是按照动子运动的固定位移间隔进行的。动 子由若干块磁石1组成。设进行速度测量的位移间隔为D，单块磁石1的长度为L，则霍尔 开关传感器阵列2应包含的霍尔开关传感器数量为L/D+1。如图3给出了一个使用13个霍 尔开关传感器的阵列排布。它对应了 L = 24mm, D = 2mm的情况。根据其下方磁极为N或S，霍尔开关传感器会输出0或1，整个阵列的输出形成一 个十三位的二进制串(b0 bl b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 blO bllbl2 bl3)。霍尔开关传感 器阵列2输出编码的奇偶校验位为标志信号量。动子运动的固定位移间隔一般是在0. 5 8mm内取值，例如取为2mm时，动子每移动2mm，会导致二进制串发生变化，而且其编码内0 的个数会发生奇偶变化，因此其奇偶校验位会发生跳变。中心控制器检测该脉冲跳变，发生 正跳变则位移值读数增加2mm，发生负跳变则位移值减小2mm，如此累加，即可得到位移坐 标值S.记录两次脉冲到达时的时间间隔T，速度测量值V的大小即为2mm/T，速度的方向可 根据位移量的增减确定，位移增则速度为正，位移减则速度为负。平移门的往返过程控制要求平移门快速准确到达边界点，运行过程中速度平滑变 化。为此设置了四阶段的控制过程，如图4曲线所示，分别为高速勻速阶段、减速阶段、低速 勻速阶段和边界制导阶段。在每个阶段执行不同的控制方法。这样设置的合理性在于，直 线电机在高速、减速和低速勻速阶段其模型分别呈现不同的主要特点，为实现理想的控制 效果必须使用不同的控制方法。在高速勻速阶段阶段，按照位置PID控制方式(参见注释)进行控制。期望速度为一恒定值VH，在250mm/s 700mm/s之间取定。以脉冲值到达的时刻为采样点。，设在当 前采样点位移坐标值为S，如图5所示，位移误差eS计算为eS = S1+VH*T_S(1)式中，Sl为前一个采样点的位移坐标，VH为期望运行速度，T为当前采样点与前一 个采样点之间的时间间隔。同样可以得到前两个采样点处的位移误差eSl和eS2eSl = S2+VH*T1_S1(2)eS2 = S3+VH*T2_S2(3)式中Si，S2，S3分别为前三个采样点的位移坐标，Tl，T2为从S3采样点开始的连 续两个采样点之间的时间间隔。根据文献，增量PID控制算法的计算公式如下du = (Kps+Kds+Kis)*eS-(Kps+Kds+Kds)*eSl+Kps*eS2(4)u = ul+du(5)式中du为控制量增量，Ul为前一个采样点的控制量，u为当前采样点的控制量， Kps, Kds, Kis依次为比例控制系数、微分控制系数和积分控制系数，eS2, esl, eS表示了连 续三次采样点处的位移误差，eS由公式(1)计算，eSl, eS2由公式(2) (3)计算。在减速阶段，按照加速度PID控制方式(参见注释)进行控制。加速度误差通过 速度误差差分得到。减速阶段各位移点上期望速度的大小随位移量均勻减小，从高速勻速 阶段本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于定步长速度测量的直线电机运动控制方法，其特征是使用等间隔排列的霍尔开关传感器阵列，进行直线电机的动子的位置和速度测量，实施分阶段往返运动控制，所述控制依次包含高速匀速、减速、低速匀速和边界制导四个阶段，在上述四个阶段中分别实施位置ＰＩＤ控制、加速度ＰＩＤ控制、速度ＰＩＤ控制和位置ＰＤ控制。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢文超，韩大鹏，
申请(专利权)人：湖南天安门业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]